1.駿馬拉銅球
17世紀間,德國的物理界一直在爭論這樣一個問題:氣體到底有沒有壓力?那時,正任德國馬德堡市市長的葛利克是一個非常熱愛科學、喜歡探求真理的人。他本身是一個極為博學的軍人,而且讀過法律、力學與數學、哲學的大學專業。1631年,葛利克入伍,並在軍隊中擔任了軍械工程師一職,其工作表現極為出色。後來,葛利克投身於政界,並於1646年被推選為馬德堡市市長。不管是身在軍旅,還是在市政府中,葛利克從來沒有停止過對科學真理的探求。
跳躍的馬
駿馬
當時,意大利的物理學家托裏拆利堅持認為大氣中存在壓力,但是很多人卻不相信,並對他進行了無情的嘲笑。在1654年,葛裏克聽說了托裏拆利的事情,並聽說很多人都不相信空氣中存在大氣壓。之後,他了解到,各個地區對此擁有不同意見的學者們關於“空氣中是否存在大氣壓”的問題進行了激烈的爭論,而且誰也無法拿出真實的證據來說服對方,而主張大氣中存在氣壓的托裏拆利便成了反對派的主要對手。聽到無知者對托裏拆利的嘲笑,遠在德國的葛利克非常氣憤。
他急急忙忙地找來了玻璃管子與水銀,重新做起了托裏拆利所做過的“水銀氣壓實驗”,在重複過托裏拆裏的實驗步驟之後,他斷定這個實驗所得出的結論是準確無誤的。然後,他又將一個呈現為完全密封狀態下的木桶中的空氣完全抽走,在抽到了一定程度之後,木桶便“砰”的一聲被大氣“壓”碎了。
在確定托裏拆利的結論是正確的之後,葛利克下定決心要使人們都了解“大氣中存在壓力”這一事實。他與自己的助手做成了兩個直徑為14英寸(約為30多厘米)的半球,並出錢請了一大隊的人馬,在市郊做起了有關於大氣壓的實驗。
1646年5月8號當天,馬德堡市到處一片風和日麗、晴空萬裏的爽朗模樣,一大群人圍繞在實驗場上,熙熙攘攘地進行著討論。有些人認為葛利克市長一向知識淵博,他所決定的事情肯定是對的。有些人卻斷言實驗一定會失敗,並等著要看葛利克丟臉。街上還有些孩子一邊從城市的大街小巷往實驗場中跑,一邊高聲地大叫道:“市長變馬戲團了!快去看啊,由市長主演的馬戲!”
實驗開始之後,葛利克與助手當著眾人的麵將這個由黃銅所製成的半球殼中間墊上了一圈橡皮圈,並把兩個半球殼灌滿了水後合在了一起。之後他們將球體中的水全部抽了出來,使球內形成了真空。最後,將氣嘴上的籠頭擰緊並封閉。這時,周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在了一起。
葛利克與助手對視了一下,他們知道,準備工作已經完全就緒了。葛利克一揮手,馬個馬夫牽來了八匹極為高大的馬,馬夫依照葛利克的命令,在球的兩邊各拴上了四匹。葛利克一聲令下,四個馬夫立即揚鞭催馬,使八匹馬分別背道而拉,就如同在拔河一般。
實驗場上黑壓壓的人群極為興奮,他們還從來沒有看過這麼別出生麵的拔河。“加油!加油!”興奮的人們一邊整齊地喊著口號,一邊打著拍子。
不一會兒,4個馬夫、8匹大馬都累得全身是汗。但是合在一起的銅球卻依然是原封不動的樣子。葛利克看著體力漸漸不支的馬夫,隻好搖搖手,讓他們暫時休息一下。
休息好了之後,葛利克又下令新增4個馬夫與8匹大馬加入這場拔河比賽。再一揮手,實驗場上變得更加熱鬧了。16匹大馬在馬夫的皮鞭下使勁地往兩邊拉,實驗場上的人群更是伸長了脖子,驚異地看著紋絲不動的大銅球。
突然間,“啪”的一聲巨響,銅球分開成了原來的兩半,葛利克走向前去,自豪地舉起這兩個重重的黃銅半球,向在場的人們宣告道:“先生們!女士們!你們現在還懷疑嗎?這個世界上是存在大氣壓的!而且這種大氣壓的力量是如此驚人!……”
實驗結束之後,葛利克的身邊圍滿了一些想要一探究竟的人,他們不明白,這兩個半球為什麼竟然會拉不開。葛利克微笑著告訴大家:“平時,我們把兩個半球緊密地合攏在一起,但是它們還是會分開,這是因為球裏球外都有大氣壓,使得相互之間的力量呈現為抵消平衡的狀態,就如同沒有大氣壓一樣。但是今天我們把球體裏麵的氣壓抽成了真空狀,球內沒有有向外的大氣壓,球外的大氣壓緊緊地壓住了這兩個半球,我們自然無法輕易地將它們分開了。”
在這次實驗之後,人們終於慢慢地相信,這個世界真的存在真空與大氣,而且大氣有著驚人的壓力。但是人們不知道的是,為了完成這次實驗,葛利克市長竟然花費了4千英鎊!
