全世界孩子最喜爱的大师趣味物理学丛书(套装共3册)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（俄）雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼,项丽

出版社：中国妇女出版社

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全世界孩子最喜爱的大师趣味物理学丛书(套装共3册)试读：

总目录

封面

版权信息

趣味物理学

趣味物理学（续篇）

趣味物理实验

目录

编者的话

Chapter 1 速度和运动

Chapter 2 重力·重量·杠杆·压力

Chapter 3 介质的阻力

Chapter 4 转动和永动机

Chapter 5 液体和气体的特征

Chapter 6 热现象

Chapter 7 光线

Chapter 8 光的反射和光的折射

Chapter 9 一只眼睛和两只眼睛的视觉差异

Chapter 10 声音和听觉

感 谢

趣味物理学（续篇）

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。Chapter 1速度和运动我们的运动速度有多快

一个专业的长跑运动员跑完1500米，需要3分35秒左右（也就是每秒约7米）。而一个普通人行走的速度为每秒钟1.5米，经过比较可以直观地发现，二者速度差别之大，一个优秀运动员跑一秒可以比一个普通人走一秒多出5米多。不过，长跑运动员的速度和普通人步行的速度当然不能用同一个标准来衡量，两者各有优势。步行的人走得慢，但他可以连续走几个小时。运动员的速度虽然很快，但只能持续很短的时间就得停下来休息。同样的道理，比如军人在急行军的时候，每秒钟大概走2米，速度比赛跑的人要慢很多，只有其1/3左右，但他们的优势在于坚持时间长，能够不停歇地一直走十几个小时，甚至一整天，这都是长跑运动员没法比的。

如果拿我们人类与蜗牛、乌龟这样的动物相比，那人类的速度就显得格外快了。大家都知道，蜗牛和乌龟的速度那可是相当的慢。比如，蜗牛，你要仔细盯着看，才能看到它在挪动，它一秒钟只能爬动1.5毫米，也就是一小时只能移动5.4米，而一个大人走一个小时差不多是5400米，简单比较可以发现，蜗牛的行进速度是人的速度的千分之一！乌龟也很慢，但爬行速度比蜗牛还是要快多啦，乌龟每小时能爬动70米左右，是蜗牛的10多倍。

拿人跟慢吞吞的蜗牛、乌龟相比，人绝对是闪电般的速度了，但如果跟另外一些动物相比，人可就显得没那么快了。比如，令人讨厌的苍蝇。苍蝇每秒钟能飞行5米，而一个普通人行走速度每秒只有1.5米，人要是和苍蝇比赛的话，人恐怕要穿着溜冰鞋才能追上。如果人和野兔或者猎狗这样的动物比赛，人类就是骑着快马都撵不上了。至于老鹰这种速度极快的动物，人要想追上它，估计就得坐飞机了。

尽管人的速度比不上很多动物，但是人类却是最聪明的。人类发明了各种速度很快的工具，比如，汽车、飞机，还有火箭等，这样人类就成为世界上速度最快的动物了。

我们曾设计过一种带潜水翼的客轮，时速可以达到60千米～70千米。陆地上运动的很多交通工具，甚至可以移动得更快。客运火车的速度可以达到时速100千米以上。图1所示的新型轿车吉尔-111，速度达到了170千米/小时，“海鸥”汽车的速度达160千米/小时。图1 新型轿车吉尔-111。

飞机可以达到更快的速度，远比前面提到的几种交通工具要快得多。图2所示的图-104飞机，曾经服务于多条民用航线，时速可以达到800千米。以前，对于生产超音速（声音的速度是330米/秒，也就是1200千米/小时）飞机而言，还是一个难以逾越的困难，但现在，已经可以生产出时速达到2000千米的小型喷气式飞机。图2 图-104飞机。

就目前来说，人类可以制造出速度更快的工具。在我们生活的大气层边缘，运行着一种更快的设备，那就是人造地球卫星，它每秒运行的速度就高达8千米。宇宙飞船，在飞离地面时的初始速度超过了令人惊叹的11.2千米/秒，达到了第二宇宙速度。与时间赛跑

有一个特别有意义的问题。我们想象一下，如果在上午8点钟，从符拉迪沃斯托克（海参崴）出发，那么在当天的同一时间，上午8点钟，能否到达莫斯科？答案是肯定的。在这里，需要首先弄清楚这样一个问题，符拉迪沃斯托克与莫斯科之间的时差是9个小时，也就是说，如果飞机在莫斯科与符拉迪沃斯托克之间的飞行时间也是9个小时，那么，到达莫斯科的时间，就正好是飞机在符拉迪沃斯托克的起飞时间。

符拉迪沃斯托克到莫斯科的距离大约有9000千米，也就是说，如果飞行时间是9个小时的话，飞机的飞行速度必须达到时速1000千米，在现代化的技术条件下，完全可以达到这个速度。

要实现飞机沿着纬线飞行，并“超过太阳”（另一种意义上说，“超过地球”），要求达到的速度并不是很高。在南北77度纬线上，飞机飞行的时速只要达到450千米就可以实现。这样，飞机就可以跟随地球自转的方向与地球保持相对静止的状态，乘客从飞机上向外看，太阳就是静止不动的，永远不会落下，当然，这需要飞机朝着地球自转的方向飞行。

我们都知道，月球是地球唯一的卫星，每天都在围绕地球旋转。那么，我们能不能“超过”月球呢？答案是肯定的。月球围绕地球自转的速度是地球自转速度的（这里的速度是指角速度，而非线速度），所以说，如果一艘轮船以时速25千米～30千米，沿着月亮围绕地球旋转的纬线方向航行，就可以在中纬度地区“追上”月球。

