登陆注册
16134400000003

第3章 有趣的力学现象及原理

(1)火箭升空原理火箭升空原理来自于早期的中国烟花里的"起花",由内部的火药燃烧喷出气体产生的推力飞升。现代火箭的燃料是燃烧热值很高的液氢且有液氧助燃,火箭是以热气流高速向后喷出,利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置,因而燃烧喷发产生的反作用力极大,足以使几吨几十吨的运载火箭获得极高的升空速度(第一宇宙速度7.9km/s)。又因为它自身携带燃烧剂与氧化剂,不依赖空气中的氧助燃,既可在大气中,又可在外层空间飞行。现代火箭可作为快速远距离运输工具,可以用来发射卫星和投送武器战斗部(弹头)。

(2)灌溉喷水器

通过对灌溉喷水器不断观察和研究发现,原来喷水方向的改变是靠一个来回摆动的机械臂不断打击喷水管上的挡板来实现的。该喷水器设计得非常巧妙,充分利用了物理学中的力学知识。喷水器上都有两个喷嘴,与水平面成不同的倾斜角,其中上面喷嘴与水平面成45°角左右。由斜抛知识可知,由该喷嘴射出的水柱射程较远,负责浇灌离喷管较远处的田地。下面喷嘴与水平面成30°角左右,由此喷嘴射出的水柱射程较近,负责浇灌喷管近处的田地。而水柱的自动旋转功能则利用了弹簧的扭转力矩及物体间相互作用的有机结合来实现。当刚打开水管阀门时,两水流同时从两喷嘴喷出,其中与水平面成45°角左右的喷管的水流负责冲击“摆臂”臂头的侧面,使摆臂首先偏转一个角度,这样与摆臂相连的螺旋弹簧也随其扭转,从而产生扭转力矩,弹簧的扭转力矩(弹力)使摆臂快速向水柱一侧摆回,猛力打击喷水管上的挡板,同时与水柱相撞,使得带有两喷嘴的喷管绕其转轴向被打击方向旋转一个小角度;同时带弹簧的“摆臂”也会受到水柱的反作用,而被弹离水柱,“摆臂”又在弹簧弹力作用下摆回,再次打击挡板和水柱,使喷管旋转……如此循环往复,“摆臂”不断地打击,喷管缓缓地旋转,使得以喷管下面的竖管为圆心,远程水柱射程为半径的圆形区域内的田地得到反复喷灌,等到田地浇透的时候则可关闭喷管阀门。

(3)怎样能在投掷比赛中胜出?在田径运动会上,投掷手榴弹和标枪的运动员,大都是来用助跑的方法,在快速奔跑中把投掷物投掷出去。这是为了使投掷物在出手以前就有较高的运动速度,再加上运动员有力的投掷动作,投掷物就能飞得更远。(回忆一下运动的合成与分解)

推铅球时,运动员被限制在固定半径的投掷圈内,根本无法通过助跑来提高铅球的初速度。如果站在那儿不动,把处于静止状态的铅球投掷出去,那是投掷不远的。在物理学中我们学过动量定理:

f△t=m△v

由此可知,要使铅球在出手前就有较大的运动速度,必须增加给铅球施加作用力的时间(在作用力不变的情况下)。所以,铅球运动员大都是采用背向滑步的方法:先把上身扭转过来,背向投掷方向,然后摆腿、滑步、前冲,再用力推出铅球。通过这一系列的动作,使铅球在推出前就已具有较大的运动速度。对于优秀的运动员来说,滑步推铅球比原地推铅球可增加约2米的成绩。

(4)飞鸟会击落一架飞机我们知道,运动是相对的。当鸟儿与飞机相对而行时,虽然鸟儿的速度不是很大,但是飞机的飞行速度很大,这样对于飞机来说,鸟儿的速度就很大。

在碰撞过程中,物体相互作用的时间极短。速度越大,力在这短暂的时间内变化十分剧烈,撞击的力量就越大。比如一只0.45千克的鸟,撞在速度为每小时80千米的飞机上时,就会产生1500牛顿的力,要是撞在速度为每小时960千米的飞机上,那就要产生21.6万牛顿的力。如果是一只1.8千克的鸟撞在速度为每小时700千米的飞机上,产生的冲击力比炮弹的冲击力还要大。所以浑身是肉的鸟儿也能变成击落飞机的“炮弹”。

1962年11月,赫赫有名的“子爵号”飞机正在美国马里兰州伊利奥特市上空平稳地飞行,突然一声巨响,飞机从高空栽了下来。事后发现酿成这场空中悲剧的罪魁就是一只在空中慢慢翱翔的天鹅。

在我国也发生过类似的事情。1991年10月6日,海南海口市乐东机场,海军航空兵的一架“014号”飞机刚腾空而起,突然,“砰”的一声巨响,机体猛然一颤,飞行员发现左前三角挡风玻璃完全破碎,令人庆幸的是,飞行员凭着顽强的意志和娴熟的技术终于使飞机降落在跑道上,追究原因还是一只迎面飞来的小鸟。

瞬间的碰撞会产生巨大冲击力的事例,不只发生在鸟与飞机之间,也可以发生在鸡与汽车之间。

如果一只1.5千克的鸡与速度为每小时54千米的汽车相撞时产生的力有2800多牛顿。一次,一位汽车司机开车行使在乡间公路上,突然,一只母鸡受惊,猛然在车前跳起,结果冲破汽车前窗,一头撞进驾驶室,并使司机受了伤,可以说,汽车司机没被母鸡撞死真算幸运。

(5)蚂蚁从高处落下来为什么摔不死?