故事啟示:
如果我們在平日時留點心的話,便會感覺到氣壓的存在。比如,在我們登山的時候,會出現頭暈、心跳加速、呼吸變急的症狀;又比如說,人體通過肺部吸入氧氣,又呼出二氧化碳,這本身便是反映人體與氣壓之間關係的現象。。
由於空氣中的氧氣壓力比血液中的要高,所以,氧氣會往動脈中滲透,再通過血管帶到全身各處。而靜脈中的血液中,二氧化碳的壓力要比空氣高出很多,所以便鑽出血管、跑到肺泡中呼出來。
但是在人們登上高山時,這一情況卻正好相反。隨著高度的增加,空氣中的氧氣逐漸地減少,動脈血液中的氧氣壓力比外界高,氧氣無法進入人體。所以一般人在到海拔600米左右的高度時,便會感覺到呼吸困難、心跳加速、頭暈等各種不適症狀。
2.驚險的順手抓住子彈
你相信嗎?用手竟然可以抓住子彈!
第一次世界大戰期間,一位法國飛行員正在2000米的高空執行任務。突然間他發現自己的臉旁邊有一個小東西正在四處遊動著,這隻看上去像是小昆蟲一樣的東西使他無法安心飛行,於是他便順手將其抓了起來。抓住這隻東西之後,飛行員打開手掌,卻吃了一驚:在自己手中的並不是什麼小昆蟲,而是一顆熱乎乎的德國子彈!飛行員非常慶幸,還好自己帶了手套,不然,就算這顆子彈沒有把自己射傷,它自身的高溫也會將自己燙傷的。
子彈行徑圖
無獨有偶,在德國著名的故事《敏豪生奇遇記》中,主人公敏豪生伯爵也曾經用兩隻手抓住過正在飛行中的炮彈。這種事情真的存在嗎?我們是否應該相信?