著名作家马克·吐温在随笔中也曾谈到过这一现象。从纽约到亚速尔群岛的飞行途中，要穿越整个大西洋，一路上总是晴空万里，晚上甚至比白天的天气还要好得多。

日常生活中，我们常常发现这样一种现象，就是在每天晚上的同一时间，月亮总是出现在天上的同一位置，这是为什么呢？如果不知道这一现象其中的原委，是很难理解的。但是现在我们知道了：我们在经度上以每小时跨越20分的速度向东行驶，这一速度正好是地球和月球同步的速度。千分之一秒

对于我们人类来说，能够感知的最小计时单位可能就是“秒”了，但是，还有比“秒”更小的计时单位，比如说“千分之一秒”。我们经常认为它跟零差不多，但是在实际生活中，这么微小的计时单位，应用却很广泛。在没有办法获得精确时间的年代，我们只能利用太阳的高度或阴影的长短判断大概的时间，想要精确到分钟根本不可能（图3），更不要说精确到“秒”了。那时，人类根本想象不到一分钟是个什么概念，也不需要知道一分钟能做什么，人类的生活不需要精确到分钟，生活很悠闲，他们的计时工具只有日晷、滴漏、沙漏等，这些计时工具根本没有“分钟”的刻度（图4）。18世纪初，计时工具上出现了指示“分钟”的指针，大约100年之后，也就是19世纪初，才出现了秒针。图3 在18世纪之前，人们都是根据太阳的高度（左）或者影子的长度（右）来判断时间的。图4 a图是古代人用的滴漏计时器，b图是怀表。这两种计时工具都没有分钟的刻度显示。

那么，说了这么多，在千分之一秒这么短的时间里，我们到底能够做些什么呢？实际上，可以做的事情有很多。对于火车来说，这点儿时间算不上什么，也就只能走3厘米，但是对于声音来说，却可以走33厘米，超音速飞机则可以走大约50厘米。对于地球来说，它可以围绕太阳走30米。而对于光，在千分之一秒的时间里，它可以走300千米。

在自然界，我们周围生活着很多微小生物，如果它们也会思想，肯定不会跟我们一样，抱着“无所谓”的态度。对于千分之一秒的时间，它们完全可以觉察得到。比如，在一秒钟的时间里，蚊子的翅膀上下振动的次数达到500次～600次，也就是说，在千分之一秒的时间里，它可以把翅膀抬起或者放下超过一次。

作为人类来说，任何器官的运动速度，根本不可能像昆虫那样快。在人类器官的运动中眨眼是速度最快的运动，就是我们常说的“转瞬”或者“一瞬”，这个速度确实很快，快到我们根本察觉不到自己眨眼了。对很多人来说，可能根本就没有思考过这个速度到底有多快。但是，如果用千分之一秒作为计时单位来量算，这个“转瞬”却进行得非常慢。曾经有人做过测量，“一瞬”大约是0.4秒，也就是千分之一秒的400倍。在这一时间里，共完成了这样几个动作：上眼皮垂下（大约75个～90个千分之一秒），上眼皮垂下然后静止不动（大约130个～170个千分之一秒），上眼皮抬起（大约170个千分之一秒）。从这里可以看出，“一瞬”的时间其实是一个很长的时间了，在这一时间里，眼皮甚至还可以得到短暂的休息。从另一个意义上说，如果我们能够感知到千分之一秒的时间，就可以看到在“一瞬”的时间里，我们的眼皮完成了上下两次移动，也能看到在眼皮的两次移动之间发生的景象了。

神经系统的特殊构造决定了我们无法感知到千分之一秒的时间里发生的事情，如果可以，我们周围的一切将变得不可想象。作家 乔治·威尔斯曾经写过一篇小说《时间机器》。在书里，作者对这一景象进行了生动的描写刻画。小说的主人公无意间喝下了一种被称作“最新加速剂”的药酒。这种神奇的药酒可以使人的神经系统发生改变，看到速度极快的东西。

关于这一神奇的景象，我们可以从下面摘录的小说里感知一二：“在这之前，你是否看见过窗帘像这样牢牢地贴在窗子上？”

我向窗帘望去，仿佛看到窗帘冻僵了一样，它的一角被风卷起来后，就那样始终保留着卷起来的样子。“我从没有看到过这样的景象，”我说，“真奇怪！”“还有更奇怪的呢？”他一面说着，一面松开手中的玻璃杯。

我想，杯子肯定会摔碎的，但是奇怪的是，杯子就那样一动不动地停在半空中。“你肯定知道，”希伯恩说，“物体在自由下落的时候，第一个1秒里，它的下落高度是5米，这只杯子下落的距离也是5米。但是，你知道么，现在只过去了不到 百分之一秒，从这件事情上，你可以更进一步地感受到‘加速剂’的神奇功效。”

玻璃杯在慢慢地下落，希伯恩的手就那样在杯子的四周和上下方自由旋转着……

我向窗外望去，一个人骑着自行车，在追赶一辆汽车，自行车僵在那儿，汽车也一动不动，车后弥漫着同样僵化的卷起的尘土……突然，我的目光被一辆僵在那儿的马车吸引了过去，马车的车轮、马蹄、鞭子，甚至正在打呵欠的车夫的下颚，运行的轨迹都尽收眼底，动作很慢、很清晰；坐在车上的人就像石膏像一般，完全僵在那儿…… 一个乘客在迎着风折起报纸，就那样僵在那儿，但是，我知道，根本就没有风。

……刚才我谈到、想到和做到的这一切，都是“加速剂”在我体内发挥作用的结果。

对于浩瀚的宇宙来说，这些都是一瞬间发生的事。

读者一定很想知道，现在我们有那么多高度精密的科学仪器，它们能够测量的最短时间是多少呢？20世纪初的时候，人类就可以利用仪器测量万分之一秒的时间。现在，人类甚至可以测量千亿分之一秒的时间，这一数值是在实验室里得到的。这一数值是个什么概念呢？这一数值约等于1秒钟和3000年的比值！时间放大镜

