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第7章 生活与科技(6)

为了挽救比萨斜塔,世界上的科学家提出了各种方案。我国科学家提出,在塔倾斜方向的反方向的地基上,灌注大量的水泥,这样可以将比萨斜塔的重心向反方向移动,从而使塔身不再继续倾斜,甚至矫正塔身。

炮弹与力学

大炮的种类很多,如迫击炮、榴弹炮、加农炮、火箭炮等等。这些大炮威力大小不一,射程也有远近区分,炮弹的重量相差也很悬殊。假如问你一个问题:炮弹是重的打得远,还是轻的打得远。你是否能正确回答呢?

你可能会说:“当然是轻的炮弹打得远!我们平时扔石头时,轻的石头不是要比重的石头落得更远吗?”

然而,这个回答并不准确。实际上,加农炮的炮弹要远比迫击炮弹重得多,但它的射程也要远得多。这是为什么呢?

原来,加农炮射程远的关键在于它的炮弹口径大、炮筒长。

作用在炮弹弹头上的力与推进火药的量有关,弹体的口径越粗,装填的推进药越多,所产生的推动力就越大。而炮筒越长,火药在炮筒中力作用的距离就越长,这意味着火药实际上对炮弹头作了更多的功,此功转化为炮弹的动能,因而从长炮筒射出的炮弹速度更大,射程也更远。也可以认为长炮筒增加了力作用在炮弹上的时间,由于时间增加,冲量也增加了,而冲量又转化为炮弹的动量。所以,炮筒越长,炮弹口径越粗,炮弹越重,炮弹打得越远。

第一次世界大战后期,1918年。为了攻击法国首都巴黎,德国研制了三门克虏伯大炮。炮筒长度相当于12层大楼的高度(约36米)、炮弹口径21厘米(后扩至23厘米),每门炮重180吨,因为太重,只能放在火车上,它所使用的炮弹重120千克,可以击中120千米远的目标。这个场景我们可以在卓别林主演的影片《大独裁者》中看到。

山地车与摩擦力

山地车,顾名思义,是为在山地上骑行而设计的。与普通自行车相比,山地车可通过脚踏链轮与飞轮的不同组合,在平地和下坡时提高车速,或是在上坡时选择较为省力的慢速骑行方式。此外,引人注目的还有它那宽大而具有粗大花纹的轮胎。这种轮胎可以增大摩擦力,避免打滑,使山地车爬坡更容易。

但是,山地车在城市里使用,却不能最大限度地发挥它的全部功能。首先,大多数城市里的道路都很平坦,较少起伏,因此,不论是十速车,还是十二速车,一般骑车人都把链轮与飞轮的组合调到最高速度那一档,骑行时始终只采用一个速度,这样,山地车的功能就只能发挥其中一小部分,其它功能都浪费了。其次,山地车的轮胎与地面的摩擦力比一般轮胎要大许多,这样,骑行时必须要克服比普通自行车大得多的阻力,所以要花费更大力气。所以,在城市里骑山地车并不好。

当然,如果是在重庆、大连这样地形起伏变化较大的城市,山地车就能最大限度地发挥它的功能。如果是在雨雪天气里,山地车宽大的轮胎,还可以增大摩擦力,防止自行车摔倒。

王冠之谜与浮力定律

传说,古希腊时,某城邦国家的君主命令工匠造一顶金制王冠。当工匠将已经制成的王冠呈上时,君主托着王冠,感觉似乎有点不对劲,他怀疑里面掺有银的成分,因为银要比黄金便宜许多,所以,工匠可能从这种不轨行为中获利。于是,他命令城邦里的著名科学家阿基米德解开这个谜。

阿基米德接到命令后,想了各种办法来解决这个难题。当时,人们已经知道同样体积的黄金比白银要重,即二者的密度不同,如果能知道王冠的体积,就能够从它的重量和体积之比得到王冠的密度,如果王冠的密度比黄金小,就能证明王冠里掺有白银。但由于金冠形状十分不规则,所以无法测得王冠的体积,也就无法知道它的密度了。

阿基米德回到实验室里,向一只瓦罐里倒满了水,把瓦罐放进一只大水盆里,然后将金冠放进瓦罐,水便从瓦罐里溢了出来。这溢出来的水的体积,便是金冠的体积。他用同样的方法又测量了相同重量的纯金块,发现金冠的体积比纯金块的体积大,说明王冠里掺了假。

原来,阿基米德在洗澡时发现了浮力定律:浸在流体(如水)里的物体受到向上的浮力,它的大小等于物体排开的流体的重量。这个定律也称浮力定律——浮力定律。

如果王冠是纯金的,那么,它的体积就应当与那块纯金块相等(排开的水的体积相同,也就是说排开的水的重量相等)。但是王冠的体积比纯金块大,说明王冠里掺了密度小于黄金的白银。

阿基米德就是这样解开王冠之谜的,同时,他也给世界留下了一个珍贵的定律。

压强与融点

大雪之后,滚雪球、堆雪人是人们最喜爱的活动。想一想,你是怎样做一个大雪球的。你首先要用手团起一小团雪,压紧成雪球,然后,把小雪球在雪地上滚动,慢慢地雪球就会越滚越大。

