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第398章

中华学生百科全书-第398章

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度。在飞机设计中,飞机的速度就是用马赫数来表示的。马赫数 M=1 表示速
度等于音速,M>1 为超音速,M<1 为亚音速。当一个超音速飞机飞过上空时,
我们都有这样的经验:当听到飞机的声音传到耳朵时,抬头一看,飞机已经
飞向前方老远了,这就是声音的传播速度滞后于飞机的速度的缘故。

由《梁祝》想起的

你一定听过协奏曲《梁祝》,尖细的音调模仿出祝英台的唱腔;而深沉
的音调模仿出梁山伯的唱腔。
类似这样用乐器模仿人的演唱的例子很多。比如,唢呐也可以模仿河北
梆子的唱腔,还有一种特制的胡琴,可以模仿京剧演唱。
但是,你是否发现,不管演奏家的演技多么高超,总还是与真人唱得不
一样。这是为什么呢?
这是因为乐器只能在基频、节奏上与真人的演唱保持一致,却不能在整
个声波的波形上、在更丰富的音色上和演员的唱腔一致。所以无论如何只算
得上是一种“模仿”而已。

圣诞蛋

人们只听说过“圣诞树”,还没听说过“圣诞蛋”。事情是这样的:圣
诞节夜晚要开一个联欢会,老师要求每个同学准备一样东西来布置会场。同
学们议论纷纷,有的准备挂一条彩带,有的准备挂一帘壁毯,也有的准备放
一只圣诞老人的靴子。小栋和小茜在那里偷偷商量,准备来一个绝的。到了
圣诞节晚会,只见正中央的桌子上放着一只大的金鱼缸,从缸外往里看,只
见缸中水草飘逸,还有许多画着各种图案的彩蛋,在水中沉浮漂落。奇怪的
是那些彩蛋既不漂在水面,也不沉到水底,而是像鱼儿一样,悬在各个位置,
让人看了,真是赏心悦目。你知道小栋和小茜是怎样让彩蛋悬在水中的?
答:配制一定浓度的盐水,使其比重与彩蛋比重一样,这样彩蛋就悬在
水中了。

万有引力

不但地球对它周围的物体有吸引作用,而且任何两个物体之间都存在这
种吸引作用。物体之间的这种吸引作用普遍存在于宇宙万物之间,故称为万
有引力。
万有引力是由于物体具有质量而在物体之间产生的一种相互作用。它的
大小跟物体的质量以及两个物体之间的距离有关。物体的质量越大,它们之
间的万有引力就越大;物体之间的距离越大,它们之间的万有引力就越小。
通常两个物体之间的万有引力极其微小,难以察觉它,可以不予考虑。
比如,两个质量都是 60 千克的人,相距 0.5 米,他们之间的万有引力还不足
0.01 牛顿,而一个蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的 100 倍。
但是,在天体系统中,由于天体的质量很大,万有引力就起着决定性的
作用。太阳系中的 9 大行星绕太阳旋转而不离去,就是由于万有引力的作用。
银河系里的球状星团——由上百万个恒星聚在一起并呈球状的恒星集合体—
—聚集不散,也是由于万有引力作用的结果。
在天体中质量还算很小的地球,对其他物体的万有引力已经具有很大的
影响,它把人类、大气和所有地面上的物体都束缚在地球上,它还使月球和
人造地球卫星绕地球旋转而不离去。重力就是地面附近的物体受到地球的万
有引力而产生的。
大约 300 年前,牛顿综合了当时的天文学和力学成就的基础上,发现了
万有引力定律,揭示了自然界中一种基本的相互作用力。

月球上的奥运会

如果下一届奥运会在月球上举行的话,那么奥运会的大部分纪录都将刷
新,你知道为什么吗?
根据万有引力公式:可得到
g2   =  M2 r1
( )2
g1     M1 r2
其中,M2,r2和 g2分别表示月球的质量、半径和月球表面的重力加速度;
M1,r1;和 g1;分别表示地球的质量、半径和地球表面的重力加速度。
已知:地球质量是月球质量的 81 倍,地球半径是月球半径的 3.7 倍,所
以:
1
g2 =  M2 r1
M1 r2
( )2 g1 =  81(3。7)2  g1≈ 1g1
6
1
也就是说:月球表面的重力加速度相当于地球表面重力加速度的 。
6


