趣味物理学续篇(世界经典青少年科普读物，全世界销量超过2000万册，人大附中等名校教师推荐必读课外书)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼

出版社：中国妇女出版社

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趣味物理学续篇(世界经典青少年科普读物，全世界销量超过2000万册，人大附中等名校教师推荐必读课外书)试读：

编者的话

由于写作年代的限制，本丛书还存在一定的局限性。比如，作者写作此书时，科学研究远没有现在严谨，书中存在质量、重量、重力混用的现象；有些地方使用了旧制单位；有些地方用质量单位表示力的大小，等等。而且，随着科学的发展，书中的很多数据，比如，某些最大功率、速度等已有很大的改变。编辑本丛书时，我们在保持原汁原味的基础上，进行了必要的处理。此外，我们还增加了一些人文、历史知识，希望小读者们在阅读时有更大的收获。

在编写的过程中，我们尽了最大的努力，但难免有疏漏，还请读者提出宝贵的意见和建议，以帮助我们完善和改进。—— Chapter1 ——力学的基本规律绝妙的旅行

17世纪（确切地说是1652年），法国有一个叫西拉诺·德·贝尔热拉克的作家，在他写的小说《月球上的国家史》中，讲到了一件非常有趣的事情：

在一次做实验的时候，不知怎么搞的，主人公突然升到了空中，还有一些玻璃瓶子也顺带升了上去。在天上飘了几个钟头后，他终于落了下来。令他惊奇的是，他并没有落回到法国，甚至不是在欧洲，而是到了美洲的加拿大。也就是说，在这几个小时里，他跨越了整个大西洋。想了一会儿后，主人公似乎想明白了其中的缘由：当他离开地球来到空中的时候，地球不是静止的，而是在自西向东自转。所以，当他从空中落下来的时候，地球已经转了一定的角度，他脚下的地方变成了美洲大陆，而不是法国或者欧洲其他地方了。

这件事听起来似乎很有道理，而且不失为一个非常经济的旅行方式——不需要花什么钱，而且非常简便易行。只要在空中停留那么一会儿，哪怕只有几秒钟的时间，就可以来到另一个地方。有了这个方法，我们根本不用穿越海洋或者整个大陆，更不会感觉到劳累，只要升到地球上面，等着地球转动，到了目的地后落下来就可以了（图1）。

这种经济的旅行方式只不过是幻想罢了。一方面，即便能够升到空中，我们也还是没离开地球，而是仍然处于随地球自转的大气层之中。我们知道，地球外面包裹着大气层，在地球自转的时候，这层空气会跟着地球一起转动，包括空气中的云、飞机，还有鸟、昆虫等。反过来说，如果大气层没有跟地球一起转动，我们恐怕就要整天生活在极强的大风之中了。这种大风可比最猛烈的飓风厉害多了。其实，我们站在地上让风吹过身体，和我们跟着空气一起运动，本质上是一样的。在没有风的时候，如果一个人骑着摩托车以100千米/小时的速度前进，一样会感觉到对面吹来的大风。图1 我们能不能从高空中看到地球的转动？（此图并非按比例画的。）

另一方面，假设我们可以升得很高，到了大气层的最高端，或者假设地球上空不存在空气，我们也不可能像小说中说的那样旅行。在我们离开地面的时候，由于惯性作用，我们仍然会跟着地球前进，因此在落下来的时候，我们也还是会落到原来的地方。打个比方，这就像在火车上跳起来一样，落下来的时候，我们还是会落到起跳的位置。需要说明的是，当我们跳起来的时候，惯性会让我们沿着地球的切线运动，而不是绕着地球进行弧线运动，但是由于时间很短，这段距离可以忽略不计，并不会改变问题的实质。“地球，我命令你停下来”

威尔斯在一篇幻想小说中，描述了一个年轻人的特异功能。这个年轻人并不聪明，但是他拥有一种天生的本领，只要他许一个愿望，就会立刻实现。不幸的是，他的这一特异功能给自己和其他人都带来了很大的不便。故事的结局让我们很受启发。

有一次，年轻人参加了一场晚宴。晚宴一直到很晚才结束，他怕回家的时候太晚了，就想把黑夜延长，但是没有想到合适的办法，因为要想延长黑夜，别的天体也要停止转动才行，他可没有把握自己有这个能力。这时，他的朋友提了个建议，让他把月亮停下来。但是，年轻人仍然觉得不可行，因为月亮离他还是太远了。他的朋友又建议道：“试一试不就知道了？如果不能让月亮停下来，也可以让地球停下来啊！希望这么做不会产生其他的影响！”“好吧，我试试。”这个年轻人说。