雪球为什么能够越滚越大呢?它与做元宵的原理是一样的吗?有的同学可能见过做元宵的过程:把元宵粉用水淋成半湿,将含有一定水分的元宵馅芯子在元宵粉里滚动,由于湿元宵粉的粘附力的作用,元宵就越滚越大。雪球能够变大的原理与此是不是相同的,也要靠粘附力来结合雪粒呢?可是在严寒的冬天,雪片和雪球本身都并不潮湿呀。

原来,雪片的融化是靠着压强的变化来实现的。我们常说的冰雪的融点是零度,这是在一个标准大气压的情况下发生的;如果增大压强,冰雪的融点就会降低,这样,在温度比零度低很多时冰雪也可以融化。

当我们把雪片团成球时,加大了雪片之间的压强,造成融点的降低,部分雪片融化成水,当所加的压力消失后,水又重新结成冰,这样,就把雪片连成雪球。当雪球在雪面上滚动时,被压着的部分融化,然后又结成冰,便和雪球粘附在一起。这样,不断地滚着、压着、融化、结冰,循环往复,雪球便会越滚越大。

钢笔中的物理原理

钢笔曾经是世界上使用最广的书写工具,虽然现在使用圆珠笔的人超过了使用钢笔的人,但仍然有不少人坚持使用钢笔,他们认为钢笔书写比圆珠笔更流利;写出的字也更好看。

小小的钢笔实际上包含了许多物理原理。

首先,让我们来分析灌墨水这个动作所包含的科学原理。灌墨水时,将钢笔放入墨水瓶里,用力一挤笔后端的储墨水塑料管,管中空气被挤出,变成真空状态,瓶中墨水表面上的大气压强就压迫着墨水向上进入钢笔塑料管。

其次,钢笔能自动出墨水,是由于毛细作用造成的。我们来做一个小实验:把一根内径细如毛发的玻璃管插入盛有水的玻璃杯中,你会发现水很快地从细玻璃管中往上升,并且管子里的液面要比玻璃杯里的水面高许多。这个现象被称作毛细现象。钢笔就是应用毛细原理设计而成的。钢笔依靠笔身上一系列毛细槽和笔尖上的细缝,把笔胆里的墨水输送到笔尖,书写时笔尖碰到纸张,墨水就附在了纸上。

第三,不写字时,钢笔为什么不会漏墨水呢?我们再做一个小实验。在一个装满水的玻璃口上盖上一张硬纸片,用手按住纸片,然后迅速将玻璃杯和纸片一起倒转向下,轻轻松开按住纸片的手。这时,与你的想象相反,玻璃杯中的水并没有流下来,硬纸片紧紧地吸在玻璃杯口上,并托住了满满的一杯水。这是由于大气压力作用的结果,是大气压力托住了硬纸片,因而水不会流下来。钢笔里墨水不会流出来的道理也是一样的,因为笔胆外面的大气压力比笔胆里的压力大,所以能把墨水抵住不致漏出来。

贝壳形状的屋顶

提起举办2000年奥运会的澳大利亚悉尼市,人们马上会想到它的标志性建筑——悉尼歌剧院。它是一座蓝色海湾里的有白色贝壳形状屋顶的漂亮建筑。为什么悉尼歌剧院的屋顶要建成贝壳形状呢?难道只是为了美观吗?

让我们来观察一下贝壳。贝壳是海洋中的一些软体动物身体的外壳,可以起到保护这些动物的盔甲的作用,它是一种凸的曲面拱形薄壳结构。构成贝壳的石灰质成分,是一种脆性材料,用锤子轻轻一击,便能将贝壳击碎,但如果将重物压在贝壳上面,贝壳却能抗击很重的压力而不碎裂。这说明,贝壳的拱形薄壳结构有良好的抗压性能。

所以,悉尼歌剧院的贝壳形屋顶不仅是为了美观,同时它还有非常好的抗压性能。

水的附着力

夏天的一场雷雨把衣服淋得透湿,换衣服时,你会发现衣服变得非常难脱;袜子被水泡湿后,也很难从脚上脱下,这是为什么呢?

这是因为,干的衣服、袜子的附着力非常小,可以比较轻易地脱下来;衣服、袜子湿了以后,首先,水的张力使衣物绷紧,贴紧皮肤,另一方面,水对皮肤有很强的附着力,就像胶水一样紧紧地粘在皮肤上,这样,衣物就不容易脱下来了。

刚洗完脚,脚未完全干时,就会感到穿袜子较为困难,这也是因为脚上有一些细小的水分子,在脚与袜子之间产生较强的附着力。

我们可以用一个小实验来说明这个问题:将两个面积相同的玻璃片放入水中,对齐贴紧,从水里拿出来,这时,想把两片玻璃分开就需要花很大的力气。这个实验向我们展示了水的附着力的存在。

爆米花的物理原理

在美式爆米花进入中国前,我们所吃的爆米花是怎样爆出来的呢?现在在某些中小城市中还可以看到这种爆米花炉的存在。做爆米花的小贩所用的炉子是一个椭圆形的黑色铁炉子,炉子的一头有一开口,将适量的玉米粒或大米放进炉里,将炉盖密闭,在炉下用火加热。炉盖上有一个气压表反映炉内气压的变化。当炉内气压达到一定程度时,小贩将炉子放入一个大袋子里,打开炉盖,只听“嘭”的一声巨响,身体膨胀了许多的爆米花便做成了。

为什么爆米花出炉时会发出“嘭”的巨响?