在乔治·威尔斯写小说《时间机器》的时候，他可能没有想到，这种事情会在实际生活里真正出现。但不得不说，他很幸运——这一天到来的时候，他仍然健在，虽然只是通过电影银幕，他却用自己的眼睛亲眼看到了他在小说里想象的景象，我们把这称为“时间放大镜”。意思就是说，通过银幕，我们可以把平常运行速度很快的动作放慢速度，进而展现出细节。

其实，这里的“时间放大镜”就是一部摄像机，当然，它和普通的摄像机也有不同之处，普通摄像机每秒只能拍摄24张相片，而这种特殊的摄像机，每秒可以拍出多得多的相片。如果把这部特殊摄像机拍摄的相片用24张每秒的速度播放出来，那么我们看到的动作拖长了，就是速度被放慢了很多倍的景象。这一现象，读者可能在电影中也经常看到，比如说，运动员在跳高的时候，我们就可以通过放慢动作看到跳高的细节。现在，通过更先进更复杂的科学仪器，我们已经可以将动作放得更慢，基本上和威尔斯小说里描写的情形所差无几了。我们何时绕太阳运动得更快些

在巴黎，有一份报纸曾经刊登过这样一则广告：

每个人，只要付25生丁钱（法国的一种旧式货币单位，100生丁等于1法郎），就可以实现一次既经济实惠又毫无痛苦可言的旅行。

广告一经刊登，真的有人按照地址寄出了25生丁钱。没多久，寄出钱的人都收到了这样一封信：

先生，请记住并按照我说的做：安静地躺到床上，您知道，我们生活的地球，每天都在旋转运行着。在巴黎所在的纬度——49度——上，您每天运行的距离是2.5万千米。当然了，如果您想看一下沿路的美好景象，就请打开您家的窗帘，尽情欣赏这美丽的星空吧！

登广告的先生最终被人以欺诈罪起诉到法院，法院对他进行了判决，并处以罚金。据说，处罚结果出来后，这位先生戏剧般地站起来，引用了伽利略的话为自己辩解：“可是，不管怎么说，它真真切切地走了那么远啊！”

从某种意义上来说，这位被告是正确的。人类只要生活在地球上，就在不停地绕着地轴“旅行”。还不止如此，与此同时，地球还在以更快的速度绕着太阳旋转。每天，地球都带着生活在它上面的所有生物，绕着地轴旋转着，同时，每秒在天体空间运行的距离是30千米。

这时，我们又遇到了一个更有趣的问题：我们天天生活在地球上，但是，你知道什么时候我们绕太阳旋转得更快吗，是白天还是晚上？

这个问题，其实并不是很容易让人理解。我们知道，如果地球的一面是白天，它的另一面就一定是晚上，那么，提出这个问题有什么意义吗？从表面上看，似乎真的没什么意义。

但是，这一问题的本意并非如此。这一问题的本质不是问整个地球什么时候旋转得比较快，而是问在浩瀚的宇宙间，生活在地球上的我们，到底什么时候运动的速度更快。这个问题就不是简单得毫无意义了。在太阳系，我们每天都在进行两项运动：在绕太阳公转的同时，我们还在绕地轴自转。这两项运动叠加到一起，得出的结果并非始终相同，这要看我们在地球白天的那一面，还是晚上的那一面来决定，如图5所示。从图上可以看出，在午夜的时候，地球自转的方向和公转前进的方向相同，自转速度和公转速度要相加。但是，在正午的时候恰恰相反，地球自转的方向和公转前进的方向相反，实际速度是公转速度减去地球自转的速度。也就是说，在太阳系里，我们午夜的运动速度要快于正午的运动速度。图5 地球绕太阳旋转时，夜晚半球比白天半球的速度更快一些。

在赤道上，每一点的运动速度是0.5千米/秒，也就是说，在赤道地带的物体，正午和午夜的运动速度相差达到1千米/秒。再举个例子，对于在纬度60度上的圣彼得堡来说，这儿的居民，午夜运动的速度要比正午快0.5千米/秒，速度只有赤道地带的一半。这一点，只要学过几何学的人，就可以换算出来。车轮之谜

我们可能都玩过这样一个游戏，把一张带颜色的纸片贴在自行车或汽车的车胎上，那么，在自行车或汽车前进的时候，就可以发现一个惊奇的现象：当纸片转到车轮最底端，也就是车轮跟地面接触的那一端时，我们可以很清楚地看到纸片的移动，但是当它转到车轮最顶端，也就是车轮上端的时候，却一下就闪过去了，根本来不及看清楚纸片的移动。

这么说来，车轮的上端似乎比下端转动得要快一些。这种现象是普遍的，你可以随便找一辆行驶着的车子，从上下轮辐上看，你看到的永远是轮子的上轮辐几乎连成一片，而下轮辐就不一样，可以清楚地看清楚车轮的每一条辐条。这一现象，容易让人形成这样一个感觉：车轮的上端似乎比下端旋转得更快，是真的吗？

说到这里，该如何解释这一奇怪的现象呢？其实，很简单，也很容易解释：车轮的上端确实要比车轮的下端移动得更快些。这么说，你可能一时无法理解，但是，如果换一个角度想这个问题，就很容易理解了。

前面已经说过，在旋转着的物体上，每一个点的运动都是由两部分叠加而成的，车轮也是一样：一个是绕车轴旋转的运动，一个是与车轴一起向前的运动。所以，就跟地球上的情形一样，两个运动叠加到一起，得到的结论就是，车轮的上端和下端运动的速度是不同的。对于车轮的上端来说，由于车轮自身的旋转方向跟车轴前进的方向是相同的，也就是说，两个方向的速度要相加。但是对于车轮的下端来说，两个方向是相反的，两个方向的速度叠加的时候是相减的，因此速度也就慢了下来。在旁边处于静止状态的我们看来，车轮上端移动的速度比下端快，就很容易理解了。