接着，年轻人大声说：“地球，我命令你停下来！”话音刚落，他和朋友瞬间就飞到了空中，速度快得吓人。

年轻人一边飞行，一边想：“这是怎么回事？不行，我得活着回到家里。”正在他又要许愿的时候，噩运再次降临了。

也就是几秒钟的工夫，年轻人和朋友落到了一个地方，那里好像刚刚爆炸过一样，周围全是石头和倒塌的建筑，旁边不时有盘子之类的物品飞过。幸运的是，他没有被这些物品砸到。接着，一头牛又飞过去了，在前面不远的地方摔得粉碎。强烈的大风呼啸着，使他看不清周围的一切。

年轻人大声吼叫着：“这是怎么了？为什么会这样？为什么有这么大的风？难道是因为我许的愿吗？”

在猛烈的大风中，年轻人抬起头，看了看周围，然后说道：“咦，天上没有什么变化啊？月亮还在。但是地上这是怎么了？城市去哪儿了？房子去哪儿了？大风是从哪里吹过来的？我没有下这样的命令啊！”

年轻人试图站直身子，可努力了几次之后，他还是放弃了。因为他根本就站不起来。他趴在石头和土堆里，使劲往前爬着。他的周围除了废墟，什么也没有。

年轻人想，宇宙中肯定有什么东西损毁了，但他不知道到底是什么。

是的，所有的一切都损毁了。房子、树木……都看不见了，更不用说生物了。剩下的只有废墟和散落一地的碎片。在狂风大作的空中，什么也看不清。

其实，为什么会发生这样的事情？道理很简单，年轻人在命令地球停止转动的时候，没有考虑惯性的问题。由于惯性，地球在突然停止转动的时候，会把表面上的所有东西都甩出去。包括房子、树木等所有没有和地球牢固地固定在一起的东西，都会沿着地球切线的方向飞出去。当它们再回到地球上的时候，由于速度极快，都会被摔成碎片。

年轻人虽然没有弄明白是怎么回事，但是他知道，自己期待的奇迹并没有发生。他陷入了深深的愧疚之中，并下定决心，以后再也不许愿了。而当前最迫切的事情，就是把毁掉的一切恢复原状。但是，这场突如其来的灾难太恐怖了，肆虐的狂风夹杂着尘土，把月亮都遮住了。不远处，甚至传来了洪水暴发的声音。在闪电的照射下，年轻人看到一堵水墙正在以令人恐怖的速度向他冲过来，他不得不对着水墙大喊一声：“停下来，我命令你停下来！”

接着，年轻人又命令雷电和狂风停下来。然后，他便陷入了思考之中。“可千万不要再出这种乱子了！”他自言自语地说道，“如果我说的话还能应验，那就把我的神奇能力收走吧！我要做一个平凡的人，不要特异功能！这种能力太可怕了！在这之前，还是让所有的一切都恢复原貌吧！让城市、房屋、树木，还有其他的一切，都回到原来的样子吧！”从飞机上投递

假设你正坐在一架飞行着的飞机上向窗外望去，突然看到了一个熟悉的地方——你朋友的房子，你突然冒出了一个念头：如果我写个便条，将它跟一个重物拴在一起，从飞机上扔出去，是不是能落到朋友家的院子里？

你可能会认为，如果正好在飞机飞到朋友家房子上方的时候，把拴着重物的便条扔出去，一定可以落到朋友家。但是，即便朋友家的房子恰好在飞机的正下方，重物也不会落到他家的院子里。

如果在扔出重物的时候，可以观察重物的运动轨迹，你会发现：重物在下落的时候，仍然处于飞机的下方，会跟着飞机一起往前飞行，就好像它跟飞机之间有一条绳子拴着一样。当重物落到地面的时候，它跟你的朋友家已经相距十万八千里了。

由于惯性的作用，重物在飞机上的时候，是跟飞机一起飞行的。当重物被扔到飞机外面的时候，它还是会以原来的速度继续前行。所以，重物在下落的过程中，会进行两种运动：一种是由重力引起的自由落体运动，一种是以原来的速度向前飞行的运动。前者的方向是垂直的，后者的方向是水平的。这两种运动同时作用，使这个重物沿着一条曲线斜向下运动。事实上，这就好像水平抛出的物体所进行的运动一样，都沿着一条曲线运动，并最后落到地面上。水平射出去的子弹进行的也是这种运动。

需要指出的是，在刚才的分析中，我们并没有考虑空气阻力的影响。在没有空气阻力的情况下，前面的分析是正确的。但是，空气阻力是客观存在的。它的存在会影响到重物垂直方向和水平方向的运动，所以重物在从飞机里被扔出去之后，会慢慢落到飞机的后面。当然了，这里我们假设飞机的飞行速度保持不变。图2 从飞行中的飞机上落下的石头，它的运动轨迹不是竖直的，而是一条曲线。

如果飞机的高度很高，飞行速度很快，重物偏离垂直落点的程度就会非常明显。如 图2 所示，在没有风的时候，假设飞机的高度是1000米，飞行速度是100千米/小时，那么重物从飞机上掉落之后，会落到垂直落点前面，距离垂直落点的距离大概是400米。