由于人的能量和潜力是固有的,但是原来 180 公斤的杠铃,现在只相当
于 30 公斤重的杠铃,于是举重项目纪录要翻上几番;由于人本身的重量也减
轻了,跳高、跳远的纪录也都将刷新纪录。
但是,也有的项目难以刷新纪录。比如游泳,月球上根本没有水;又如
自行车比赛,月球上土质疏松,无法依靠摩擦力而使自行车飞驰。

当一次相扑运动员

日本的相扑可称为一绝,世界上像这样斯文的格斗固然少见,就是相扑
运动员的身材也实在令人惊叹。
你是否想领略一下相扑运动员自身的体验?那么,如果你能到木星上,
你就会成为一个名副其实的相扑运动员。比如,你的质量是 60 千克,在木星
上,你的体重将会是多少呢?(木星的质量是地球的 320 倍,木星的直径是
地球的 11 倍)
答:根据万有引力的公式:

F = f   m·M
(1)
r2
由此,地球上的引力(即物体所受到的重力):

F1 = mg1 = f   m·M1            (2)
R1 2


其中,M1为地球质量,r1为地球半径,g1为地球表面的重力加速度。
相应的,对于木星

F2 = mg2 = f   m·M2            (3)
r2 2


其中,M2为木星质量,r2为木星半径,g2为木星表面的重力加速度。
由(2)、(3)式,得:
g2  =    M2   ·(r2 )2
r1
g1      M1
M2              r1    1
已知:       = 320 ,      =
M1              r2  11
g2          1
所以,
g1   = 320(11)2 = 2。65
又 g1=0.8 米/秒 ,故 g2=26 米/秒
2                    2

木星表面你所受到的重力将是
F2=mg2=60×26=1560 牛顿
这个数值大致相当于相扑运动员在地球表面上所受到的重力大小。

当一次宇航员

尽管宇宙空间已经有人捷足先登,但是人人都成为宇航员还是一件困难
的事。那么有没有办法在地球上造成一种模拟的环境,来重现宇宙中失重的
情况,使人可以体验一下失重的心境和感觉呢?发挥你的想象提出一个方
案,且不去考虑需花费多大的代价。
答:失重模拟是非常困难的。因为在地球上,人始终受到地球引力的支
配。但是,可以找到近似的模拟,或许只有较短的时间来体验失重的感觉。
至少有以下三种方案:
(1)建造一个高 500 米的竖井,可以使舱室从 500 米高处自由落下,当
然在井的底部要考虑水或弹簧的缓冲。由于人随着舱室做自由落体运动,

使其体验到失重的感觉。根据h = gt2,大约可经历短暂的10秒钟。
1
2
(2)建造一个大的中性浮力槽,所谓“中性”是指槽中液体的比重正好
与穿着宇航服的宇航员的比重一致,这样宇航员在水中的行动就犹如在太空
中的行动。
(3)如果你体质非常好的话,可以做一次高空跳伞,在最初阶段不要张
伞,当速度达到一定限度后,空气的浮力与重力平衡,正如空中体操或空中
漫步,那时的感觉就是失重的感觉。

化险为夷

1996 年 5 月 10 日的《北京晚报》登载了如下一则消息:本报讯,5 月 9
日下午,一位 4 岁小男孩从高层塔楼的 15 层坠下,被同楼住户在下边接住,
幸免遇难。
这天下午,家住六里屯 4 号 15 层的刘某出门去倒垃圾,一不留神装有撞
锁的门“咣 ”一声反锁上了。刘某未带钥匙开不开门,时间一长,屋里淘
气的 4 岁小男孩急了,他走到阳台哭闹,随后又骑坐在阳台上。此景被住在
同幢一楼的住户任志庆发现,未等说话,孩子已从高楼坠下。在这危急时刻,
任志庆毫不犹豫地冲上前去用双臂去接。在巨大的冲击力下,孩子被接住后
又坠落在地。后送儿童医院检查,小男孩左大腿骨折和轻微脑震荡,现已脱
离危险。任志庆眼睛负伤,鼻梁骨被砸裂,一只胳膊骨折。当笔者向孩子的
母亲问及此事时,这位母亲泣不成声地说:“多亏了楼下这位好邻居,孩子
伤好后,我要带他去认这位‘再生之父’,记住这救命之恩。”
假设每层楼的高度是 2.8 米,这位青年从他所在的地方冲到楼窗下,需
要的时间是 1.3 秒。按照物理中自由落体运动的规律,4 岁小男孩从 15 层坠
下,下落高度大约是 39.2 米,下落时间大约是 2.8 秒,减去这位青年从他所
在的地方冲到楼窗下所需的时间 1.3 秒,要求这位青年的反应时间不能超过
1.5 秒,才能勇敢地化险为夷,你说对吗?