如图6所示，我们可以通过一个简单的实验来证明这一现象：图6 如何证明车轮上端比下端运动得更快？

在一辆车子的车轮旁边的空地上，插上一根木棍，要求这根木棍恰好竖直地穿过车轮的轴心，然后，用粉笔或炭块在轮缘的最上端和最下端分别划出一个标记，我们把它们记为A和B，这两个标记应该恰好是木棍通过轮缘的位置。这时，把车轮缓缓滚动，使轮轴离开木棍20厘米～30厘米，刚才划出的两个标记，都移动了一定的距离。但是，不同的是，上面的标记A移动的距离比较长，而下面的标记B却只离开木棍一点儿距离，也就是说，上面的标记A显然比下面的标记B移动的距离要大得多。车轮上转得最慢的部位

通过刚才的实验，我们可以得出这样一个结论，车子在向前行驶的过程中，车轮上各点的运动速度并不一样。那么，我们可能会想这样一个问题：车轮在旋转的时候，究竟哪个部分旋转得最慢？

其实，不难想象，运动最慢的部分就是车轮前进时，它与地面接触的那一点。从严格意义上说，这个点在与地面接触的那一瞬间，它并没有向前移动，这很容易理解。

前面说了那么多，我们得出的结论，都是对于向前移动的车轮来说的，而对于在固定轮轴上旋转的轮子来说，这一结论就不适用了。比如说，飞轮在运行过程中，轮缘上每一点的运动速度都是相同的。这个问题不是玩笑

下面，我们来看另一个有趣的问题：一列火车从A地出发，驶向B地，那么，在这列火车上，是否存在这样一些点，在与铁轨的相对关系上，跟火车运行的方向是相反的，也就是从B地向A地？

你可能会认为，怎么会有这样的问题？但是，实际上，在这列火车的每个车轮上，确实存在着这样的一些点，在某个瞬间与火车行驶的方向相反。

说到这里，你可能会问，这些点究竟在哪里呢？

我们都知道，在火车轮缘上有一个凸出来的边。那么，我可以告诉你，在火车向前行驶的时候，这个轮缘上凸出来的边在运行过程中，最低端的那一点是向后移动，而不是向前移动的。

是不是觉得很奇怪？下面，我们通过一个实验来验证这一结论（参见图7 ）：图7 当硬币向左滚动的时候，露在硬币外面的火柴部分的F、E、D各点却在向后移动。

● 先找一个圆形的物体，比如一枚硬币，或者一个纽扣，都可以。

● 在这个物体的直径上，粘上一根长火柴，需要注意的是，火柴的长度要比这个圆形物体的直径长得多。

● 把这个圆形物体放在尺子边缘上的点C上，让这个圆形物体沿着尺子由右向左滚动。

这时，我们可以清楚地看到，火柴上的点F、E、D不但没有向着物体移动的方向向前移动，相反，这些点都在向后退！

而且，从点D的运动轨迹，我们还可以看出，在圆形物体向前滚动的时候，距离圆形物体边缘越远的火柴上的点，向后退的现象越明显。

在火车向前行驶的时候，火车车轮凸出来边缘的最下端，与刚才的实验中火柴末端是一样的，都是向后移动的。

说到这儿，如果我再说，在向前行驶的火车上有一些点，在某一瞬间，并不是向前移动，而是向后退，你一定不会感到不可思议了吧。虽然这些向后移动的点只历时不到一秒钟，但是，我们不得不承认，在向前行驶的火车上，确实存在着这样一些点，它们是向后退的。如图8和图9所示，从图中，我们可以很清楚地理解这一点。图8 当火车车轮向前移动时，车轮下部向后移动。图9 a图显示了行驶中的车轮的运动轨迹，b图显示了火车车轮凸出来的点所画出的轨迹。小船是从哪里驶来的

这里，我们做一个假设，如图10所示，有一只舢板在湖上划行，箭头a表示舢板的行驶方向和速度。在舢板的前面有一只帆船，也在行驶，箭头b表示帆船行驶的方向和速度。从图中可以看出，帆船的行驶方向与舢板行驶的方向是垂直的。如果我问你，这只帆船是从哪个方向驶来的，你肯定能够马上指出岸边上的某一个点，但是如果你是坐在舢板上，我再问你同样的问题，那么你可能指出的就是另外一点。这是为什么呢？

这是因为，如果你是坐在舢板上，那么，在你看来，帆船行驶的方向与你前进的方向并不是垂直的。因为，相对于舢板而言，你并没有感觉到自己也在向前运动，在你看来，你可能感到自己是静止不动的，相对你而言，周围的一切只是以一定的速度在向反方向移动。因此，对于你来说，帆船并不仅仅是沿着箭头b移动，而且还沿着跟舢板行驶方向相反的虚线箭头a的方向移动，如图11所示，也就是说，帆船行驶的方向是两个运动的组合，一个是实际运动，一个是视运动。根据平行四边形法则，这两个运动合起来的运动，使得在舢板上的你感觉帆船在沿着用a和b做邻边的平行四边形的对角线移动，正是由于这个原因，坐在舢板上的你就会认为帆船的出发点不是岸边的点M，而是点N，如果按照舢板前进的方向来看，这个点在点M的前面。图10 帆船沿着舢板的垂直方向行驶。a、b两箭头分别表示两船的行驶方向和速度。在舢板上的人看来，帆船是从哪儿出发的？图11 在舢板上的人觉得帆船并没有沿着M点的方向垂直行驶，而是从N点出发倾斜行驶的。

