趣味物理学-第4部分

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你知道敏豪生伯爵①的故事吗？据说他曾经用两只手捉住了在飞的炮

弹，法国飞行员的这个遭遇跟这个故事简直太相象了。
然而在法国飞行员这个遭遇里，却没有什么不可能的事情。
这是因为，一颗子弹并不是始终用每秒800…900　米的初速度飞行的。

由于空气的阻力，这个速度逐渐减低下来，而在它的路程终点（跌落前）
的速度却只是每秒40　米。这个速度是普通飞机也可以达到的。因此，很
可能碰到这种情形：飞机跟子弹的方向和速度相同。那么，这颗子弹对于
飞行员来说，它就相当于静止不动的，或者只是略略有些移动。那么，把
它抓住自然没有丝毫困难了，——特别是当飞行员戴着手套的时候，因为
穿过空气的子弹跟空气摩擦的结果会产生近100　度高温的缘故。

西瓜炮弹

如果说一颗子弹在一定条件下面可以变得对人没有妨害的，那么，相

反的情形也同样可能存在：一个“和平”的物体用不大的速度投掷出去，

却可以引起破坏的作用。1924　年举行过一次汽车竞赛。沿途的农民看到

汽车从身旁飞驰过去，为了表示祝贺，向车上乘客投掷了西瓜、香瓜、苹

果。这些好意的礼物竟起了很不愉快的作用：西瓜和香瓜把车身砸凹、弄

坏了，苹果呢，落到乘客身上，造成了严重的外伤。这个理由很简单：汽

车本身的速度加上投出西瓜和苹果的速度，就把这些瓜果变成了危险的、

有破坏能力的炮弹。我们不难算出，一颗10　克重的枪弹发射出去以后所

具有的能，跟一个4　公斤重的西瓜投向每小时行驶120　公里的汽车所产生

的能不相上下。

自然，西瓜的破坏作用是不能跟子弹相比的，因为西瓜并没有象子弹
那样坚硬。

等到高空大气层（所谓平流层）里的高速度飞行实现，飞机已经具备
每小时3000　公里的高速度，也就是有了跟子弹一样的速度的时候，每一
个飞行员就都会有机会碰到方才所说的情形。就是在这种飞机飞行的路
上，每一个落在这架高速飞机前面的物体，对于这架飞机都会变成有破坏
力的炮弹。从另外一架即使不是迎面飞来的飞机上偶然跌落下来的一颗子
弹，如果跌到这架飞机上，就等于从机枪射击出的一样：这颗跌下的子弹
碰到这架飞机时候的力量，跟从机枪里射到飞机上的一样。这道理很明
显，子弹跌到这架飞机上跟从机枪发射出来，它们的相对速度相等（飞机
和机枪子弹的速度都跟每秒800　米相近），因此跟飞机接触时候的破坏后
果也一样。

①
在这种情形下面的跌倒也可以从另外一个观点来解释。（见本书著者的《趣味力学》第三章“什么时候
‘水平’线不水平？”一节。）


相反地，假如一颗从机枪射出的子弹，在飞机后面用跟飞机相同的速
度前进，这颗子弹对于飞机上的飞行员，大家已经知道是没有妨害的。两
个物体向相同方向用几乎相等的速度移动，在接触的时候是不会发生什么
撞击的，这一个道理在1935　年，有一位司机，就曾经十分机敏地运用过，
因而避免了一次就要发生的撞车惨剧。事情的经过是这样的：在这位司机
驾驶的列车前面，有另外一列列车在前进。那前面的列车由于蒸汽不足，
停了下来，机车把一部分车厢牵引到前面的车站去了，丢下了36　节车厢
暂时停在路上。但是这截车厢由于轮后没有放置阻滑木，竟沿着略有倾斜
的铁轨用每小时15　公里的速度向后滑溜下来，眼看就要跟他的列车相撞
了。这位机警的司机发现了问题的严重性，立刻把自己的列车停了下来，
并且向后退去，逐渐增加到也是每小时15　公里的速度。由于他这样机智
的办法，这36　节车厢终于平安地承接在他的机车前面，没有受到丝毫损
伤。

根据同样的道理，人们造出了在行进的火车上使得写字方便的装置。
原来，在火车上写字困难，只是因为车轮滚过路轨接合缝时候的振动并不
同时传到纸上和笔尖上。假如我们有办法使纸张和笔尖同时接受这个振
动，那么它们就会是相对地静止着，这样在火车行进的时候写字就会一点
没有困难了。

