林老师总结生活物理第二部

钢笔上的小洞•钢笔是一种能随身携带的书写工具，用起来很方便。不过有的时候你打开笔套，笔尖附近的笔杆上常常沾上了墨水，一不注意就弄脏了手指。这时，你也许会埋怨钢笔的质量太差。其实，发生这种毛病并不都是由于产品质量不好。懂得物理知识的人，只要取一根细针把笔套上的小洞孔捅一捅，问题就解决了。原来，钢笔漏水常常是因为这个小洞被脏东西堵塞了。钢笔插在衣兜里，温度不断升高，笔管内原有的空气受热膨胀，可是由于小洞被堵住，无路可走，管内空气的压强便不断增大。当你打开笔套时，笔尖周围的空气压强突然减小，而笔杆里的压强还是那么大，因此就把墨水挤压出来了。有的钢笔，套子上并没有小洞，但是并不漏水。这又是怎么回事？这是因为这种钢笔的笔套内壁没有螺纹，而是用弹簧片来卡住笔杆。弹簧片之间的空隙就起到了“小洞”的作用。这种小洞的作用，在很多日常用品上都是少不了的。过山车中的物理学•为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低•下降的感受在过山车的尾部车厢还是车头感受最为强烈让鸡蛋站起来据说，一次吃饭时为一个问题有人责难哥伦布没有什么了不起的大发现。哥伦布从盘子里取出一只熟鸡蛋问，谁能让它立起来？无人应战。哥伦布说“我能”，把鸡蛋在桌面上一墩，鸡蛋立住了。这个故事应该说，讲的是脑筋急转弯，是个逻辑问题，因为大家下意识的前提是鸡蛋不能损坏，而哥伦布的要求中并没有明确限制这一条。不磕破蛋皮，没有其他辅助工具，你能使鸡蛋站立起来吗？这个问题由来以久，十九世纪一位很有成就的物理学家发现，把一个鹅卵石快速旋转，它会在旋转时一个尖端着地而立起来，好象一个芭蕾舞演员。这个现象怎么解释，难倒了当时一大批一流的物理学家。如果你没有鹅卵石，而是拿一只煮熟的鸡蛋，就很容易做成这个实验。生鸡蛋是不成的，里面的蛋清、蛋黄等液态的东西由于惯性，不随外壳一起转，所以这就成为鉴别生鸡蛋和熟鸡蛋的方法。可是一只熟鸡蛋躺着放，如果你拨动它使它快速转，它就会慢慢立起来。六万吨重量压塌世贸中心•人们不明白，一架飞机怎么就会“轻松”地摧毁一座摩天大厦？更令人不解的是，飞机撞击大楼之后，双子楼却先后坐塌？有专家认为是飞机撞击所致，也有人撰文认为飞机撞击大楼，飞机燃油泄露引起火灾引起钢结构失效；还有专家认为是飞机撞击楼体后，油箱着火引起二次爆炸产生的巨大能量摧毁了双子楼。我国著名的灾难事故克星、中国工程院院士、北京航空航天教授钟群鹏却不完全同意上述的观点。钟教授说可以从飞机撞击大楼产生的力来判断是不是撞倒的，从世贸中心塔楼的设计看，楼体抗撞击能力是毫无问题的。世贸的楼体是个钢架结构，两座高楼的中间是个方柱子，一直从地下延伸到空中，每个层面有网络式的横条，鼠笼式结构可以从钢度、强度上抗击8级地震、12级台风。波音767飞机整体的重量(包括携带的航空燃料、机组人员和和乘客)有150吨，波音767的巡航速度为850公里／小时，撞击世贸大楼的飞机当时的飞行高度在300至350米，属于超低空飞行，它的飞行速度在500至600公里／小时，也就是说，这架飞机撞击时的速度为150米／秒，每秒飞行150米。从电视画面看，飞机没有穿透大楼，这是因为飞机被大楼内坚固的钢结构拽停，使飞机的速度降到零。飞机从每秒150米的高速运动到停止，是在力的作用下完成的。就好像我们骑自行车，使劲蹬就能骑得快，握紧刹车，给它反方向的力，自行车就减速、停止的道理一样，力可以改变物体运动的速度。速度的变化就是物理学上所说的加速度，根据加速度的大小，我们也能计算出物体受力的情况。那么波音767飞机当时的加速度是多大呢？看看钟教授是怎么为我们分析的。首先要计算飞机从150米／秒的高速到0米／秒(停止)用的时间，波音767的机身长度是50米左右，世贸楼宽不超过一百米，飞机没有从大楼里蹿出来，就是说在大楼内的速度降为零，从速度150降到0，飞机在楼内运动的距离大约为飞机的机身长50米，假设飞机在匀速运动，那么飞机所用的时间为1／3秒，这样就能知道飞机的加速度，根据F＝Ma，把飞机的重量150吨与飞机的加速度相乘，可大约知道飞机撞击大楼所产生的力，根据计算，这个力的大小不超过7500吨。