趣味力学

1 两个鸡蛋相撞中的力学问题
取两个硬度、大小基本一样的鸡蛋，左右手各拿一个，然后用一手中的鸡蛋向另一手中的鸡蛋撞去（图 1）。注意，这里两个鸡蛋碰撞的部位也基本一致，那么你猜哪一个手里的鸡蛋会被撞破呢？ 图 1　哪个鸡蛋会撞破？ 这是美国《科学和发明》杂志中曾刊登过的一个问题，杂志也肯定地给出了答案： 通过多次试验发现，被撞破的多是主动去撞的鸡蛋，也即处于“运动状态”下的那个鸡蛋。
为什么会这样呢？杂志给出了解释：“蛋壳的外形呈拱形①，当两个鸡蛋发生碰撞的时候，保持不动的鸡蛋，其压力会作用于外壳，并得到加强，这是因为拱形物体对外来压力的承受力很强。不过，与静止的拱形物体相比，处于运动中的拱形物体，所承受的压力是完全不同的。在这个试验中，运动中的鸡蛋，不仅承受着外在的压力——来自于静止鸡蛋相撞的压力，还有来自内部的压力——鸡蛋蛋液由内朝外运动的压力。对这种来自内部的压力，拱形物体的承受度，要远低于对外部压力的承受度，更何况是双管齐下的情况，所以，撞破的就总是运动中的鸡蛋了。”
当这个问题出现在列宁格勒（现俄罗斯圣彼得堡）的报纸上后，各种稀奇的答案纷至沓来。
很多人认为被撞碎的一定是主动去撞的鸡蛋；但也有一些人觉得，主动去撞的鸡蛋会是完好无损的那个。他们给出的理由看上去似乎都各有道理，但事实上却都是错误的。因为他们的大前提——说主动去撞的鸡蛋是运动的，而被撞的鸡蛋是静止的——这一论点本身就是错误的。我们不能过分强调鸡蛋的运动与否，因为不论是主动去撞的还是被撞的鸡蛋，两者之间并没什么不同，用什么标准来确定鸡蛋的动与不动呢？
如果是从地球上来说，那我们知道，地球本身也是在不断运动的，而且它的运动呈现为十几种不同的方式。不管是主动去撞的，还是被撞的，都会存在多种不同的运动方式，谁能说两者哪一个运动得更快呢？
如果是从运动和静止的特征上来说，那就算是看遍所有的天文学书籍，恐怕也无法准确预测两个鸡蛋的结局——因为天空中每一个可见的星星，都是运动的，它们所在的整个银河系，相对其他星系而言，同样也都是运动的。
瞧，两个鸡蛋，便将我们带向了深奥的宇宙学，而问题也还远远没有解决。当然，这种说法并不确切，因为问题毕竟向解决的方向靠近了——它让我们明了一个真理： 不就某一相对物体而言，单独去谈论一个物体的运动，是完全没有意义的。就单一的物体来说，没有运动与否之说；运动，至少得是两个物体之间的对比，或是靠近，或是远离。上文中两个鸡蛋的相撞是在相同的运动状态进行的，它们在相互靠近——对于它们的运动，我们只能确定这一点。至于相撞后可能出现的结果，却并不在于我们把哪个看成是主动去撞的一方，哪个又是被撞的一方而产生不同。②
300 多年前，伽利略已经提出了静止与匀速运动的相对性，也即众所周知的力学相对论。这里提醒大家，不要与爱因斯坦的相对论混淆，爱因斯坦的相对论是在 20 世纪初才出现的，况且他的相对论也是在伽利略相对论的基础上发展起来的。 注　释
①世界上许多著名建筑都喜欢以拱形来修建，如罗马式建筑、中国古桥等，原因就在于拱形的承载力更强。因为拱形建筑两侧的拱脚，不仅可以分担中心点的压力，将其导向地面，同时还能向中心提供反作用力，增强了拱形结构的承载力。
②这里还涉及一个重要的问题，下一节我们会做详细介绍，这里先简单说一下： 相撞的两个物体，与外界并非完全隔离的。比如，鸡蛋主动撞击时的快速运动，会使空气压力对它所产生的破坏力，超过撞击对它所产生的破坏力。哪怕去撞的鸡蛋在半路上突然停下来，蛋液也会对蛋壳产生内在的力。 2 木马旅行记
从上一节内容，我们可以得出这样一个结论： 一个物体呈匀速直线运动的状态，和一个物体静止而其四周环境朝与它相反的方向做匀速直线运动，这两者之间是没有任何区别的。不管是“物体是匀速运动的”，还是“物体静止而周围环境是匀速相反运动的”，这两者从根本上来说，其实是一回事。但是，更严格地来说，这两种说法本身都是不严谨的。更准确的说法应是： 物体和周围环境在彼此做着相对的运动。
这一点，即使是现代学习力学或者物理学的人都未必能完全认识到。但是，300 多年前一位并没有读过伽利略著作的人——塞万提斯，也即名著《堂吉诃德》的作者，却不仅已经熟知了这一点，甚至还把他的认识见解渗透到了他的作品中。也因此，我们得以欣赏到了那位光荣的骑士和他的侍从骑木马旅行的精彩片段。
骑木马前，他们向堂吉诃德解释说：
“大勇士玛朗布鲁诺亲口担保，他只为了比剑，请骑士尽管放心前去应约。如果骑士有侍从，可以让侍从骑在马屁股上。这匹马的脖子上有个机关，只需轻轻扭动一下，它就会从空中直接送他们到玛朗布鲁诺。但是你们得蒙上眼睛，不然飞得太高头会晕的，当听到马嘶鸣的声音时，就表示已经到达目的地了，那个时候才能睁开双眼。”
于是，堂吉诃德和他的侍从桑丘骑上了木马，并蒙上了双眼，一切准备就绪后，堂吉诃德扭动了开关。
旁边的人立刻行动起来，让骑士和侍从相信他们果然像“射出的箭一样快”地在空中疾驰了。