要使笔尖和纸张同时受到振动，可以利用图19　的装置。图上拿钢笔
的右手由一条小皮带系紧在木板a　上，这块木板a　可以在木板b　的槽里向
左右移动，木板b　可以放在车厢里小桌上的木座小槽里向前后移动。这里
我们可以看出，手是非常活动的，可以一个字接一个字、一句接一句地写
下去；这时候木座上那张纸所受到的每一个振动，也同时传到握在手里的
笔尖上。这种装置可以使你在火车行进的时候写字跟火车停止的时候一样
方便，只是你眼睛看到的纸面上的字迹却在不停跳动着，这是因为你的头
部和右手所受到的振动并不在同一时候的缘故。

在台秤的平台上

当你踏上一架台秤上称你的体重的时候，如果想得到正确的结果，你
就得一动不动地直立在台秤的平台上。你要是弯一弯腰，好，在你弯腰的
一瞬间，台秤立刻就指出重量减低了。为什么呢？这是因为肌肉在上身向
下弯曲的同时就把下体向上提升，因此使得向台秤支点所施的压力减轻。
相反的，当你把上身伸宜的时候肌肉又会使你的下体对于平台所施的压力
增加，台秤就会跟着指出重量增加了。

在一架灵敏的台秤上，即使把手举一下，由于使你的手向上举起的肌
肉是依附在肩头上的，举手的动作会把肩头以及整个人体向下压，因此台
秤平台所承受的压力也跟着增加。现在如果把已经举起的手停在空中，那
么就要使相反的肌肉开始动作，把肩头向上提升，因此人的体重，人体对
于台秤支点所施的压力，也就跟着减少了。

相反的，把手放下就会引起体重的减少，等手停稳下来了，体重又会
略微增加。

物体在什么地方比较重？


地球施向一个物体的吸引力（地球引力）要跟着这个物体从地面升高
而减低。假如我们把一公斤重的砝码提高到离地面6400　公里，就是把这
砝码举起到离地球中心两倍地球半径的距离，那么这个物体所受到的地球
引力就会减弱到4　分之一，如果在那里把这个砝码放在弹簧秤上称，就不
再是1000　克，而只是250　克。根据万有引力定律，地球吸引一切物体，
可以看做它的全部质量都集中在它的中心（地心），而这个引力跟距离的
平方成反比。在上面这个例子里，砝码跟地心的距离已经加到地面到地心
的距离的两倍，因此引力就要减到原来的22　分之一，就是4　分之一。如
果把砝码移到离地面12；800　公里，也就是离地心等于地球半径的三倍，
引力就要减到原来的32　分之一，就是9　分之一；1000　克的砝码，用弹簧
秤来称就只有111　克了，依此类推。