如果不考虑空气阻力的影响，根据匀加速运动的公式，我们可以很容易计算得到：

也就是说，重物从1000米的高空落下的时间是秒。重物在这段时间内的运动速度是100千米/小时，那么它在水平方向上移动的距离就是100000/3600×14≈390米。影响飞行员投弹的几种情况

通过前面的分析，我们知道，空军飞行员要想把炮弹投到指定的地方，并不是一件很容易的事情。他需要考虑很多因素，既要考虑飞机的飞行速度，又要考虑空气阻力的影响，还要考虑风力是否会改变炮弹的飞行轨迹。如图3所示，这是飞机在不同条件下投出的炮弹的飞行轨迹。在没有风的时候，炮弹的飞行轨迹是曲线AF；如果正好是顺风，炮弹就会沿着曲线AG飞行；如果是逆风，而且风力不大，炮弹就会沿着曲线AD飞行；如果一开始是逆风，下落到一定高度之后又变成顺风，它的飞行轨迹就是曲线AE。图3 不同情况下，从飞机上投下的炸弹的飞行轨迹。无须停车的火车站

在静止的站台旁边，有一列火车快速开过，如果你想上车，就只能跳上去。这件事情听起来简单，做起来却并不容易。但是，如果站台也是运动的，跟火车行进的方向一样，速度也一样，那么要想跳上这列行进的火车，就是很容易的事情了。

这时，虽然火车依然在行进，但是当你走进火车的时候，就像走进一列静止的火车一样。如果你和火车是以相同的速度同向行驶，那么对你来说，火车就是静止的。刚才已经说过，火车其实一直在行进，并没有停下来。这时候，我们会感觉火车的轮子就好像在原地转动一样。从某种意义上来说，所有看似静止不动的物体都和我们一样，一直在绕着地轴和太阳进行着运动，只不过这些运动对我们的生活不会产生影响，所以我们忽略了它们。

事实上，这种站台并不难制造出来。在展览会上，我们经常能见到类似的装置，就是为了让参观的人快速浏览展台上的展品，而不用自己走来走去。在这样的展厅里，所有的展台就好像被一条铁道连在了一起一样，参观者可以在任何时候、任何地方上下“运动着的火车”。图4 两站（A、B）之间不需要停车的铁路构造示意图。

图4 所画的就是一个类似的装置。图中的A和B分别表示展厅两边的车站。在每个车站的中央，都有一个圆形的平台，它是静止不动的，乘客就是从这里上下火车的。平台的外面有一个大转盘，在转盘外面有一圈锁链，锁链上挂着车厢。当大转盘转动的时候，外面的车厢就会随着转盘转动，乘客就可以很容易地从转盘进到车厢里，或者从车厢回到转盘上。乘客从车厢里出来，就可以来到转盘中间那块不动的平台上（见图5）。由于平台的半径很小，在转盘转动时，内缘上的点比转盘的外缘走过的距离要少得多，转盘靠近平台的地方圆周速度也会很慢。因此，乘客要想到达平台，并不是一件危险的事情。到了平台之后，乘客可以从桥上出站，非常方便。图5 不需要停车的火车站台。

从某种意义上来说，如果火车不用停靠站台，不仅节约时间，而且也节约了能源。我们经常可以见到，城市中的电车由于需要不停地停靠站台，将大量的时间和能源（大约有）都耗费在了加速和减速上。其实，完全可以通过改进装置的方法，降低能源消耗。

回到前面的问题，如果想在火车全速前进时上下火车，我们也可以这么做。当火车快速通过一个站台的时候，让乘客提前坐到另一列火车上，并沿着前面火车前进的方向发动这列火车，使这列火车的速度慢慢跟上前面的火车，当两列火车的速度达到一致、并排前进的时候，这两列火车就是相对静止的了。这时，只要在两列火车之间架一座桥梁，把两列火车的车厢连起来，乘客就可以沿着桥梁，很容易地从一列火车进入另一列火车。这时候，站台就显得毫无用处了。活动式人行道

下面，我们来学习另一种装置，它也是利用相对运动的原理制造的。我们把它称为“活动式人行道”。1893年，在美国芝加哥的一次展会中，有人展出了这一装置。后来，1 9 0 0 年，在巴黎召开的世界博览会上，有人也展出过类似的装置。如图6所示是该装置的结构图。从图中可以看出，它是由5条环形人行道组成，而且一圈套着一圈。在不同的机械力的作用下，分别以不同的速度运动着。图6 活动式人行道。