如果我们沿着地球公转的轨道运动，那么，在遇到星体的光线时，对于各个星体位置的判断，就容易跟舢板上的乘客一样，犯同样的错误。因此，对于我们来说，总是感觉到各星体的位置沿着地球运动的方向向前移了一些。当然了，与光速相比，地球移动的速度太渺小了（约等于光速的万分之一），所以我们可以说，星体的视位移很微小，但是通过天文仪器，我们仍然可以看到这个位移。我们把这一现象称为光行差。

前面这些问题，一定引起了你浓厚的兴趣，现在，帆船的问题解决了，那么下面这两个问题，你能找到答案吗？

●作为帆船上的乘客，你觉得舢板在向什么方向行驶？

●作为帆船上的乘客，你认为这只舢板要划到哪儿去？

如图11所示，要找到这两个问题的答案，需要在a线上为速度画出平行四边形，这时，对于坐在帆船上的乘客来说，就会认为平行四边形的对角线就是舢板行驶的方向，舢板在他们前方，斜向前行驶，好像舢板马上就要靠岸。Chapter 2重力·重量·杠杆·压力请站起来

如果我们之间有这样一段对话—— “这儿有一把椅子，先请你坐下，但我敢肯定 ，即使我不用绳子把你绑到椅子上，你也肯定站不起来”，你一定觉得我疯了。

如图12所示，图中有一把椅子，如果你按照图示的样子坐下，上身挺直，两只脚也按照图示的样子放好。那么，现在让你站起来，前提是上身不得前倾，两只脚的位置也不准移动，你真的能站起来吗？

哈哈，不行吧！不管你用多大的气力，只要你上身不前倾，两只脚的位置也不移动，你根本不可能站起来。图12 如果以这个姿势坐在椅子上，你一定无法站起来。

这是怎么回事呢？这里，我们需要弄清楚一个问题，就是关于物体以及人体如何保持平衡的问题。一个物体要想保持平衡，不倒下，必须满足一个条件：从这个物体的重心向下引垂线，垂线必须不能越出物体的底面。只有满足这个条件时，物体才能保持平衡，不倒下。如 图13 所示，毫无疑问，图中的斜圆柱体肯定无法保持平衡，会倒下。但是如果圆柱体的底面足够宽，从它的重心引垂线，垂线能够通过底面中间，那么这个圆柱体就能够保持平衡，不倒下。图13 这个圆柱体一定会倒下，因为它的重心引出的垂线超过了它的底面。

除了著名的比萨斜塔，在俄罗斯的阿尔汉格尔斯克也有一座同样原理的“危楼”。如图14所示，虽然它倾斜得已经相当严重了，但为什么都没有倒下呢？当然了，建筑的基石仍然深埋在地面以下，我们说这只是一个次要原因，最根本的原因就是，如果从它们的重心向下引垂线，都没有越出它们的底面。图14 俄罗斯阿尔汉格尔斯克也有一座“危楼”。

如图15所示，一个站立的人要想不跌倒，必须满足下面的条件：从他的重心向下引垂线，引出的垂线要始终保证在两只脚的外缘所形成的狭小范围内。所以，想用一只脚站稳还是比较难的，如果是想在钢索上站稳就更难了。这是因为，底面所形成的范围太小，从重心向下引垂线的时候，引出的垂线很难做到始终在底面范围内。说到这儿，你可能会想到老水手们奇怪的走路样子。由于他们一辈子基本都生活在摇摆的船上，而在船上行走的时候，要想保持身体平衡不跌倒，必须始终保证从重心引出的垂线时刻在两只脚之间的底面范围内，所以他们尽可能放大两脚之间的范围，久而久之，就形成了习惯，在陆地上的时候，他们走路的姿势还是跟在船上时一样。图15 一个人站立的时候，他的重心引出的垂线始终保证要在两只脚的外缘所形成的狭小范围内。

其实，反过来说，通过保持这种平衡，也会给我们带来美的享受。

我们都知道，有的少数民族喜欢把重物顶在头顶走路，而且走路的姿态非常优美。有一副名画画的就是：一个女人头上顶着一把水壶，姿态非常优美。当把重物顶在头顶时，人们不得不始终让头部和上半身保持笔直，以保证从重心引出的垂线在底面范围内，否则一不小心就可能会跌倒。因为这时候人的重心更高，更不容易保持平衡。

现在，我们回到一开始的问题，就是让你坐下后再站起来的实验。

一般来说，一个人坐下后的重心位置在靠近脊椎骨的地方，大约比肚脐高20厘米左右。那么，当我们从重心向下引垂线的时候，这条垂线肯定会穿过座椅，落到两脚后方。刚才已经说过，要想站起来，必须保证这条垂线不能越出两脚之间的范围。

所以，要想站起来，我们经常的做法有两种，一种是身体前倾，一种是两脚后移。前一种的目的就是把重心前移；后一种则是为了使从身体重心引出的垂线能够落到两脚之间的范围内。

在日常生活中，我们正是这么做的。如果我们不这么做，想要从椅子上站起来，是根本不可能的，刚才的实验也证实了这一点。行走与奔跑

每天，我们都在做很多动作，这一点毋庸置疑。有人说，我对自己所做的动作再了解不过了。那么，真的是这样的吗？举个例子来说，比如说走路和跑步，你真的很了解吗？现在，我来问你：对于走路和跑步，你知道多少？你知道我们在走路和跑步的时候，究竟是怎么移动身体的？走路和跑步二者之间的不同是什么？对于很多人来说，就不是那么容易回答了吧！我相信，很多人是第一次深入思考这个问题。那么，我们不妨先听一听生物学家是怎么解释这两项运动的。