这样看来，自然而然会产生一种想法，认为物体越跟地球的核心（地

心）接近，地球引力就会越大；也就是说，一个砝码，在地下很深的地方

应该更重一些。但是，这个臆断是不正确的；物体在地下越深，它的重量

不但不是越大，反而越小了。这现象的解释是这样的：在地下很深的地方，

吸引物体的地球物质微粒已经不只是在这个物体的一面，而是在它的各方

面。请看图20。从图上可以看出，那个在地下很深地方的砝码，一方面

受到在它下面的地球物质微粒向下方吸引，另外一方面又受到在它上面的

微粒向上方吸引。这儿我们不难证明，这些引力相互作用的结果，实际发

生吸引作用的只是半径等于从地心到物体之间的距离的那个球体。因此，

如果物体逐渐深入到地球内部，它的重量会很快减低。一到地心，重量就

会完全失去，变成一个没有重量的物体。因为，在那时候物体四周的地球

物质微粒对它所施的引力各方面完全相等了。

所以，物体只是当它在地面上的时候才有最大的重量，至于升到高空
或深入地球，都只会使它的重量减少①。

物体落下时候的重量

你可曾有过这样的经验，比方说坐电梯在开始下落的时候有一种恐惧

的感觉？你会有一种仿佛向无底深渊跌下去的不寻常的轻飘飘的感觉。这

实际上就是失掉了重量的感觉：在电梯开动的最初一瞬间，当你脚底下的

电梯地板已经落了下去，而你却还没有来得及产生同样速度的那一瞬间，

你的身体几乎没有压在地板上，因而你的体重也就会非常小。这一瞬间过

去以后，你的这个恐惧的感觉停止了，这时候你的身体要用比匀速下落的

电梯更快的速度落下去，就对电梯的地板施加压力，因此又恢复了原有的

体重。

试把一个砝码挂在一只弹簧秤的钩子上，使弹簧秤连同砝码很快地落
下去，注意秤上指示的数值（为了观察方便，可以把一小块软木嵌到弹簧
秤的缝里，来注意软木的位置变化）。你会看到，在砝码和秤一同落下的
时间里，弹簧秤所指示的并不是砝码的全部重量，而只是很小一部分的重
量！假如挂着砝码的弹簧秤从高的地方自由落下，而你有办法在落下的路

①　敏豪生伯爵是德国一个著名故事《敏豪生奇遇记》里的主人公。

上观察秤所指示的数值的话，你会发现，这个砝码在自由落下的时候竟是
一些重量也没有，弹簧秤所指示的数值是0。

即使是最沉重的物体，当它向下跌落的时候，也会变成仿佛完全没有

了重量。这一点也不难解释明白。什么叫做“重量”呢？重量就是物体对

它的悬挂点所施的下拉力或者对它的支点所施的压力。但是，自由落下的

物体对弹簧秤并不施加任何下拉力，因为弹簧秤也跟着一同落下。当物体

自由落下的时候，它既没有拉着什么东西，也没有压着什么东西。因此，

如果有人问这个物体在落下的路上重量有多少，就等于问在它没有重量的

时候重量有多少。

还在十七世纪，奠定力学基础的伽利略就曾经写道：

我们感觉到肩头上有重荷，是在我们不让这个重物落下的时候，但
是，假如我们跟我们肩上的重物一起用同样的速度向下运动，那么这个重
物怎么还会压到我们呢？这情形就跟我们想用手里的长矛①刺杀一个人，
而这个人却在跟我们一起用同样的速度奔跑的情形一样。

下面一个简单的实验，清楚地证明了这种看法的正确。

把一只夹碎胡桃用的铁钳放到天平的一只盘上，这只钳的一只“脚”

平放在盘面上，另一只脚用细线挂在天平的挂钩上。天平的另一只盘上放

砝码，使两边恰好达到平衡。现在，用一根燃着的火柴把细线烧断，于是，

原来挂在钩上的一只脚就落到盘上来。请想想看，当这只脚落下的一瞬

间，天平会起一些什么变动？在这只脚还在继续落下的这一瞬间，放着钳

子的这只天平盘会向下沉呢，还是向上升呢，还是停留在原地不动？

对于这个问题，你现在既然已经知道自由落下的物体没有重量，就可
以先提出正确的答案来：这只盘在这一瞬间一定会向上升起。

果然，原来挂起的那只脚，在落下的时候，虽然跟下面那只脚连在一
起，但是它对下面一只脚所施的压力，到底比它在固定不动的时候小。钳
子的重量在这一瞬间要减少些，因此天平盘就要在这一瞬间升起一下（罗
森堡实验）。

《炮弹奔月记》

在1865－1870　年间，法国小说家儒勒·凡尔纳一部幻想小说《炮弹
奔月记》出版了，书里描写一个不平常的幻想：要把一只装着活人的炮弹
车厢送到月球去！这位小说家把他的这个设计写得非常逼真，好象实有其
事，使许多读者一定要发生一个问题：这种想法难道就一定不可能实现吗

①？这个问题谈起来确实是很有趣的①。
首先，我们来研究一下，一颗射出的炮弹，究竟有没有可能——即使
只是在理论上——永远不跌回到地球上来。理论上，这种可能性并不是没

①　以上所说的，只是假定地球各部分的密度完全均匀的情形，事实上地球越接近地心的部分密度越大，因
此，物体深入地球的时候，它的重量在最初一小段距离里还会增加一些，以后才逐渐减少。
①　当然，长矛只准拿在手里，不准向前掷出。
①　1969　年七月十六日美国发射“阿波罗11　号”，于七月二十日人类已首次登上月球。

有的。真的，为什么一颗水平射出的炮弹终于要跌回到地球上来呢