在这些人行道中，最外边的一圈速度最慢，大概是5千米/小时，这跟一个人步行的速度差不多。所以，人们可以很容易地走到这条人行道上。紧挨着这一圈人行道的第二圈，速度是10千米/小时，如果是从静止的状态走到这条人行道上，是非常危险的，但是如果从第一圈走到这上面，就容易多了，因为第一圈和第二圈的相对速度只有5千米/小时。也就是说，从第一圈到第二圈，就相当于从静止的地面到第一圈，速度是一样的。第三圈人行道的速度是15千米/小时，根据前面的分析，从第二圈到第三圈也很容易。同样的道理，从第三圈到速度为20千米/小时的第四圈也不是难事。最后，通过第五圈的人行道，可以把人们运到想去的地方。反过来也一样，乘客可以很容易地从速度最快的第五圈人行道回到静止的地面上。一条费解的定律

在牛顿提出的力学三大定律中，最让人难以理解的可能就是“牛顿第三定律”了，也就是力的作用与反作用。我们都听说过这条定律，在日常生活中也经常用到，但很少有人能深入理解。也许你从接触开始就理解了，但我却是在知道这条定律的10年之后，才真正理解的。

在和很多人谈论这条定律时，我经常认为，他们其实并没有从根本上对这条定律表示认同。对于相对静止的物体来说，力的作用与反作用很容易理解，但对于运动的物体来说，就不是那么容易了。定律上说“作用等于反作用”。我们可以想象这样一个例子：马拉车，马走的时候，马向前拉车的力等于车向后拉马的力。这样的话，马车应该不动才对呀，但为什么马车还是向前运动了呢？两个相反方向的力相互作用，不是应该相互抵消吗？

对这条定律，大家经常会产生这种误解。那是不是说这条定律本身就是错误的呢？当然不是，这条定律本身并没有错，只是大家没有从根本上理解而已。两个力的方向虽然是相反的，但并不是作用在同一个物体上，所以不能相互抵消（一个力作用在车上，一个力作用在马上）。这两个力的大小是一样的，但并不是说，同样大小的两个力会产生同样的效果。比如，同样大的两个力作用在不同的物体上，产生的加速度一定相同吗？力对物体的作用和物体本身之间的反作用有没有关系？

明白了这些，就能很容易地理解马车的工作原理了。即便马车也用同样大小的力向后拉马，马仍然能拉着车向前走。虽然作用在车上的力等于作用在马上的力，但车是靠车轮的位移向前移动的。马是蹬在地面上的，所以车很自然地就向着马拉的方向前进了。还可以这么理解：如果马拉车的时候，车对马没有形成反作用力，那么就根本不需要马拉了，只要对车施加一个很小的力，车就能向前走。车要靠马来拉，才能克服作用在车上的反作用力。

在理解牛顿第三定律时，我们可以将“作用等于反作用”改成“作用力等于反作用力”，这样就很容易让人理解，也不会产生前面的错误认识了。人们通常认为，“力的作用”就是物体的位置移动。要是这么理解的话，当两个相等的力作用到不同的物体上时，产生的作用很可能是不同的。

有这样一个例子：

一艘船困在了北极。冰雪紧紧裹住船身，船舷被浮冰紧紧挤压，船舷也以同样大小的力作用在浮冰上。冰块可以很容易地经受得住船舷的压力，但是即便船身是用钢材铸造的，由于不是实心的，也根本无法承受冰块对船身的压力。所以它会被冰块挤破，酿成惨剧。

在落体运动中，这一定律同样适用。正是由于有地球的引力，苹果才会落到地面上。但同时，苹果对地球也有同样大小的引力。苹果和地球，作为两个物体来说，都可以理解为落体，但下落的速度不同。苹果和地球之间的引力是相等的，苹果得到的加速度是10米/秒2，由于地球的质量要大得多，得到的加速度就会小得多。相对于地球来说，苹果的质量是可以忽略不计的，地球向苹果移动的距离也可以忽略不计。所以，我们说“苹果落到了地上”，而不说“苹果和地球相向落下”，或者“地球落到了苹果上”。大力士斯维雅托哥尔的死亡之谜

在一首民间歌谣中，大力士斯维雅托哥尔梦想有一天能把地球举起来。在这里，我们先不去考证是不是真的有这首民歌。其实，阿基米德也曾经说过同样的话。他说，如果给他一个支点，他可以利用杠杆撬动地球。不同的是，大力士没有杠杆，只有力气。所以，在大力士看来，只要有一个东西可以让他抓住，能够使得上劲儿，就可以了。他说：“只要能找到一个地方，可以让我发力，我就可以把地球举起来。”巧合的是，还真的让他找到了这个地方，那是一条牢固的“小褡裢”。“它真的很牢固，一点儿也不松动，更不会被拔出来。”

于是，大力士从马上跳下来，抓住了这条褡裢，把它提到了膝盖的位置。不过他的脚也跟着深陷进了泥土里。他的脸色变得苍白，脸上没有眼泪，只有鲜血。他就那样陷在土里，再也没有起来。大力士就这样去世了。