故事啟示:
事實上,子彈在打出之後,並不是始終按著每秒鍾800~900米的初速度前行的。空氣中阻力的存在會使子彈的飛行速度一點點的慢下來,在一段時間的飛行後,他跌落之前的速度很可能隻有每秒40米。
而這個速度就連最普通的飛機也可以達到。因此,很可能會有這種情況出現:飛機不僅與子彈的飛行方向相同,而且兩者的速度也相同。那麼,這顆子彈對於同速度下飛行的飛機駕駛員來說,便相當於靜止不動,或者隻是有稍微的移動。如果飛行員想的話,順手便可以將其抓住。
另外,由於空氣中有阻力存在,所以在子彈穿過空氣時,會產生大量的摩擦,有時候這種摩擦甚至會達到100℃的高溫!如果故事中的飛行員沒有帶手套的話,很可能會將他的手燙傷。同理,在德國故事中,敏豪生伯爵也是如此抓住正在飛行中的炮彈的。
3.自行車為何不倒
自行車
自行車在現代社會已經成為了人們重要的代步工具,但是鮮有人知道,到底是誰發明了自行車。德國一個叫德萊斯的看林人,由於每天都需要走很長一段的路去看護森林,於是便想要發明一種交通工具。他看到馬車的輪子之後,想:如果人可以坐在輪子上的話,那不是可以使速度大大加快嗎?就這樣,德萊斯開始正式設計與製造自行車。他先是用兩個木輪、一個鞍座和一個安在前輪上可以起到控製作用的車把,製作成了一個最簡單的輪車。人隻需要坐在車上,用雙腿不停地蹬動著,便可以驅動木輪運動。就這樣,世界上第一輛自行車正式問世了。
1817年,德萊斯第一次騎著自己親自製作出來的輪車出行,卻在一路上受盡了人們的嘲笑。但是德萊斯卻信心百倍,他認為自己所創造的這種交通工具總有一天會讓他們刮目相看的。後來的一次比賽中,德萊斯騎車4個小時通過的距離,馬拉車卻用了15個小時。
在1839年,蘇格蘭人麥克米倫發明了腳蹬,並將其裝在了自行車的前輪上,從而使車的性能大大地提高了。幾十年後,自行車的外觀與性能都得到了極大的改進與發展。
日本的自行車不倒翁
為什麼騎自行車不會摔倒?我們知道,現實生活中,物體之所以會呈現為靜止狀,是因為其合外力為零。自行車在垂直平麵的內合外力狀態下為零,所以才會保持行進中的不倒。在垂直平麵內的自行車會受到重力與支持力的作用,支持力會隨著車偏離垂直麵的夾角的增大而減少。但是在自行車運動起來後,處於垂直平麵內靜止狀態下,自行車在垂直平麵內的受力真的就隻有這兩種嗎?是否還有其他力量在支撐著自行車不倒下?
當自行車豎直放於地麵的時候,通常自行車與地麵的垂麵會呈現為微小的角度,從而使地麵對車的支持力大大小於重力,使車要向下運動,但是由於車在運動中會產生力,所以自行車在摔倒時的痕跡會呈現為弧狀。
當自行車在人的控製下前行時,會產生一個新的力量——摩擦力。摩擦力的存在與車輪的彈性兩者共同作用下,會產生一種垂直方向上的力,對支持力進行向上的彌補,使得垂直方向上的合外力為零。
如果你還是不了解這種新力是如何產生的話,你可以參照一下球類以及一些彈性物體的一個特有現象:如果把氣球水平地放在桌麵上,兩隻手隻在水平方向對氣球進行擠壓,你的手會感覺到一個呈現為垂直向上的力。所有的彈性物質或者多或者少的都會存在這一特性——力與力之間的相互傳遞性,而自行車的車輪也同樣是如此。由於分子間力的相互傳遞可以呈現為不同方向,當一個分子打在兩個分子之間時,這兩個分子便會向上、下兩個方向不停地運動,而其他的分子之間的蹦擊也會使力能呈現為四處傳遞狀。這些力會最終令球類物質發生變形,當有物體對其變形過程產生阻止時,球類物質便會獲得一個與接觸麵完全垂直的人力。如果變形過程沒有物質阻擋的話,球類物質便不會受到力。
自行車垂直放於水平麵上時,很少有可以令其不倒。隻有在絕對的運動狀態下,車子才不會倒下。在運動過程中,摩擦力擠壓車輪,使車輪發生了變形,而車輪的變形是呈現為四麵八方的,處於下方的車輛會對地麵產生擠壓,並產生一種向上的力。而這一力量正是自行車不倒的原因。
所以,豎直方向上合力為零是保持自行車不倒下的原因。但是其中也有一難點,便是支持力的變化因素。當自行車呈現為斜放狀態時,支持力會減少,原本是向下運動的,但是摩擦力的產生使得自行車最終繞著接觸點開始做圓圈運動。
當自行車運動起來的時候,輪胎的擠壓而產生的力是向上的,這使得總體的合力為向上狀。有些人認為這種力量非常大,但事實上卻未必如此。自行車的傾斜角度很小時,向下的合力也非常小,隻不過越到後來,角度越大,合力也會呈現為越大,當合力到達一定程度的時候,車子便會倒下。但是一般情況下,在自行車發生了傾斜的時候,我們便會把它扶正。
另外,車輪擠壓程度的大小也是由空氣阻力來決定的,車的速度越快,空氣中所產生的阻力也會越大。合力向上時,當向會向上運動,到達最上麵的時候,車子便會與地麵呈現為垂直狀。所以,一般情況下我們所看到的自行車都是垂直地向前行駛的。
故事啟示:
但是我們還有一種感覺:在調整騎車的時候,總是會有種車子比剛剛起步的時候更為穩定,這又是為什麼呢?