7500吨的力能产生多大的破坏作用？这样的力充其量可把世贸的表皮撞破，不会伤害大楼的筋骨。燃料爆炸是罪魁祸首吗？钟教授认为，恐怖分子劫持波音767，他们看中的就是767两翼下的两个“航空煤油”炸弹，767油箱可以装48至60吨航空煤油，被劫持的波音767当时已经飞行了1小时40分钟，用去的燃料仅两吨左右。飞机撞进世贸后油箱破裂，航空燃料会发生三种变化，一部分汽化，一部分渗透，还有一部分会不完全燃烧。从电视画面看，世贸中心升起的滚滚浓烟表明，部分航空燃料发生了不完全燃烧。汽化了的燃料有可能会引起空气爆炸，因为航空燃料挥发性非常好，泄漏的燃油有条件使空气迅速达到临界浓度，产生空气爆炸。如果真的产生了空气爆炸，世贸的两座楼或许能幸存。从电视画面得知，第一架飞机撞在世贸410米高楼顶端1／5的高度，燃油爆炸产生的能量足以把大楼顶部全部炸掉，但我们能依然清晰地看到楼标完好无损，大楼顶端齐刷刷垂直落下的场景。从现场看爆炸模式的可能性不大。找出世贸坐塌的科学模式钟教授认为分析要从三方面着手，首先看基本事实是什么，在确定基本事实之后，进行模式分析，然后再进行因素分析。9.11事件的基本事实有，大楼是鼠笼式的钢结构；飞机撞击后大楼烧了近一小时；坍塌的方式是坐塌；仍保存了部分残楼。从计算的数据说，飞机撞倒的模式可以排除，从现场看空气爆炸的模式也不成立。那么能正确科学解释9.11事件的模式是什么呢？钟教授说空气爆燃模式能给出正确答案。当初建世贸时采用的是什么型号的钢目前还不清楚，但无论低碳钢还是锰钢，它们共同的特点是高强度，抗压、抗拉，低碳钢每平方毫米能承受的力超过27公斤，16号锰钢则能达到37.5公斤。高强度的钢结构保障了世贸大楼每天能安全承受几十万人在里面工作、游览。钢在耐热方面的能耐却不怎么样，钢在100至150摄氏度开始软化，温度达到1143摄氏度就能熔化。基于以上的事实，钟教授认为科学解释9.11灾难的模式应为：飞机撞击———燃油起火———不完全燃烧(浓烟)———钢结构软化———部分燃油挥发———超过临界温度———爆燃———坐塌。从美国媒体的数据分析，目前倒塌大楼的废墟重达30万吨，世贸大楼1／5楼体坐塌后的重量粗算有6万多吨，6万吨的力足以压塌整个楼基，楼基破坏后整个楼的基础被毁，世贸47号楼就会像定向爆破那样轰然倒下。流体的阻力•气体和液体都具有流动性，统称为流体.物体在流体中运动时,要受到流体的阻力,阻力的方向与物体相对于流体运动的方向相反.汽车、火车、飞机等交通工具在空气中运动，要受到空气的阻力.快速骑自行车，我们就会感到空气的阻力.轮船、潜艇在水面或水下航行，要受到水的阻力.鱼在水中游动，人在水中游泳，都要受到水的阻力.流体的阻力跟物体相对于流体的速度有关，速度越大，阻力越大.雨滴在空气中下落，速度越来越大，所受空气阻力也越来越大.当阻力增加到与雨滴所受重力相等时，二力平衡,雨滴开始匀速下落.大雨滴比较重，与重力相平衡的空气阻力要比较大，雨滴速度较大时才能达到平衡.所以大雨滴落地时速度较大，小雨滴则缓慢地飘落到地面.流体的阻力跟物体的横截面积有关，横截面积越大，阻力越大.跳伞运动员在空中张开降落伞，凭借着降落伞的较大的横截面积取得较大的空气阻力，得以比较缓慢地降落(图1).航天飞机着陆后，在飞机后面张开一面类似降落伞的装置，加大阻力，以便较快地停下来(图2).流体的阻力还跟物体的形状有关系，头圆尾尖的物体所受的流体阻力较小，这种形状通常叫做流线型.鱼的形状就是流线型.为了减小阻力，小轿车、赛车、飞机、潜艇，以及轮船的水下部分，外形都采用流线型(图3)一般来说，空气阻力比液体阻力、固体间的摩擦要小.气垫船靠船下喷出的气体，悬浮在水面上航行，阻力减小，速度很大(图4).磁悬浮列车靠电磁力使列车悬浮在轨道上行驶，速度高达500km/h.这种列车正处于试验阶段.球出手的角度应该是多少•将物体以一定的速率斜向上抛出，如果空气阻力可以忽略，则仰角为多大时抛出的距离最远？上面问题的答案为45°。但是，推铅球的情况不同，铅球的抛掷点不是在地面上，而是离地有一段高度。