如果大力士知道力的作用与反作用定律，他也许就不会做这样的傻事了。因为他的力气会全部反过来作用到自己的身上。这个反作用力肯定要把他拉到泥土里去的。

从刚才的故事中，我们知道，在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》发表以前，人们早就已经在日常生活中体会到力的作用与反作用定律了。没有支撑，真的能运动吗

人类在走路时，需要用双脚蹬着地面或者屋子的地板。当地面或者地板特别光滑的时候，比如，在冰面上，因为脚蹬不住，人们就没办法走路了。火车在开动的时候，就是依靠它的主动轮推着铁轨前进的。假如在铁轨上抹上油，让它变得十分光滑，主动轮就没法推动铁轨，火车也就没法前进了。当然，在一般情况下，我们不会在铁轨上抹那么多油，但是如果天气特别冷，铁轨结冰了，也会非常滑。这时，为了保证火车能够正常行进，就需要采取一些措施，比如，在铁轨上撒上沙子，让主动轮前进时有所附着。人类在发明铁路之初，认为车轮必须推动铁轨才能行进，所以当时的车轮和铁轨上都有凹凸不平的齿状设计。同样的，轮船是依靠螺旋桨的推进作用，把水推开，从而向前开动的。而飞机飞行是依靠螺旋桨来推开空气实现的。由此可知，物体无论在什么介质中运动，都需要依靠这种介质。如果没有了介质的支撑，物体能否运动呢？

没有外在介质的支撑，却想运动起来，就好像抓自己的头发把自己提起来一样。《吹牛大王历险记》的主人公闵希豪生男爵曾经尝试过这种方式，但是没有成功。不过我们可能没有注意，这样看似不可能的事情，其实经常发生。一个物体确实不可能完全依靠内部的力量动起来，但它们却可以让自己分成两部分，一部分向一个方向运动，另一部分向另一个方向运动。比如，我们经常在电视上看到火箭飞行。很多人可能都惊叹过火箭的神奇，却没有想过：“火箭为什么能飞行？”下面就以火箭为例，来说明一下上面提到的这种运动。火箭的飞行原理

很多研究物理的人，可能也不能正确地解释火箭的飞行原理。他们一般会认为：火箭之所以能高速飞行，是因为燃料燃烧产生了大量气体，推开了旁边的空气。人们在很早以前就已经发明了火箭。当时，人们基本也是这样认为的。但这种解释正确吗？不妨假设一下，把火箭放到一个真空的环境里，没有了空气的阻力，火箭能够飞得更快！那上面对火箭飞行原因的解释就站不住脚了，这说明火箭能够飞行另有原因。

曾在1881年参与刺杀亚历山大二世的一名刺客，在笔记里记录过这样一个实验：

做一个一端封闭一端开放的圆筒，用强效的火药将开口的一端塞紧。圆管的中间是空的，像一个中空的管道。当点燃火药时，火药从内表面开始燃烧，经过一段时间，燃烧扩散到外表面。随着气体的燃烧，产生了不同方向的压力。气体向两侧的压力可以相互抵制平衡。因为圆筒一端开放一端封闭，这个方向的压力自然无法平衡。于是，朝向封闭方向的压力实现了圆筒的飞行。

发射炮弹时也是同样的情形：炮弹向前飞，炮身却是向后坐的。手枪等武器在发射时，也会产生后坐力。假如大炮悬在空中没有任何支撑，那么炮身在发射炮弹之后，肯定是向后运动的，而炮身向后运行的速度与炮弹的前行速度之比，等于炮弹和炮身的重量之比。凡尔纳创作的科幻小说《北冰洋的幻想》中的主人公就曾幻想利用大炮超级强大的后坐力把地轴扶正。

火箭就像一枚大炮，只是它射出的不是炮弹，而是火药气体。中国有一种焰火就是根据这个物理原理制作的。在焰火中的轮子上面装上一根火药管，点燃火药，气体就会从一个方向冲出来，火药管就会带着轮子向着气体相反的方向冲出去。有一种叫西格纳尔轮的物理仪器，和焰火的运作原理是一样的。

人类在发明蒸汽机以前，曾经利用这一原理设计过一种机械船。在机械船的船尾装有一个强力压水泵，通过把船里的水压出去，从而将船推动起来。在一些中学物理实验课上，也进行过类似的实验，只不过将机械船换成了一个铁罐之类的东西。人类虽然有过这种机械船的设计，但并没有真正制造出这样的船。尽管如此，它仍然给 富尔顿提供了灵感，让富尔顿从中得到启发，最终促成了轮船的发明。图7 希罗的蒸汽机（涡轮机）工作示意图。

公元前2世纪，希罗也是利用这个原理，制造了最早的蒸汽机。如 图7 ：把球安装在一个水平轴上。蒸汽通过管道abc从汽锅D进入这个球体。随后，蒸汽从球体上的两个管子中冲出，推动管子向两个相反的方向运动，从而带动球体转动。