现在，我们假设有一个人站在地上，而且是用右脚站立，那么，如果他抬起右脚，并身体前倾（人在走路的时候，每向前迈一步，相当于在支撑脚上增加了20千克的重量，也就是说，人在走路的时候，对地面的压力要比站立的时候大），从重心引出的垂线明显超出了他的脚所覆盖的范围，如果他不做什么，肯定要跌倒。在这个跌倒的现象还没有发生的时候，如果他的左脚紧跟着移到前面，并且超过刚才的垂线，落到前面的地上，那么这时候的垂线就落到了两脚之间的地面中间，这样的话，原来即将失去的平衡就会恢复，这个人就向前迈出了一步。

当然，这个人完全可以继续保持这种吃力的状态，但是，如果他想前进，就不得不继续让自己的身体前倾，从而使自己的重心越过脚所站立的底面，并保持前倾的姿势，这时，如果继续伸出另一只脚，也就是右脚，那么就代表他向前迈了一步，不停地重复这一动作，这个人就一步一步地前进。所以，我们可以说，走路其实就是一个接一个的身体前倾，并及时跟上另一只脚来保持身体的平衡（图16）。图16 行进时，人的连续动作。

人在走路时两脚的动作如图17所示。上面的线段A代表其中一只脚，下面的线段B代表另一只脚。直线代表脚与地面的接触时间，弧线代表脚离开地面的移动时间。从图中，我们可以看出，在时间a里，两脚同时站在地上；在时间b里，脚A在空中，脚B在地上；在时间c里，两脚又同时落地……前进的速度越快，时间a和c就越短。这一点，可以从图18与图19所示的跑步图中看出来。图17 人在走路时两脚的连续动作图解。A、B分别代表两只脚的运动轨迹。图18 跑步时，人的连续动作。图19 人在跑步时两脚的连续动作图解。b、d、f点是人双脚悬空的时刻。这是人在跑步与行走时双脚轨迹的不同之处。

我们不妨再把这一问题深入思考一下。在第一步迈出的时候，如果右脚没有离开地面，左脚落到了前面的地面上，那么如果前进的步幅还比较大，右脚的脚跟就不得不抬起来，因为如果不抬起来，就无法身体前倾，也就没办法破坏之前的身体平衡。前进的时候，左脚也是脚跟先着地。紧跟着，左脚的整个脚底落到地上，右脚离开地面，并变为弯曲状态，并向前移动。与此同时，由于大腿骨三头肌收缩，左腿在这一瞬间由原来的弯曲状态变为竖直状态。随着身体的前进，在迈出第二步的时候，右脚跟落下。这使得半弯曲的右脚可以离开地面向前移动，并且跟着身体的移动把右脚恰好在走第二步的时候放下。

然后，左脚也是脚跟先抬起来，然后整只脚离开地面，跟右脚一样，重复前面的动作。

跑步和步行有所不同，人本来是站在地面上的，借助肌肉的突然收缩，向前强力地弹出，整个身体抛向前进的方向，使身体在一瞬间全部离开地面。紧跟着身体落到前面的地上，用另一只脚来支撑整个身体，然后，在身体仍然停留在空中的一瞬间，这只脚迅速地迈到前方。所以，跑步其实就是一连串的飞跃，从一只脚到另一只脚。

过去，我们曾经以为，人在平路上走路时，消耗的能量为零，其实不然。人在走路的时候，每走一步，重心至少都要上移几厘米。通过计算，我们可以得出，人在平路上走路时所做的功，大约是把这个人提高到前进距离相等高度时所做功的1/15。应该怎样从行进的车厢中跳下来“如果你想从一列行进的火车上跳下来，从哪个方向跳才最安全？是向前跳，还是向后跳呢？”无论谁看到这个问题，根据经验判断，可能都会这样回答：“当然是车向哪儿开，就往哪个方向跳，惯性决定的嘛！”但真是这样的吗？我们不妨开动脑筋，仔细想想，如果真用惯性原理去解释的话，列车往前开，人的惯性是向前的，人要从车上跳下来，就应该向后跳，就是向这列车相反的方向跳，这样，落地的速度才会慢一些，才更安全才对啊！这样的话，上面那个想当然的答案就是错误的了。

但事实真的是这样的吗？当然不是。因为这时候决定我们应该向哪个方向来跳的不是惯性这个因素，惯性这时候只是个配角，要想更安全地跳车，还有另外一个决定因素，那就是人的行走动作和自我保护能力。

下面就假设你遇到紧急情况，必须从一辆正在行进中的车子上跳下来，那么向前跳或者向后跳，分别会出现什么样的情况呢？

根据惯性的原理，假如我们从行进的车子上跳出来，我们的整个身体离开车厢的时候，还是会保持和车子一样的速度向前运行。这时，如果我们向前跳，那么人的速度就是惯性的速度（也就是车子的速度）和跳跃的速度的总和，显然要大于车子的速度。

而如果我们向后跳，人的速度就是人跳下的速度减去惯性的速度（即车子的速度），人的速度就慢很多。从安全的角度来讲，人的速度越慢，落地的冲击力就会越小，那么就更不容易受伤。

按照上面的分析，似乎很容易就得出结论，为了更安全地落地，不要和地面发生太大冲撞，那就应该往后跳才对。但是事实上，无论是看到的还是听说的，几乎所有人在不得不选择跳车的时候，基本都是向前跳的。而无数次的实践证明，向前跳虽然速度更快，但却更安全，这才是最好的跳车方法，读者们要牢牢记住，遇到万不得已要跳车的时候，一定要往前跳，因为往后跳，虽然落地速度慢，但人的身体却非常别扭，更容易受伤，下面就来具体说一说，除了惯性之外的这个决定性因素。

其实，上文所分析的向前跳的人的落地速度快，向后跳人的落地速度慢，所以人向后跳冲击力更小，这种论述是不完整的，所以是不准确的。因为脚在落到地面上时就会停止运动，而人的上半身还在运动，所以无论是向前跳还是向后跳，人都有跌倒的危险。