原来,爆米花炉被火加热,炉内空气受热体积膨胀,但由于炉口密闭,所以空气无法逃逸,这样,炉内压力越来越大,超过了炉外的大气压。当将炉口打开时,炉内压力巨大的空气迫不及待地从狭窄的炉口挤出来,发生振动,便会发出巨大的响声。同时,压力的急剧下降,原先在炉内受到巨大压强的玉米粒没有了压力,便会急剧膨胀,个头变大,成为松软可口的爆米花。

荡秋千与势能

荡秋千是一项人们非常喜爱的运动,特别是朝鲜族姑娘身着鲜艳的民族服装,把秋千荡到半空中,又飞速落下,就像上下翻飞的燕子,十分好看。

没有掌握荡秋千诀窍的人,即使秋千摆动了,由于不会做有用的动作,秋千的摆动幅度越来越小,很快就会停下来。

那么,怎样才能使秋千越荡越高呢?

会荡秋千的人,当站在秋千上开始摆动后,便会有规则地起立和下蹲。当秋千升高时,荡秋千者从秋千上站起来,将重心提高,这样,他便依靠自己的体力做了功,使秋千的势能增加;而当秋千下降时,荡秋千者从秋千上蹲下去,将重心降低,在蹲下去的过程里,荡秋千者给秋千提供了一部分能量,这些能量是由于他的重心下降所减少的势能来提供的。按照这样的规律不断地对秋千提供能量,秋千便会越荡越高。

金属会“疲劳”

人工作时间长了,就会感到疲劳,就需要休息了,过分疲劳还会导致“过劳死”。可是你听说过金属工作时间长了,也会产生疲劳吗?

的确如此,有时候,一艘船正在海洋中行驶,突然会断成两截;满载乘客的飞机在天上飞翔,突然尾翼断裂,酿成大祸:火车铁轨、桥梁、机器部件有时也会突然断裂。在这些事故中,有许多事故正是由于金属疲劳造成的。

为什么金属也会疲劳呢?原来金属虽然强度很高,但加在金属结构与部件上的载荷通常较大,在这些部件上的载荷如果重复施加数千次到几百万次,材料内部的结构就会产生缺陷,载荷的作用大大降低了材料的有效强度,金属便会出现“疲劳”,直至超过材料的抗拉伸、抗冲击等能力,最后出现断裂。例如,在没有钳子等工具的情况下,如果想截断一根细铁丝,你可以在要截断的位置用手来回折拗几次,就可以使细铁丝断开。这就是金属材料在载荷作用下出现疲劳的一个例子。

金属的疲劳包括“擦伤疲劳”、“高温疲劳”、“低温疲劳”、“噪声疲劳”等等。在车船飞机、机器部件的用铆钉、焊接接合的部位、断面有变化的部位等处,例如,飞机的机翼、车轮轴的轴肩、铁轨间的接口板等,最易产生疲劳。

不仅金属材料,而且橡胶、塑料、混凝土等材料也会发生疲劳,造成重大灾难。要消除材料疲劳所带来的危害,对容易发生材料疲劳的部件和结构必须按时检修,及时更换老化的部件,同时研究开发抗疲劳能力更强的新材料。

“记忆”合金

为了实施月面天线计划,必须用航天飞机把直径很大的抛物面天线运到月球上,可是,怎样才能使如此大的天线装入内部非常狭小的航天飞机呢?美国宇航局使用了形状记忆合金技术。

形状记忆合金是一种具有独特的形状记忆功能的合金,这种合金材料在特定温度条件下,其物理性质将会发生显著的变化。先对该合金进行预变形,以后,当对预变形的形状记忆合金加热,使其温度超过合金相变温度时,形状记忆合金材料就会恢复到变形前的形状。

美国宇航局的科学家在室温下用形状记忆合金制成抛物面状的月面天线,然后把它揉成直径5厘米以下的小团,放入阿波罗11号的舱内发射到月球上,在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的航天飞机机舱运送体积庞大的天线了。

声音的传播

我们能听到声音,主要是耳朵接受了物体的振动。物体的振动在介质中传播,最终传入耳朵,使耳膜发生振动,然后传递到听神经,人就听到了声音。

平日里,我们说话时,声音是在空气中传播的,但声音也可以在固体中和液体中传播。那么,声音在空气中、在水中和在固体中传播,哪个传得更快呢?

经科学家测定,声音在固体和液体中的传播速度通常都比在气体中快得多,在零度时,声音在空气中的传播速度为332米/秒,在水中的传播速度为1450米/秒,在海水中的传播速度为1500米/秒,在钢中的传播速度为5050米/秒,而在地幔岩石中可达到8000米/秒以上。

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