只可惜，希罗的蒸汽机只是被作为玩具看待，没有被很好地开发利用。因为希罗是一个奴隶。（在当时，奴隶的劳动是不会被人重视的，人们瞧不上希罗的发明，就更不可能将它用在机器上。但制作原理是正确的。我们现在制造的反动式涡轮机，就是以希罗的蒸汽机为原型。）

作用与反作用定律是由伟大的物理学家牛顿提出的。如图8所示，牛顿根据这个原理，设计了人类最早的一辆蒸汽汽车。在蒸汽汽车的车轮上装有一个汽锅，蒸汽从汽锅中向一个方向喷出，带动着车轮向着相反的方向运动，车子就开起来了。图8 牛顿发明的蒸汽汽车。

大家如果有兴趣，可以按照图9的方法做一艘蒸汽小船。这艘船和牛顿的蒸汽汽车的制作原理是相同的。这艘蒸汽小船是这样制作的：用空蛋壳当汽锅。在汽锅下面放一个顶针，在顶针里放一块蘸满酒精的棉花，点燃棉花，汽锅里就会产生蒸汽。蒸汽向同一个方向冲出，小船就有了“后坐力”，从而向相反的方向前进。这个小玩具可以做得很精致，相信心灵手巧的你一定可以完成。图9 用纸片和蛋壳做成的蒸汽小船。乌贼的神奇运动方式“抓住自己的头发，把自己提起来”其实是自然界很多动物的运动方式。你是不是觉得很惊讶？但这是事实，比如，乌贼就可以这样做。

乌贼的身体侧面有很多孔，前面还有一个形状奇特的漏斗。乌贼通过身体侧面的孔和前面的漏斗把水吸进腮腔内，然后又通过漏斗把水排出体外。这样，它的身体就得到了从后面推动的力量，从而快速向前移动。如图10所示，乌贼还有个能耐，就是在排水时可以将漏斗指向不同的方向，以此得到不同方向的反作用力。于是，它就可以向任意一个方向运动了。图10 游水的乌贼。

不只是乌贼，大多数足类软体动物都是采用这样的方式在水里运动的，比如，水母。水母通过收缩身体的肌肉，把水从自己的身体下面排出来。根据作用力与反作用力的定律，得到一个反向的推力，从而向前游动。同样，蜻蜓的幼虫和其他生活在水中的动物，都是采用类似的方法运动的。—— Chapter2 ——力、功与摩擦关于寓言故事《天鹅、梭子鱼和虾》的思考题

很多人都读过《天鹅、梭子鱼和虾》这则寓言。在故事里，天鹅向天上拉车，龙虾后退着拉车，梭子鱼向水里拉车。它们的力如图11所示：第一个力是天鹅向上的拉力（OA）；第二个力来自梭子鱼向旁边的拉力（OB）；而第三个力是龙虾向后的拉力（OC）。寓言中说：“三种动物一起拉货车的时候，货车还是停在原处。”换成物理学来解释这则寓关于寓言故事言故事，就是：这几种动物作用在货车上的合力为零。如果我们从力学的角度看三种动物的拉车问题，可能就会与寓言作者克雷洛夫的结论完全不同。实际上作者忽略了一个力，那就是货物本身的重量，这是第四个力。图11 根据力学原理，解决寓言故事《天鹅、梭子鱼和虾》中的力学问题。

结果真的会像寓言里说的那样，货物不会被拉动吗？我们一起来分析一下：竖直往天上飞的天鹅，力量是向上的，它实际上帮助了龙虾和梭子鱼。因为天鹅的拉力跟货物的重力方向是相反的，这样就减小了车轮与地面、车轴间的摩擦力。对龙虾和梭子鱼来说，天鹅的拉力可以让货车的重量减少，甚至可能完全抵消货车的重量。因为在寓言里已经说到，对几种动物来说，货车并不是很重。

为了方便读者理解，我们假设货车的重量被天鹅的拉力完全抵消，这样就只剩下龙虾和梭子鱼的两个拉力了。而这两个力的方向一个是“龙虾往后退”，一个是“梭子鱼向水里拉”。用常识来判断，这几种拉车的动物肯定不希望最后把货车拉到水里去。如图11所示，水在货车的侧面，而龙虾和梭子鱼两个力之间肯定是互相成角度的。如果这两个力之间所成的角不是180°，那么它们的合力就不会完全抵消为零。

根据力学原理，以OB和OC为边，画一个平行四边形，这个平行四边形的对角线OD就代表了合力的大小和方向。很明显，这个合力是可以拉动货车的，而且还有天鹅的帮助，货车的部分重量甚至全部重量都消失了，所以货车更容易被拉动。那么，还可以追问一句：货车往哪个方向移动了呢？是向前、向后，还是向旁边？这就要由几个力之间所成的角度和相互关系来决定了。

