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第3章 认识我们身边的力(3)

与著名的比萨“斜塔”相似,俄罗斯阿尔汉格尔斯克的“危楼”也是同样的情形,虽然已经相当倾斜,却并没有倒下来,正是因为从它们重心引下的竖直线并没有越出它的底面的缘故(当然还有次要的原因,那就是这些建筑的基石都是深埋在地面以下的)。

人在站立着的时候,也只在从他的重心引下的竖直线保持在两脚外缘所形成的那个小面积以内的时候才不会跌倒。因此,用一只脚站立是比较困难的;而在钢索上站立就更加困难:这是因为底面太小,从重心引下的竖直线很容易越出它的底面的缘故。

你可曾注意到老水手们走路时候的古怪姿势吗?他们一生都在摇摆不定的舰船上度过,那儿从重心引下的竖直线每秒钟都有可能越出两脚之间的面积的范围,为了不至于跌倒,老水手都习惯把他们的身体的底面(就是两脚之间的面积)尽可能放大。这样他们才可能在摇摆的甲板上立稳;自然,他们这种走路的方法也沿用到陆地上来了。

我们还可以举出一些反面的例子,就是平衡增进了人体姿势的美观。你可曾注意到,一个在头上顶着重物走路的人,他的姿势是多么匀称!大家也都见过头上顶着水壶的女人的优美姿态。她们头上顶着重物,因此一定要使头部和上身保持笔直的状态,否则,只要有一点偏斜,从重心(这时候重心的位置比一般人提高了许多)引下的竖直线就会有越出底面范围的危险,那么人体的平衡就要给破坏了。

现在,让我们还是回到方才坐定以后站起来的那个试验上来。

一个坐定的人,他的身体的重心位置是在身体内部靠近脊椎骨的地方,比肚脐高出大约20厘米。试从这点向下引一条竖直线,这条竖直线一定通过椅座,落在两脚的后面。但是,一个人要能够站起身来,这条竖直线却一定要通过两脚之间的那块面积。

因此,要想站起身来,我们一定要把胸部向前倾或者把两脚向后移。把胸部向前倾,是要把重心向前移;把两脚向后移,却是使原来从重心引下的竖直线能够投影于两脚之间的面积之内。我们平常从椅子上站起身来的时候,正是这样做的。假如不准许我们这样做的话,那么,你已经从方才的实际经验里体会到,想从椅子上站起身来是不可能的。

火车不需要方向盘

火车是陆路上最重要的交通工具之一。它运输量大、成本低、速度快、运行安全,尤其经过几次铁路大提速以后,铁路运输显得更加方便快捷。

汽车、拖拉机、装甲车转弯时都靠方向盘,甚至自行车转弯也要靠扭“把”来实现。那么火车有方向盘吗?答案是没有!那么在铁路上高速行驶的火车靠什么转弯,依靠什么来平稳运行呢?

我们知道,任何物体在转弯时都需要一种指向弯道中心的力,物理上把它叫做向心力。向心力必须有物体提供。田径运动员在赛场上跑弯道时身体向内侧倾斜,速度滑冰运动员、赛车场上摩托车在转弯时向内侧倾斜得更为明显。这是为当身体向内侧倾斜时,重力的一部分分量就提供了向心力。那么火车没有方向盘靠什么来转弯呢?

首先,车是运行在铁轨上的,而铁轨又铺设在路基上。在平轨道处两条铁轨在同一高度,可在转弯处就不一样,路基的外侧高于内侧,这就使弯道处外侧轨道高于侧轨道。这和人跑弯道时倾斜身体的道理是一致的。

其次,火车车轮的结构和汽车、拖拉机的车轮不同。火车轮最外面的一圈叫“轮箍”,它是由强度很高、耐性能很强的特殊钢材制成的。在轮箍上有一圈高出的分叫“轮缘”,火车车轮的“轮缘”就恰好嵌在两条平行铁轨的内侧,火车转弯时,铁轨通过轮缘给火车提了指向弯道中心的侧压力。

再次,火车车头的车轮有大有小,它们的作用是不一样的。火车头下面最前端的那个轮子较小,叫“导轮”,它起引导的作用。中间几个大轮子是“动轮”,内燃机或电动机发出的动力通曲柄连杆机构传给动轮,带动整列火车前进。有的车头后面还有直径较小的从动轮。导轮和从动轮都有转向架,起转向协调作用。

