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第6章 生活中的力学知识(2)

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,突然一声巨响之后,飞机从高空栽了下来。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。

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,突然间“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,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,究其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件,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已经算很幸运的了。

“香蕉球”是怎么踢的?

如果你经常观看足球比赛的话,一定见过罚前场直接任意球。这时,通常是防守方若干个球员在球门前组成“人墙”,挡住进球路线。进攻方的主罚队员,起脚一记劲射,球绕过“人墙”,眼看要偏离球门飞出,却又沿弧线拐过弯来直入球门,让守门员措手不及,眼睁睁看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。

为什么足球会在空中沿弧线飞行呢?原来,罚“香蕉球”的时候,运动员并不是用脚踢足球的中心,而是稍稍偏向一侧,同时用脚背摩擦足球,使球在空气中前进的同时还不断地旋转。这时,一方面空气迎着球向后流动,另一方面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢。

物理知识告诉我们:气体的流速越大,压强越小。由于足球两侧空气的流动速度和对足球所产生的压强也不一样,于是,足球在空气压力的作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯,香蕉球就这样产生了。

乒乓球中,运动员在削球或拉弧圈球时,球的线路会改变,道理与“香蕉球”一样。

地铁与引力

当旅客走到凹面站台的边缘时,那一节节紧紧环绕着站台飞速行驶的列车的速度,和旋转着的凹形站台速度相同。

旅客在这样的站台上感觉不出列车在行驶,就象平常在地面上火车一样,安然上车,不会有一点危险。下车的旅客也如走平地似的走到凹面站台的边缘,然后稳稳地走下站台中心,乘升降机至天桥出站。

假设从北京到广州这两大城市地下挖一条笔直的隧道相通,在隧道中铺设铁轨,如果不计摩擦力和空气阻力的话,一辆不用燃料的自动列车会在这条地下铁路上行驶。这为什么呢?原来列车受到地心的引力,而这一引力可以分解为两个分力,第一个分力是垂直于隧道的,它使列车对铁轨产生了压力,因为不计摩擦,所以引力的这一分力对列车的运动没有关系。第二个分力是沿隧道方向的,列车在引力分力的作用下,即可沿铁轨运行。

一开始列车速度很小,但在第二个引力分力的作用下是做加速运动的,运动的速度越来越快,当列车到达隧道中点时,它的速度比炮弹还要快几倍。

过了中点以后,地心引力沿隧道的分力与列车运动的方向相反,速度就逐渐慢了下来,等到达隧道那一头地面时,列车的加速度降为零。到站后,必须以自动化装置及时将列车卡住,等旅客上下完毕后,再把它松开,列车又因地心引力的原因而返回。在这个地下列车里从北京到广州所需要时间和穿越无底洞所用的时间一样。

不仅从北京到广州是这样,从北京到乌鲁木齐、从纽约到巴黎,从地球上的某一地方到任何地方都可以挖通一条隧道,不管彼此之间路途远近,载重多少,都用秒的时间完成全程的旅行。

这种不用牵引的列车是一种无法实现的“永动机”。因为摩擦力和空气阻力是不会不阻止列车前进的。

乘坐这辆自动列车的人,同时受到引力的轨向分力和惯性力的作用,这两个力大小相等,方向相反且相互平衡,因此车厢里的旅客呈现失重状态,既然失去了重量,也就无法辨认上下了。

奇妙的气垫船?

船是水上重要的交通工具,它是离不开水的。可是你知道吗?有一种神奇的船,它不管是在水面上,还是在陆地上,或者是在沼泽地里,只要表面比较平,它都可以行驶,这就是气垫船。

气垫船是怎么回事呢?它为什么可以离开水面在地面上航行呢?在它的船底四周设有环形喷口,气流从喷口向外倾斜地高速喷出,由于水面的阻挡,气流在船底积聚形成气垫,并产生一股强大的升力,把船托离水面。由于物体同空气的摩擦要比物体同水的摩擦小得多,气垫船向前运动时只受空气阻力,所以它能在水面上高速滑行。它的速度比普通船要快几倍,目前世界上大型气垫船载客可达上千人,时速达300千米/时。

人们还在设想制造载重5000吨的巨型气垫船,以原子能为动力,只要24小时就可从欧洲越过大西到达美国,看来气垫船的发展有着巨大潜力和广阔前景。气垫船在我国也投入了使用,1979年在广州与香港之间开辟了气垫船航线,1989年又在上海的吴淞与崇明之间开辟了气垫船航线。

气垫船是英国的船舶设计师——科克莱尔在1959年首先发明设计制造的。

一种全垫升气垫游艇具有良好两栖性和越野性能,具有良好的通过性,能航行于水面,冰面、沼泽地及陆地(草地)等区域。

郑州号水陆两栖气垫船是我国第一艘用于旅游的气垫船。气垫船是高科技的结晶,顾名思义,它是由船下的大型鼓风机向船身下充气,使般下产生一个巨大的气垫,把船身向上抬高20~50公分,船体借助船后两个巨型螺旋浆产生的推动力,使船向前行进。

一望无际的黄河滩地坎坷不平,汽车在这里无法行驶,一般船只在这里搁浅,唯有气垫船畅通无阴,运行自如。黄河的一大特征是险情丛生,在黄河平静的河面下隐藏着无数的浅滩、暗滩,宽阔的河面无船出现,正是“黄河自古难行舟”的写照。但郑州号气垫船实现了零的突破,在河面上乘风破浪,自由飞翔。

风车中的力学

300多年前,西班牙著名作家塞万提斯写了一本书叫《唐·吉诃德》,书中的主人公唐·吉诃德带着他的仆人桑丘,在旅行途中发现了一个旋转的怪物,唐·吉诃德和桑丘以大无畏的精神冲了上去,几次冲锋都以跌得头破血流而告终。这位不可一世的高贵骑士在怪物面前不得不低下了头,这个“怪物”就是当时西班牙的风车。

风车是10~11世纪在德国出现,12世纪开始流行,16世纪荷兰成了风车之国,开始用来汲水围海造田,后来用来碾磨谷物。我国使用风车肯定在德国之前,在唐·吉诃德时期,我国是明朝,风车已相当普遍,宋应星的《天工开物》上记载:“扬群以风帆数扇,俟风转车,风息则止。”

风车是儿童们经常用来作玩具的原型,风车玩具的种类多,北方的风车玩具往往比较简单,但色彩华丽,江南的风车玩具制作精良,外型像自行车轮,被风一吹好看极了。

世界上的风车大同小异,但在华北大沽、塘沽一带,有一种走马灯式的立帆风车。据说这种风车在世界上是独一无二的。

刘仙洲先生在《中国机械工程发明史》上对走马灯式立帆风车作了这样的描述:“它是一个立轴圆架,圆架上挂满多个布帆,风来使帆像走马灯那样旋转,立轴通过齿轮把力传出,可以抽水、磨米。”电影《柳堡的故事》画面上出现的风车就是走马灯式立帆风车。

这种风车是利用船帆的原理又结合风车旋转周而复始的规律,创造出不同位置最大限度的利用风力:在风车右边的帆,全部利用风力,推着风车逆时针旋转,在风车左边的帆,让风力顺利通过。

风车转动时,任何一个帆转到右边时承受风力,推着风车转,转到左边时,把风全部放走,风车就是靠着众多的帆时而工作时而休息,推得风车不停地转。

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