众所周知,人从楼上掉下摔不死也会摔成重伤,可是蚂蚁从高处落下却会安然无恙,你知道其中的奥密吗?

我们知道,物体在空气中运动时会受到空气的阻力,其阻力的大小与物体和空气接触的表面积大小有关。越小的物体其表面积大小和重力大小的比值越大,即阻力越容易和重力相平衡,从而不致于下降的速度越来越大,也就是说微小的物体可以在空气中以很小的速度下落,所以蚂蚁落地时速度很小,不致于摔死。

我们还可以设想一种方法使蚂蚁摔死:把蚂蚁放在一根真空的长玻璃管中。当蚂蚁在这种管子中下落时,因为没有空气阻力,如果管子足够长,蚂议就有可能摔死。

(6)过山车中的物理知识过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣,那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感,还有助于理解力学定律。实际上,过山车的运动包含了许多物理学原理,人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。

如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果,那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子,只要收紧你的腹肌,保护好肠胃就行了,当然,如果你的身体条件和心理承受能力的限制,无法亲身体验过山车带来的种种感受,你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。

在开始旅行时,过山车的小列车是靠一个机械装置的推力推上最高点的,但在第一次下行后,就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上,从这时起,带动它沿着轨道行驶的惟一的"发动机"将是引力势能,即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。

第一种能,即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量,是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。对过山车来说,它的势能在处于最高点时达到了最大值,也就是当它爬升到"山丘"的顶峰时最大。

当过山车开始下降时,它的势能就不断地减少,因为重力势能大小与高度有关,但能量不会消失,而是转化成了动能。不过,在动能和势能的转化过程中,由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量,因而损耗了一定量的机械能,即动能和势能。这就是为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因,过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了。做过山车在车头刺激还是在车尾刺激?过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上,下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。

因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快,这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样,乘坐在最后一节车厢的人就能快速地达到和跨越最高点,从而产生一种要被抛离的感觉,因为质量中心正在加速向下。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的,否则在到达顶峰附近时,小车厢就可能脱轨甩出去。

车头部的车厢情况就不同了,它的质量中心在“身后”,在短时间内,它虽然处在下降的状态,但是它要"等待"质量中心越过高点被引力推动。到达“疯狂之圈”时,沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时,乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉,因为这时乘客跟随车厢一起做圆周运动,受力发生改变,车厢底部给人的向上的挤压力超过重力的大小,挤压力减去重力合成人随车在最低点向上转弯的向心力,人感觉和铁轨之间紧紧挤压。这种环形轨道是略带椭圆形的,目的是为了"平衡"引力的制动效应。

当过山车达到圆形轨道的最高点时,事实上它会慢下来,但如果弯曲的程度较小时,这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程,机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由气缸来控制的。

科里奥利(Coriolis,GustaveGaspardde,1792~1843)法国物理学家。

1829年,科里奥利在他的第一部著作《机器鼓应计算》中对功下了定义。

同类推荐
  • 科技轶闻趣事(科学知识大课堂)

    科技轶闻趣事(科学知识大课堂)

    为了普及科学知识,探索科学发展的历程,领略科学丰富多彩的趣味,弘扬科学名家的丰功伟绩,学习科学家不懈的创新精神与无私的奉献精神,培养青少年科学、爱科学的浓厚兴趣,并密切结合青少年朋友日常的生活与学习特点,我们组织编写了这套《科学知识大课堂》。作为一套普及科学知识的通俗读物,本书有别于专业的学术论著,侧重于知识性、趣味性、实用性,注重对青少年科技素质的培育、科学兴趣的培养、科学精神的塑造与科学方法的启迪,不求面面俱到,但求言之有物,物有所指,指有所发。
  • 环境与城市(人与环境知识丛书)

    环境与城市(人与环境知识丛书)

    城市生活的生态环境质量好坏直接影响着城市的可持续发展。城市的生态环境建设,在维护城市整个生态平衡以及地球的生态平衡中具有特殊的地位和作用。保护好城市生态环境,实现城市的可持续发展,构建科技、环保、节能的绿色城市生活已成为时代的迫切要求和人民的强烈愿望。
  • 环球风情

    环球风情

    《巅峰阅读文库·我的第一本探索书
  • 青少年应该知道的汽车

    青少年应该知道的汽车

    本书让读者在了解什么是汽车的同时,能明白理解汽车发展的来龙去脉,进而使我们在享受汽车为我们带来的便利舒适的现代生活的同时,不仅知其然,而且更能知其所以然,让广大青少年了解和掌握汽车的基础知识。
  • 低碳环境:打造属于我们的地球氧吧