打滑梯中的学问

一群小朋友,一天去公园打滑梯。由于小朋友有男的、有女的、有胖的、
有瘦的,体重不同,质量也不同。你猜猜看,他们要是都从滑梯上滑下,由
于他们经常打滑梯,熟练极了,无论用什么姿势都能打,坐着打、立着打、
躺着打等,都能顺利滑下。他们滑下的时间相同吗?是不是有人滑得快,有
人滑得慢?跟打滑梯的人站、坐、躺的姿势有关吗?
这个问题确是物理学中典型的斜面问题。小朋友们打滑梯,等于一物体
沿斜面滑下。假设斜面的长为 s,斜面的倾角为θ,斜面上物体的质量为 m,
物体和斜面间的滑动摩擦系数为μ。因此,物体的平行斜面方向上的合外力:
F = mgsinθ  mgcosθ
沿斜面方向合外力产生的加速度,根据牛顿第二定律为:

a =  F  = gsinθ  gcosθ
m
物体由静止沿斜面从顶端滑到底端所需的时间为:

t =   2s =            2s
a       gsinθ  gcosθ
因为 s、g、θ、μ不变,则 t 也不会变。
因此,只要滑梯的长度 s 相同,滑梯的倾角θ相同,同一地点的 g 值相
同,不论小朋友是站着滑、坐着滑、躺着滑等,只要小朋友跟滑梯间的滑动
摩擦系数相同,那么下滑时间、下滑快慢,跟小朋友的质量无关(或体重无
关),跟滑梯的接触面积无关。

摔不倒的小丑

每当看马戏表演时,我们都被台上的小丑逗得哈哈大笑。一顶尖帽子、
一双大皮鞋,以及在台上前仰后合,醉态百出,总像要摔倒的样子,可却总
也摔不倒。这里有什么奥妙?
小丑之所以摔不倒,主要是他的那双大皮鞋保护了他。小丑的鞋很大,
无论他如何跌撞,重心的垂直线都在鞋的支撑面范围内,或者说是在两只脚
之间的连线内。这就保证了小丑的全身(包括衣服、鞋等物)的重力,在竖
直方向的作用线始终都落在一个可靠的支撑面范围内。

两条成语

有两条成语,我们都不以为然、习以为常,而并不去仔细琢磨。那就是
“咬紧牙关”和“一发千钧”。实际上还真有科学根据。
人每天要吃饭咀嚼,所以咀嚼肌会伴随人的一生不停活动。它也是人体
中最强的肌肉。据测量,咀嚼肌收缩时可以负担 800 牛顿的力。正因为如此,
杂技演员表演各种高难度的动作,比如空中用牙叼人,或者叼花倒立,只要
“咬紧牙关”,他(她)就可以承担一个人的重量。
无独有偶,《红灯记》里李玉和在敌人面前是“铁嘴钢牙”,闭口不吐
密电码,也正是发挥了共产党员咀嚼肌肉的功能。
说到“一发千钧”,你可以找一根与头发丝粗细相仿的细铜丝比较一下,
把它们拉断几乎要用相同的力量,可见,头发丝是相当结实的。正因为如此,
在古代战争中,利用妇女的头发编成绳子,拉战车、系吊桥,起了巨大的作
用。
妇女的长发非常珍贵,既柔美又坚韧。假如头发非常长,岂不更稀贵了
吗!据《吉斯尼世界记录》记载,美国的黛安妮的头发竟长 3 米多。然而世
界上头发最长的人并不是妇女,而是男人。我国四川的吴华银老人,他蓄发
56 年,头发已长达 3.84 米。

一指禅

海灯法师的绝招“一指禅”,能用一个手指倒立,支承全身的重量。小
福子看得入了迷,他想:假如,海灯法师左右手指都能“一指禅”,那么是
否能找到海灯法师的重心?
你一定以为这很简单。当右手一指倒立时,从手指接触地的那一点向上
引一条竖直线;再当左手一指倒立时,也从手指接触地的那一点向上引一条
竖直线。这两条竖直线相交的那个点,就是海灯法师的重心。
这个回答不全面,这样求出的重心只能说是海灯法师倒立时的重心,或
者也可以说是海灯法师直立时举着一个胳臂时的重心,(因为这两种方式海
灯法师的形状是一样的,只是方位变化了,而重心只跟形状有关。)这样求
出的重心并不等于正常站立时�

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