既然都有跌倒的危险，那么哪种危险更小呢？答案还是向前跳。因为我们向前跳时，虽然身体的运动速度比向后跳时要快，但我们会习惯性地把一只脚伸向前方，（如果乘坐的车子速度较快，那么惯性的速度就会很快，人还可以借助惯性向前跑好几步以作缓冲），而脚向前伸，就可以很好地避免摔倒。因为我们从小到大都向前走路，已经习惯了这个动作（在前面我们已经知道了，从力学的角度来分析，人的行走其实就是“一连串人的身体前倾和及时迈步避免摔倒”这样的动作组成）。而人如果向车子相反的方向跳，身体的运行速度虽然慢了点儿，但还是有跌倒的危险的，而这时，因为人是向后倒，我们的脚就不能做出迈步的动作来缓冲自己的身体以防止摔倒，那这样摔倒的危险性反而更大。而且更重要的是，人即使是向前摔倒了，还可以用手来支撑一下，但如果是向后跳车摔下来的话，后背着地，受伤肯定更重。

现在我们就明白了，选择从哪个方向跳车，不能只考虑惯性这一个因素，需要考虑的是人类的行为习惯和自我保护意识。但对于没有生命的物体来说，它们不会走路也没有意识，惯性就成了决定因素。比如，我们从车厢中扔一个玻璃瓶，向前扔比向后扔落地速度更快，显然就更容易摔碎。所以，如果迫不得已要跳车，有行李的话，行李要向后扔出去，人自己要向前跳下来。

向前跳对没有什么跳车经验的普通人而言，是最好的选择，而普通人碰到跳车的情况很少，像过去的火车乘务员和公交车检票员这样的人，因为工作原因跳车的经验就比较足，他们跳车的方法又有所不同，他们一般是采用这样的方法来跳车：面对着车子前进的方向，也就是面对着车头向后跳。这样的跳车动作有两个好处：

●跳车方向与行进方向相反，那么身体的速度就会相对较小。

●跳车时，人可能摔倒的方向就是车子行进的方向，这样人面朝车头，就意味着摔倒时可能是趴着的，那就避免了仰面摔倒这样更危险的动作。

所以，这样的动作是最安全的。用手抓住一颗子弹

报纸上曾经刊载过这样一则报道，说是在战争时期，一名法国飞行员竟然用手抓住了一颗子弹！具体情形是这样描述的：当时，这名飞行员正在2000米的高空中飞行，忽然发现自己的脸旁边飞着一个很小的东西，他以为是一个小飞虫，于是就伸手轻松地把它抓在了手里，低头一看，天哪，真是太不可思议了，那不是小飞虫，而是一颗德军的子弹！

如此匪夷所思的新闻是真的吗？这就好像传说中有人曾经赤手空拳抓住炮弹一样，让人无法相信。

事实上，用物理学原理来解释的话，这名飞行员用手抓住一颗子弹，只要满足一定的条件，是完全有可能的。

我们都知道，子弹的速度非常快，刚射出时，每秒几乎能够达到800米～900米，单凭肉眼几乎都看不到它的轨迹。但是因为空气是有阻力的，子弹在空气中飞行时，会因为空气阻力而逐渐降低飞行速度，子弹在飞到最后时，飞行速度会减慢到每秒40米左右。这时，就有可能出现这样的巧合，这名法国飞行员的飞行速度可能也只是每秒钟40米左右，与子弹的速度差不多，在这种情况下，子弹相对于飞行员来说，就可能是完全静止不动或者在缓慢移动，难怪飞行员把子弹看成小飞虫，伸手就能抓住也在情理之中了。而且飞行员一般都戴着厚厚的手套，根本感觉不到子弹在飞行过程中产生的高温，所以徒手抓住运行中的子弹的新闻具有很高的新闻价值性。西瓜炮弹

上节说用手都能抓住一颗子弹，那这颗子弹就已毫无危险可言了。但我们不能忽视另外一种极端的情形，就是在一定的条件下，扔出去一个看似毫无威胁的物体，比如，一个西瓜、一个苹果或者一颗鸡蛋，却有可能造成毁灭性的后果。

1924年就曾经发生过一起西瓜伤人的事件，那是在国外举办的一个汽车拉力赛上，附近的农民为了表示对参赛汽车的欢迎，就用自家栽种的苹果、西瓜和香瓜等水果，向快速行进的汽车投掷，试图扔到参赛司机的手里。农民们的心意很美好，却没想到后果很严重：这些水果有的砸在了车上，把车子砸瘪了，甚至砸坏了，导致了翻车；有的砸在了司机或者乘客的身上，把他们砸成了重伤，非常可怕。那是什么原因让表示“友好”的水果变成了和炮弹一样危险的“武器”了呢？答案很简单，是物理学中的动能，参赛汽车自身的速度加上水果的速度产生了破坏力极大的动能。这个动能到底有多大？根据公式简单的计算可以发现，一个4千克重的西瓜，扔向一辆以时速120千米飞驰的汽车，所具备的动能和一颗仅有10克重子弹所具备的动能是差不多的，这样的话，西瓜变成炮弹伤人也就不难理解了。当然了，因为西瓜的硬度远远比不上子弹，所以在上面的情形中，西瓜不会有子弹那样的穿透力，不然真是名副其实的“炮弹”了（图20）。图20 投向飞驶汽车的西瓜会成为危险的“炮弹”。

随着人类科技的发展，飞机已经能够进入大气层的上层进行高速飞行，飞行速度已经可以达到每小时3000千米左右，与一颗刚射出的子弹一样。飞机运行速度如此之快，这时候就得小心像上面所说的“西瓜炮弹”一样的危险品了，因为不管是什么东西，哪怕是一只小鸟，碰到这样一架如此高速飞行的飞机上，都会变成威力无穷的“炮弹”。如果遇到这样一种情况：一架飞机正在高速飞行中，从另外一架飞机上掉落几颗子弹，而且不是落在这个飞机的正面，其危险性也和拿着机关枪对着这个飞机扫射一样。因为这架飞机的速度极快（和一颗高速飞行的子弹几乎相同），与掉落的子弹相撞，其破坏力和拿着机关枪对着飞机扫射自然差不多。