如果对力的合成和分解有一定的了解，读者就会发现：即使天鹅的拉力和货车的重量不能完全抵消，货车也不会停留在原地。因为只有当车轮、地面和车轴之间的摩擦力比几个动物的合力都大的时候，货车才不会被拉动。但因为寓言里已经交代了“对它们来说，货车是很轻的”，所以货车静止不动是不可能的。因此，无论怎样，作者克雷洛夫都不应当断言“货车一点儿都没有动”或“货车还停留在原地”。克雷洛夫的寓言又错了

克雷洛夫本想通过这则寓言表达一个道理：“伙伴们之间的意见如果不能达成一致，他们将会一事无成。”他的想法虽然很好，但从物理学上来看确实存在疏漏：几个力或许不是朝着同一个方向，但还是会产生一定的效果。

克雷洛夫还曾经把蚂蚁写成“模范工作者”。但你知道勤劳的蚂蚁是怎样工作的吗？它们就是按照这位寓言作家讽刺的方式进行协同工作的，而且它们的工作还总能顺利完成，这就是力的合成规律。

如果你仔细观察正在工作的蚂蚁，就会发现：实际上，蚂蚁之间并没有什么合作，它们都是自顾自地在埋头苦干。有位动物学家对蚂蚁的工作方式进行了详细描述。图12 蚂蚁是这样拉毛毛虫的。图13 蚂蚁是这样拉猎物的。

如果一群蚂蚁在一条没有阻碍的路上一起拉一个物品，这些蚂蚁都在向同一个方向用力，看起来就好像是在齐心协力地做事。但当它们在路上遇到了草根、石子这样的障碍物，需要拉着物品绕弯的时候，你就会发现：其实，每只蚂蚁都是自顾自地做事的，前后左右向哪儿拉的都有，并没有齐心协力地一起拉着物品通过障碍物（图12和图13）。它们倒是不停地变换着所拉物品的位置，但每只蚂蚁都自己决定是推还是拉，方向更是东南西北都有，毫无规律。有时，还会出现这样的情况：4只蚂蚁推着物品向东走，6只蚂蚁却向西拉，由于4只蚂蚁终究抵不过6只蚂蚁的力量，所以这个物品就朝着6只蚂蚁的方向移动了。

我们还可以找到另外一个例子来说明蚂蚁之间其实没什么合作。如 图14 ，25只蚂蚁正拉着一块正方形的干奶酪，奶酪逐渐沿着箭头A的方向移动。按照我们对蚂蚁是“齐心协力”工作典型的理解，会认为：前面一排的蚂蚁是在拉奶酪，而后面一排是在推，两边的蚂蚁也是在帮助前后奋力工作的蚂蚁。实际并非如此，如果我们用小刀把后面那排蚂蚁给隔开，你会发现奶酪会移动得更快，因为后面的蚂蚁根本不是在向前推，而是在帮倒忙，往后拉，所以后排的蚂蚁反而阻碍了前排的蚂蚁，抵消了它们的力量。要想搬走这块奶酪，其实只要4只蚂蚁就够了，就是因为它们各顾各的，没有齐心合力，以至于动用了25只蚂蚁的“庞大军团”才把奶酪搬走。

马克·吐温在很早的时候就注意到了蚂蚁的工作特征。他曾经讲过一个关于两只蚂蚁的故事：

有两只蚂蚁运气很好，找到了一条蚱蜢腿。两只蚂蚁各自咬住蚱蜢腿的一端，都用尽全力地拉着。它们似乎也觉察到了有哪里不对。原本两只蚂蚁是应该一起拉蚱蜢腿的，结果却变成了相互争夺，最终它们争吵并打起架来。……过了一会儿，它们终于明白了过来，和解了。于是，它们重新开始一起去拉蚱蜢腿。但这时候因为打架，有一只蚂蚁受伤了，它成了一个累赘。但它可不愿意放弃这道“美味”，它就吊在蚱蜢腿上。这下可好了，那只健壮的蚂蚁不得不花费更大的力气才把食物拉回洞穴。图14 一群蚂蚁是这样搬运一块干奶酪的。蛋壳是自然界中的“坚固盔甲”

在 果戈里的小说《死魂灵》中，有一个人叫基法·莫基耶维奇，他总是不停地思考各种哲学问题，其中一个问题是这样的：“哼……如果大象也是用蛋孵出来的话，那它的蛋壳得多厚啊，估计得厚到连炮弹都打不碎吧！嗯……看来是时候发明一种更先进的武器了。”

如果小说中的这位哲学家知道即使是普通的蛋壳，虽然看起来很脆弱，但实际上远比我们想象的结实，一定会很惊讶。如 图15 所示，如果你用两只手把鸡蛋握住，并用掌心用力挤压鸡蛋的两端，你会发现原来想把鸡蛋压碎并不是那么容易，需要很大的力气。图15 采用这种方式很难压破鸡蛋。