“我敢发誓，”堂吉诃德对侍从桑丘说，“我从来都没有坐过这么平稳的坐骑，就像不曾走过一步似的。亲爱的朋友，不用害怕，事情进展得很顺利。”“是啊！”桑丘回答说，“我感觉到风很大，就好像是有一千个风箱正对着我们吹。”
事实也确实如此，旁边有几个大风箱正在对着他们鼓风呢！
塞万提斯书中所描写的木马，实际上就是今天各种游戏场所或者公园里，供人们消遣娱乐的各种木马游戏的原始形式。其实，无论是木马，还是类似的其他游戏，都是根据静止和匀速运动不可能从机械效果上完全被分辨出的原理研发而来的。 3 日常生活中的力学
许多人已经习惯把静止和运动看作是对立的两面，就跟天和地、水和火的对立一样。在这种认知的影响下，当他们在火车上过夜时，丝毫不用去关心火车是静止着的，还是疾驰着的。与此同时，在理论上，他们却又坚信疾驰的火车不可能是静止不动的，而火车下面的铁轨、大地和周围环境也不可能是在朝相反的方向运动着的。
那么，对这一说法，火车司机又是怎么看待的呢？
爱因斯坦对此进行论述时说：“火车司机会否定这一说法。因为他认为燃烧和润滑的目的是让机车运动，而不是周围的环境。他工作的结果就是运动，而进行运动的应该是机车。”
表面看来，火车司机的观点是非常有道理的，几乎具有决定性的说服力。但是，我们不妨这样设想一下： 有一条沿着赤道铺设的铁轨，上面有辆火车正在朝西方行进，正好跟地球自转的方向相反。此时，周围的环境都是与火车迎面相对而过，火车内的燃料只能保证火车不被四周环境带向后方，或者也可以说，是让火车尽量落在四周环境向东方运动的后方。
如果司机想让火车脱离这种状态，不参与到地球的自转中，他就得让火车的疾驰速度达到 2 000 千米 / 小时①。
现实中，他是找不到这样的火车的。换成喷气式飞机，倒是还可以达到这个速度②。
在火车进行持续的匀速运动时，是不可能确定火车和周围的环境，到底谁处于运动的状态，而谁又处于静止的状态。现实的物质世界构造决定了，在任何一个瞬间，都不可能绝对解决这个问题： 究竟是静止的还是匀速运动的。人们只能研究一个物体跟另外一个物体之间的相对匀速运动，即使观察这个现象的人参与到匀速运动中去，也不能影响到被观察的现象及其自身的定律。 注　释
①即使到了今天，火车的速度仍然无法超出地球的自转速度。2010 年，中国高铁研发出的“和谐号”380A，轨道实验速度*高为 486.1 千米 / 小时，而速度更高的 CIT500 型试验速度达到 605 千米 / 小时；目前地球上跑得*快的汽车，极限速度为 431 千米 / 小时。
②美国宇航局在 1976 年发射的太阳神 2 号探测器，是迄今为止人类发射的飞行速度*快的人造天体，其飞行速度约 25 万千米 / 小时；2004 年研制的 X-43A 高超音速飞行器的飞行速度达到了 11 760 千米 / 小时，相当于声音速度的 9.6 倍。 4 船上的决斗
在多数情况下，人们在实际生活中是用不到相对论的。但凡事也总有例外。现在我们不妨假设一下，在一艘行驶的船上，两个射手面对面站立着，用枪瞄准对方射去（图 2）。我们的问题是，在这种情况下，两个射手所拥有的条件是否完全一样呢？那个背向船头的射手是否会抱怨说，他射出的子弹要比对方的子弹飞得慢一些呢？ 图 2　谁的子弹先射到对手身上？ 因为，相对于海面来说，逆行方向飞出的子弹要比船体静止时射出的子弹慢，而朝着船行方向射出的子弹则要快一些。然而这并不能影响到射手们所处的相同条件，因为朝船尾方向射去的子弹，它的目标也迎面而来。因此在船做匀速运行时，目标迎面而来的速度，恰好补偿了子弹本身所减少的速度；而射向船头的子弹则要追赶它的目标，因为它的目标正在离开子弹，并且离开的速度跟子弹所增加的速度相等。
*终结果是，两颗子弹跟它们各自的目标相对来说，在行进的船上和在静止的船上，两者运动是一样的。
当然，这种现象得在特定的条件下成立，那就是要在依直线匀速行进的船上才可以。
这里可以引用伽利略所著的*早阐述经典相对论的书（几乎把它的主人带上宗教裁判所的火堆上烧死的一本书）中一段话来说明：
“假设你把自己和朋友关在一个大船甲板下的大房间里，此时大船正在做匀速运动，那么你们就不可能立刻判断出船是在运动着，还是静止着。假如你们在那个房间里跳远的话，你们跳出的距离跟在静止的船上跳出的距离会是一样的。你们不会因为船在运动，在跳向船尾时就跳得远，也不会在跳向船头时就跳得近——虽然在向船尾跳跃时，有一瞬间，你的全身都在空中，而此时你脚下的船正向着你所跳的相反方向运动。如果你丢掷一个东西给你的朋友，从船尾扔向船头的力气不会比从船头扔向船尾所花费的力气更大……船上的苍蝇四处乱飞，并不会专门在船尾那边停留。”
为了让经典相对论更容易为人理解，可以用一句话来加以概括说明：“在某一个体系中进行的运动特性，并不会因为这个体系是静止的，还是做着匀速直线运动，而有所不同。”