其實,自行車本身的平衡機製來自於前叉後傾。如果你仔細觀察過自行車的話,便會注意,幾乎每一輛自選車的車把軸都並非與地麵呈現為完全垂直狀,而是後的傾。由於前輪一直固定於車把的前叉上,因此又被叫做前叉後傾。前叉後傾會使車輛轉彎時產生的離心力和其自身所形成的力矩方向,與車輪偏轉方向相反,從而迫使車輪在發生偏轉後自動地恢複到原來的中間位置上。如此一來,車子便會有了自動回正的穩定性。車速越快,它所造成的恢複力矩便會越大,騎車人便會感覺到越為穩定。這便是為什麼我們在快速地騎車時,會感覺車子比剛剛開始騎的時候更加穩定的原因。
4.章魚與真空吸盤
普通章魚
章魚生活於水中,它的形狀非常奇特,由於章魚的八隻長腳看上去活像八條帶子,所以人們也將其稱為“人帶魚”。不要看章魚的名字中有一個魚字,其實,它並不是魚,而是一種貝類。
章魚強而有力的腳與吸盤是它可以在殘酷的海底世界生存下來的重要武器,在海洋中,很多與章魚大小差不多的動物都對它的吸盤與腳極為畏懼。據說,一種北太平洋地區的章魚的腳足足有3米長!它甚至可以利用吸盤吸附於小艇上,將小艇掀翻。如果是潛水員不幸遇到了這種章魚的話,往往也很難逃生。
在章魚的腳上,長著強而有力的吸盤。它們平日裏便靠著這種吸盤來抓取食物,維持自身的生存。平日裏,章魚非常喜歡人類所造的各種器皿,吸附於其中不出來。人們在了解到章魚的這種怪癖之後,在它的身上得益非淺。
希臘的克裏特鳥是海上運輸的一個重要中轉站,由於長年有裝煤的船隻頻繁地來往裝卸,海底堆積了厚厚的一層煤。漁民們經常會把章魚抓過來,拴上長繩子之後將其丟入海中,讓章魚去海底抓煤塊。過一會兒之後再把繩子拉上來,便可以得到海底的那些煤塊了。
據說,上世紀一艘屬於日本皇室的船滿載著來自於朝鮮的貴重瓷器在日本海上沉沒,盡管人們知道準確的沉船地點,但是由於當時的潛水技術還沒有那麼先進,於是,人們便向章魚求助。
熒光章魚
人們抓了許多章魚,並在它們的身上係上細繩,之後將其投入大海,直至沉入海底,章魚天生喜愛洞穴,看到了瓷器之後便鑽進去。隨後,人們將繩子拉起來,而頑固的章魚則將瓷器吸得死死的不肯放手,於是,一個個貴重的瓷器便被拉了上來。
章魚抓煤塊與瓷器靠的是腳上的吸盤,章魚吸盤的構造與中國傳統醫學上治病所使用的拔火罐極為相似。拔火罐中的燃燒物將罐中的氧氣完全消耗盡,從而使罐內外產生了巨大的壓力差,從而使拔火罐強而有力。而章魚則是利用了肌肉的收縮能力將吸盤中的水排出,使吸盤內外的壓力差出現,從而產生強大的吸力。章魚的吸盤有著極為強大的吸附能力,有時候甚至可以吸住比自己重幾十倍的東西。