    低碳环境:打造属于我们的地球氧吧

    地球是我们共同的家园,白云蓝天,雾霭流岚、花香鸟语、蝶舞莺飞……如此美丽的环境需要我们共同的呵护。不要让小河的水总是恶臭,不要让机动车的尾气令人掩住口鼻,不要让草丛里的塑料袋不计其数……让我们牵起手,从一点一滴的小事做起,使我们的地球更美丽,更精彩。
热门推荐
  • 美少年之吻

    美少年之吻

    我,宋晓晓,湘湖高中的一名平凡女生,阴差阳错的惹到了学校最凶残的“撒旦”夜擎天,在疯狂逃亡之中又意外捡到了一只从天而将的奇怪小猪,从此,我平静的生活开始颠覆。冷酷帅气的恶魔、奇怪可爱的小猪、神奇的时空之门......一段奇异的时空之路和曲折动人的美少年之吻即将揭开精彩而又惊险的序章。准备好了吗?绚烂华丽的故事在等着你哦!
  • 见习魔神

    见习魔神

    传说,每一颗生命星球都有自己的意识,保护着整颗星球在无限的多元宇宙中独立自主。物种大量灭绝,地星意识行将崩灭,无奈开启位面入侵之路。
  • 诅咒千年的爱

    诅咒千年的爱

    这是我第一次写(关于EXO的故事),讲述的是千年之恋,女主曾经天真无邪,是那么的单纯,有些人,却再三伤害她,他被伤害的遍体鳞伤,无奈,只有穿越…………
  • 魔妃难宠:误上世子爷

    魔妃难宠:误上世子爷

    清影趴在某男起伏的胸膛上,欲哭无泪。简直倒了八辈子血霉好吗!好不容易重生一次,却发现穿成了人人喊打的魔教之女;好不容易改名换姓,却被人步步紧逼,“嫡母”打压,“嫡姐”陷害,青梅竹马反水背叛,甚至不惜将她打包送人!现在,好不容易逃出狼窝,却不小心躲进虎穴,清白毁于一旦不说,完事后还筋脉具损,武功全失,甚至还有分分钟被某人盯成窟窿的危险!“这位公子,你的意思是要我负责吗?”生活如此艰难,残了还不被放过……【情节虚构,请勿模仿】
  • 傲娇学渣修炼记

    傲娇学渣修炼记

    初中生莱莉学习小菜鸟一个,游戏里转身成大神,殊不知偶然跌进真人游戏,开启全新世界。。
  • 原罪之地

    原罪之地

    13世纪道明会神父圣多玛斯·阿奎纳举出的七罪宗——傲慢、妒忌、暴怒、懒惰、贪婪、贪食及色欲,为人类明确的指出了罪恶的类别。惜。指出却不代表人类会警醒。世界依旧繁华、堕落以及肮脏。另一片土地之上,由七罪宗所衍生的世界即将为这一切的一切增添一抹华丽的色彩!七罪宗!始于内心,发于外物。《新人新作,坑了不负责!》——菇凉如此说道
  • 七星迷棺

    七星迷棺

    五十年前,一张电报吸引了来自给方的盗墓贼,探险家,考古学家前往长沙。同时,南京政府召集了一批当时最强悍的盗墓贼+探险家+考古学家+军人。前往一个神秘的地方。而我本是一位普通的地理老师,当年南京政府的大总统是我的爷爷。五十年后,我在收拾爷爷遗物的时候。发现一卷泛黄的羊皮地图,加上一本破旧不堪的记录将我卷入了一个深不见底的漩涡。从八卦迷棺到法老亡陵。从空中花园到亚马逊丛林。从海底宫殿再到七星迷棺。这一起的背后到底是古人在作祟还是人性的顽劣,或许说可能真藏着些什么………………
  • 爱心引力

    爱心引力

    每一个人的爱心是相通的,让我们共享人道的光辉吧!
  • 大产品

    大产品

    小米凭什么开创“小米模式”,火箭般一飞冲天?特斯拉凭什么接班苹果出任最新版“创新大神”,尽享万人追捧?余额宝凭什么一夜间震动整个中国金融业?“大产品”,一个时代的新物种,未来商业社会的统治者,大数据、云计算、物联网、社交网络、移动互联网发展的必然产物,正在重构整个商业社会。在这个百年难遇的快速迭代式革新的时代,如何适应大产品创新的节奏?如何掌控“大产品”的魔力?如何把握“大产品”的创造、运营秘诀?如何用“大产品”思维改善旧有的营销和管理理念?本书通过一个个翔实的案例,在阐释“大产品”增长空间、“大产品”运作思维、“大产品”破坏力的同时,对中国未来商业的大趋势进行了详尽的全景式解读。
  • 地球的进化之路

    地球的进化之路

    这是一场阴谋,在不知明的力量控制下。地球上的所以生物都发生了变化,但是在进化初期,人类遭受了地球上所以生物的仇视和攻击,但是随着人类的强大。人类又一次站在生物链的顶端......