假设子弹不是掉落在飞机上，而是跟在了飞机的后面或者与飞机相同的速度飞行，就会出现像前面所说的情况，飞行员都能伸手抓住，这样的子弹就没有任何危险性。以此类推，如果两个物体以差不多的速度朝着同一个方向前进，那么两者就几乎相对静止，即使发生碰撞，也不会产生严重后果。在1935年，曾经就有一个聪明的火车司机，利用这个原理，驾驶火车成功截住了另外一列火车，从而避免了一场严重的事故。

当时的情形是这样的：

这名聪明的火车司机正驾驶着一列火车正常行驶中，而此刻他并不知道在他的火车前方，还行驶着另外一列火车（我们就称这列火车的司机为马虎司机吧）。由于蒸汽动力不足，马虎司机就把火车停了下来，并且把后面的30节车厢给摘了下来，暂时留在了铁轨上，只把火车头和前面的几节给开走了。但因为留在铁轨上的车厢没有放垫木，铁轨很滑，车厢的位置又恰好是个斜坡，于是这30节车厢就沿着斜坡自己滑了下来，速度差不多已经达到了每小时20千米，眼看着就和聪明司机的火车撞上了。情况非常紧急，这名聪明司机急中生智，马上把自己的火车停了下来，开始倒车，而且将倒车的速度逐渐调整到和滑行的车厢差不多的速度，这时他的火车和那30节滑行的车厢相对速度就非常缓慢了，于是聪明司机牢牢接住了这30节失控的车厢，没有造成一名乘客受伤，物品也几乎没有损失。

同样的相对静止的原理，还有很多的应用。比如，有这样一种装置，它的设计理念是方便人能够在行进的火车上写字。大家都知道，火车在行进时，因为车轮和铁轨间会产生震动，人在上面写字的话，笔和纸也会一同震动，即使勉强写出字来，写出来的字肯定也不会好看。而借助于这样一个设备，利用同样的速度则相对静止的原理，让笔和纸能够同时接受火车的震动，那么笔和纸就是相对静止的，这样再写字，就好像在静止的桌子上写字一样，不会有任何困难了。

如图21中的设备示意图显示，这个装置是这样工作的：用手拿着一支笔，然后把手绑在一块小木板上，这个小木板是能够滑动的，它能够借助于一个槽滑动，而这个槽是固定在木框上的。需要写字的时候，就把这个木框放在车厢的小桌子上。因为手还是灵活自如可以一个字一个字地写。这时候，木框上的纸所受到的震动，通过槽传给绑着手的木板，进而传给了握笔的手，也就是传给了笔，那这时候笔尖和纸的震动几乎就是同时的了，那么两者就相对静止了，写字就变得简单方便了。当然了，还是会有个小麻烦，那就是眼睛看纸的时候，还是在震动，因为人头的震动和手不是同时的，自然无法相对静止，因此在行动的车子上写字还是会很别扭。图21 帮助人们在行进的火车上写字的装备。站在台秤上

很多人都知道，如果用台秤称体重，你必须双脚踩在台秤的平台上，并保持身体直立，否则，得到的结果可能就会不准确。比如说，你弯了一下腰，可是，就在你弯腰的一瞬间，台秤上显示的读数会比你的实际体重低。不知道你观察过这一现象没有？这是因为上身的肌肉在向下弯曲的同时，下身向上移动，这就使得落在台秤平台的压力减小。反过来，如果突然把弯曲的上身伸直，肌肉又会作用于下身，从而对台秤平台产生压力，使得台秤显示的读数比实际体重大。如果台秤特别灵敏，哪怕你只是举了一下手，台秤平台所受的压力也会跟着增加，这是因为，在你举手的时候，附着于肩头的肌肉会把你的肩头向下压，当你把举起的手停在空中的时候，肌肉就会反作用于肩头，把肩头提升，从而减轻对台秤平台的压力，台秤的读数自然就比你的实际体重少一些。

反过来，如果把手迅速放下来，台秤读数会偏小，但等你的手完全放下后，读数又会增大一些。物体在什么地方会更重一些

我们知道，地球上的每一个物体，都受到地心引力的作用。如果把物体抬高，地心引力就会减小。比如，把一个1千克重的砝码拿到离地面6400千米的高度，也就是说，砝码离地球中心的距离是地球半径的两倍，那么这个砝码和地球之间的引力只有在地面时的。从另一个角度来讲，如果在6400千米的高空称这个1千克的砝码，它的重量只有0.25千克。根据万有引力定律，计算地球和物体之间的万有引力，常把地球的质量集中在地心位置，万有引力与距离的平方成反比。刚才的这个例子，砝码离地心的距离是地球半径的两倍时，万有引力就是原来的，也就是。如果把砝码拿到离地面12800千米的高空，也就是说，砝码离地心的距离是地球半径的3倍，此时万有引力就只有原来的，也就是，在这个高度称这个砝码，重量只有111克。

那么，是不是说，物体离地心越近，它受到的引力就会越大呢？还是以砝码为例，如果真是这样，那么砝码在地下越深，它的重量就越重。但是很遗憾，这个推论是错误的。相反，物体在地下越深，它的重量不是变大，而是变小。该怎么解释这一现象呢？

是这样的：如图22所示，在地面以下，对物体产生引力的物质微粒把物体包裹在其中，而不是在物体的某一方向。从图中我们看到，在地面以下的砝码，受到两个力的作用，一个是砝码下部的地球微粒对它的吸引，一个是砝码上部的地球微粒的吸引。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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