所以，以同一出手速率作45°及40°仰角抛掷，当落回抛掷点同一水平面时，水平距离以45°者较大。但是，当它们落到地面时，水平距离却可能是40°通过复杂的计算，可以得到以下的结论：推铅球获得最大的距离，其出手的仰角应小于45°。这角度随铅球出手速度的增大而增大，而随出手高度的增大而减小。对出手高度为l.7米～2米，而出手速度为8米／秒～14米／秒的人来说，出手仰角应为38°～42°。至于其他投掷类，受空气的作用力影响较大，各有不同的最佳仰角。例如掷铁饼为30°～35°；标枪为28°～33°；链球为42°～44°。人靠什么走路•在平坦的马路上，谁都可以迈开大步向前走。一个健康的人，走路并不是什么难事，因而也没有想过人是靠什么走路的。听了这个问题，有的人会觉得好笑。人只要有气力，抬腿，迈步，不就可以往前走了吗？而事实上，问题并不那么简单。请你试一个动作：挺直身体，背贴着墙站在地上。把一只脚抬起来，向前迈步，只要身体不离开墙壁，这只脚是跨不出去的。如果抬起来的脚向前迈出去一步，那末，回头一望，身体已经离开墙壁。这说明，身体向前移动了。人身体向前移动的时候，一定依靠了一种外力。或者说，是这种力推着人前进的。如果这种外力比较小，走路就会遇到困难，比如，在光滑的冰面上，人们就不敢迈大步，而只能小心翼翼地挪动双脚。现在，请你回答，后脚蹬了一下地。从物理的角度来分析，那是人体给了地面一个向后的力，与此同时，地面也给了人体一个向前的力。正是这个力把人体向前推了一下。脚蹬地面，这是作用力；地面给人体一个向前的力，这是反作用力。这个反作用力表现为摩擦力。在一般情况下，作用力和反作用力正好相等，因此，我们走路并不觉得困难。可是，人在冰面上走，冰面过于光滑，给人的摩擦力要小得多。这样，如果你仍然像在地面上走路那样使劲，向后蹬的力与摩擦力不平衡，后脚要向后滑，人就会跌跤。失重和宇宙开发•人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机进入轨道后，其中的人和物将处于失重状态．可以认为是绕地球做圆周运动，做圆周运动的物体，速度的方向是时刻改变的，因而具有加速度，它的大小等于卫星所在高度处重力加速度的大小．这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似，航天器中的人和物都处于完全失重状态．你能够想象出完全失重的条件下会发生什么现象吗?你设想地球上一旦重力消失，会发生什么现象，在宇宙飞船中就会发生什么现象．物体将飘在空中，液滴绝对呈球形，气泡在液体中将不上浮．宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服，走路务必小心，稍有不慎，将会“上不着天，下不着地”(下图)．食物要做成块状或牙膏似的糊状，以免食物的碎渣“漂浮”在空中进入宇航员的眼睛、鼻孔……．你还可以继续发挥你的想象力，举出更多的现象来．你还可以再想一想，人类能够利用失重的条件做些什么吗?下面举几个事例，将会帮助你思考．这里所举的事例，虽然还没有完全实现，但科学家们正在努力探索，也许不久的将来就会实现．在失重条件下，融化了的金属的液滴，形状绝对呈球形，冷却后可以成为理想的滚珠．而在地面上,用现代技术制成的滚珠，并不绝对呈球形，这是造成轴承磨损的重要原因之一.玻璃纤维(一种很细的玻璃丝，直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件．在地面上，不可能制造很长的玻璃纤维，因为没等到液态的玻璃丝凝固，由于它受到重力，将被拉成小段．而在太空的轨道上，将可以制造出几百米长的玻璃纤维．在太空的轨道上，可以制成一种新的泡沫材料棗泡沫金属．在失重条件下，在液态的金属中通以气体，气泡将不“上浮”，也不“下沉”，均匀地分布在液态金属中，凝固后就成为泡沫金属，这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢，用它做机翼，又轻又结实.同样的道理，在失重条件下，混合物可以均匀地混合，由此可以制成地面上不能得到的特种合金．电子工业、化学工业、核工业等部门，对高纯度材