蛋壳之所以这么坚固，就是因为它特殊的形状—凸出的。我们常见的各种穹窿和拱门同样非常坚固，也是基于同样的道理建造的。图16 石拱门坚固的原理。

图16 画的是一个放置在窗顶上的石拱门。重物S（窗顶上墙的重量）有一个向下的压力，这个压力用箭头A表示，作用在拱门中心，也就是石头M上。由于石头M是楔形的，卡在旁边的两块石头中间，所以它不会掉下来。根据平行四边形规则，力A可以分解成图中的B和C两个力。这两个力又被来自相邻的两块石头的阻力给抵消了。在这种情况下，因为石头M的形状虽然能够阻止它自身往下掉，但并不能妨碍它往上升。所以，如果从外向内去压迫拱门，这个力是不会把拱门压坏的。但是，如果从内往外施加压力，拱门就无法支撑了，会很容易被破坏。

一个完整的蛋壳也是类似于这样的拱门，只不过是一个整块的拱门，所以看起来很脆弱，但即使受到压力也不会如想象中那么易碎。你可以找一张比较沉的桌子，然后把桌子的4条腿放在4个生鸡蛋上，你会发现蛋壳不会破。（当然，在光溜溜的鸡蛋上可不好放桌子，你可以将桌子粘在蛋壳上。这样可以加宽鸡蛋两端的受压面积，让鸡蛋容易立住。）

现在大家就知道了，为什么母鸡在孵小鸡时不担心自己的重量会把鸡蛋压破，而弱小的鸡雏却只需在蛋壳里面啄几下，就可以把蛋壳弄破，挣脱这个坚固的“牢笼”。

用一把勺子敲击鸡蛋，很容易就可以把它敲碎了。我们可以想象一下，在天然的条件下，蛋壳可以承受的压力有多大。为了保护发育中的小生命，大自然为它们制造了多么坚固的“盔甲”呀！

同样的道理，电灯泡虽然看起来非常的单薄、脆弱，但是实际上也很坚固。而且，因为灯泡几乎是中空的，没有物质来抵抗来自外面空气的压力，所以会更加牢固。要知道，灯泡受到的来自空气的压力可不小：一个直径为10厘米的灯泡，它两面所受的压力差不多在75千克以上，相当于一个成年男性的重量。有实验证明，如果是真空灯泡的话，它能承受的压力更大，可以达到这个压力的2.5倍。“逆风行船”

有丰富驾船经验的水手说：完全正面迎着风驾船几乎是不可能的，很难想象帆船逆风而行。只有与风形成一定角度的时候，帆船才能前进。而且，这个角度不能太小，不能小于直角的，也就是22°左右，这时，帆船的行进情况和逆风行驶的时候是差不多的。对水手来说，无论是迎着风的轨道行驶还是在小于22°夹角的轨道行驶，都是同样难以实现的。

但这两种情况也并非完全相同。我们来解释一下当帆船和风有一定角度时，帆船是如何前进的。首先，我们来看看风是如何推动船帆前进的。很多人也许都会认为：风往哪里吹，船就往哪里前进。事实并非如此。因为无论风朝哪里吹，它总会产生一个力始终垂直于帆面。这个力推动着帆船前进。以 图17 为例，箭头代表风向，AB代表船帆。因为整个船帆上的风力都是平均的，我们用一个箭头R来表示风对船帆的压力，压力R作用于船帆的中心。根据平行四边形原理，我们可以将压力R分解为两个力：一个是跟帆面垂直的力Q，另一个是与帆面平行的力P（图17右图），因为风与帆面之间的摩擦力很小，所以力P并不会推动船帆。那么就只剩下力Q了。力Q会顺着帆面垂直的方向，推动船帆前进。图17 帆船总是顺着风垂直于帆面的方向前进。图18 逆风行驶的帆船的受力分析图示。

明白了这一点，我们就知道为什么和风向成一个锐角的情况下，还能够逆风而行了。假设 图18 中的KK代表帆船的龙骨线，风吹向船帆，箭头所指的方向代表风向，它与帆船的龙骨KK成锐角。AB表示帆面，我们将AB的位置设定为恰好平分龙骨和风向之间的夹角。通过分解图18中的力可得：风对船帆的压力Q垂直于帆面。可以将力Q分解为两个力：力R垂直于龙骨线KK，力S则作用在 龙骨线的方向上。由于帆船的龙骨没在水里很深的地方，所以帆船在朝B方向前进的时候，来自水的阻力会很大，水的阻力会抵消力R。于是，就只剩下了力S，由它推动着帆船向前行进。（之所以将AB设定为平分龙骨与风向之间的夹角，是因为只有在这种情况下，力S最大。）由此可见，帆船跟风向之间是存在一个角度的，就好像在逆风行驶。通常情况下，帆船的运动路线是“之”字形的，如 图19 所示。而且水手们把帆船的这种行驶方式称为“抢风行船”。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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