当火车在直道上行驶时,火车头两侧的车轮正好过轮缘嵌在铁轨上,火车本身的重心又很低,高速运行时可以保证车轮和钢轨中心保持一致,以保证平运行。

当火车驶向弯道需要转弯时,“导轮”的转向器会使导轮自动转向,而列车运行的惯性使靠弯道外侧动轮的轮箍紧贴在钢轨上,这时由于相互作用,外侧钢轨就给了车轮轮箍一个指向转弯方向的侧压力——向心力。

再加上外侧铁轨又比内侧铁轨高,这个斜度帮助火车在进入弯道时,同一轴上的两个轮子各自走过弯道内、外两侧的铁轨,顺利实现转向。

现代铁路运行系统无论是列车上还是地面系统都有许多电子自动监测、控制报警系统,因此铁路运行是十分安全可靠的。

民谚俗语中的力学知识

在日常生活中,我们经常会接触到一些民谚和俗语,这些民谚和俗语蕴含着丰富的物理知识,我们如果平时注意分析、了解一些民谚、俗语,就可以在实际生活中深化知识,对培养我们提高分析和解决问题的能力是大有帮助的。

1.小小称砣压千斤。根据杠杆平衡原理,如果动力臂是阻力臂的几分之一,则动力就是阻力的几倍。如果称砣的力臂很大,“一两拨千斤”也是完全可能的。

2.人心齐,泰山移。如果各个分力的方向一致,则合力的大小等于各个分力的大小之和。

3.麻绳提豆腐——提不起来。在压力一定时,如果受力面积小,则压强就大。

4.开水不响,响水不开。水沸腾之前,由于对流,水内气泡一边上升,一边上下振动,大部分气泡在水内压力下破裂,其破裂声和振动声又与容器产生共鸣,所以声音很大。水沸腾后,上下等温,气泡体积增大,在浮力作用下一直升到水面才破裂开来,因而响声比较小。

5.如坐针毡。通过压强公式可以得知,当压力一定时,受力面积越小,则压强越大。人坐在这样的毡子上就会感觉极不舒服。

6.鸡蛋碰石头——自不量力。鸡蛋碰石头,虽然力的大小相同,但每个物体所能承受的压强一定,超过这个限度,物体就可能被损坏。鸡蛋能承受的压强小,所以鸡蛋将破裂。

7.力大如牛。比喻力气特别大。

8.一个巴掌拍不响。力是物体对物体的作用,一个巴掌要么拍另一个巴掌,要么拍在其他物体上才能产生力的作用,才能拍响。

9.四两拨千斤。杠杆的平衡条件,增大动力臂与阻力臂的比,只需用较小的动力就能撬起很重的物体。

10.泥鳅黄鳝交朋友——滑头对滑头。泥鳅黄鳝的表面都光滑且润滑,摩擦力小。

11.大船漏水——有进无出。液体内部存在压强,船破后,船外的水被压进船内,直到船内外水面相平,此刻船内的水也不会向外流。

12.水上的葫芦——沉不下去。葫芦的密度小于水的密度,故只能漂浮在水面上。

13.磨刀不误砍柴工。减小受压面积增大压强。

14.人往高处走,水往低处流。水往低处流是自然界中的一条客观规律,原因是水受重力影响由高处流向低处。

15.墙内开花墙外香。这是分子在作永不停息的无规则运动的结果。

16.坐地日行八万里。因为地球的半径为6370千米,地球每转一圈,其表面上的物体“走”了约为40003千米,约为八万里,这是毛泽东吟出的诗词,它科学地揭示了运动与静止的关系——运动是绝对的,静止则是相对参照物而言的。

洗碗中的力学

用餐完以后,最令人发愁的大概就是刷堆积如山的盘子了,洗涤灵就能解决这个烦人的问题。这一家务劳动中存在着奇妙的力学现象,原来是表面张力在起着作用。洗涤灵是一种活性剂,它是由易溶于水的亲水基和易溶于油的亲油基两个基团组成,这种两个基团组成的结构特性使它与水拌合后大大降低水的张力。

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