第2章 进入神奇的力世界(2)

当然，这个实验是非常不精确的，因为人体是不均匀的，例如，大腿的重心和纸板做的相差很远，这里只是一个初步的了解。真正的运动生理学研究方法要复杂得多。用计算机来采集分析运动员的动作、重心位置以及身体各部分的相互配合等问题已经成为各国分析诊断运动员的常规方法。例如，用高速录像机拍下投掷物出手后几秒钟内的运动轨迹和状态，就可以精确地研究运动员的动作。计算机能计算出最佳的数据，并能与实际情况比较，及时改进运动员投掷时的姿态、出手动作，进而提高成绩。

在铁饼运动场上，奥运会金牌得主、美国的艾尔·奥特，曾在1956年、1960年、1964年、1968年连续获得奥运会金牌，而且每次都刷新记录，被称为运动场上的"常青树"。

他利用电脑诊断系统研究自己的投掷动作，原来以为自己的技术动作相当完美，但是竟发现自己投掷臂与身体所成的夹角不合适，还发现双脚正是最需要蹬紧地面之时自己竟然跳离了地面。靠电脑的帮助，他找到了肉眼无法察觉的两个错误，正是这种错误导致失掉了一部分本应传到铁饼上的力，造成投掷力量不足。后来他通过电脑"教练"的纠偏，投掷成绩不断刷新，后以70.86米的成绩刷新世界记录。如靠人自己来纠正，起码要10年时间。

羽毛和铁块会同时落地吗？

众所周知，羽毛的重量是非常轻的，我国古语中就有"轻如鸿毛"这样的说法，而铁块是非常重的，拿在手中感觉总是沉甸甸的。那么如果在高处把同样重量的羽毛和铁块同时抛下，谁会先着地呢？也许你会想，铁块那么重，当然是铁块先落地啊！可是，事实真是这样吗？

世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一--柏拉图的学生、亚历山大的老师--亚里士多德认为，地球是宇宙的中心，是一切空中运动物体的天然归宿。物体的重量越大，其趋向天然位置的倾向也越大，所以其下落的速度也越大。简单地说，就是物体下落的速度与质量成正比。这样的解释就可以说明许多事物，比如说羽毛比石头轻，它的下落速度就会比石头慢。

亚里士多德的许多思想被人们所坚信，再加上他的学说被宗教所利用，因此，他的空中物体自由运动理论便成为了当时最经典最权威的理论，统治人们的思想达两千年之久。直到1636年，一个名叫伽利略的科学家对亚里士多德这一学说提出了疑问。

他在他的《两种新科学的对话》一书中写到：依照亚里士多德的理论，假设有两块石头，大的重量为8，小的为4，则大的下落速度为8，小的下落速度为4，当两块石头被绑在一起的时候，下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个物体下落速度在4～8之间。但是，两块绑在一起的石头的整体重量为12，下落速度也就应该大于8，这就陷入了一个自相矛盾的境界。伽利略由此推断物体下落的速度不应该是由其重量决定的。他在书中设想，自由落体运动的速度是均匀变化的。

在课堂上，在学生们的面前，伽利略把一块砖和另外一只手的两块砖同时从相同的高度扔了下来，结果证明亚里士多德的结论是错误的，但是，大多数人都不愿接受伽利略的科学发现。他的朋友里奇，一名数学家，看到伽利略的砖块落地演示后，说道："我只承认两块砖块与一块砖块是以相同的速度落地的，但是我仍不能轻易相信亚里士多德的理论是错误的，你还是找另外的实例再来证明吧!"此时，伽利略认为自己需要公开进行一次更有说服力的实证演示，让众人接受他的观点。据说，为了演示新发现，他站在著名的比萨斜塔顶上，从191英尺的高度同时扔下一个10磅的铅球和一个1磅的铅球，两个铅球同时落地，顿时全场哗然，伽利略的理论随着这次实验被越来越多的人认同。

伽利略的这一科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。伽利略在总结自己的科学研究方法时说过："这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。"后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等人的工作后，得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。

伽利略留给后人的精神财富是极其珍贵的，对此，爱因斯坦曾有过这样的评价："伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端!"为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。

"不倒翁"不倒的秘密

同学们小时候最常玩也最喜欢玩的玩具之一当属不倒翁了，被扳倒后它会自动站起来，怎么也扳不倒，好神奇!于是我们开始拿其他东西做实验，喝水的杯子、拼好的积木、玩具汽车、毛绒玩具……一个个被扳倒后都不再动弹，可是为什么唯独"不倒翁"倒不下去呢?它的稳定程度怎么会这么好?难道有神奇的力量在支撑着它不成?

不知道大家注意没有，不管用什么材质做成的不倒翁，它下面的部分都很重，上面的部分相对较轻，这就是应用了物理学中"重心越低越稳定"的原理，也就是上轻下重的物体比较稳定的道理。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆总是不倒的。

走钢丝的杂技演员，手持平衡棒也是为降低重心位置，达到平衡的目的。

那么，成功的走钢丝表演除了要降低重心外，还需要什么技巧呢?有"高空王子"之称的美籍加拿大人科克伦，于1996年9月24日晚，在毫无保护的情况下，手握10米长的金属杆，在一根横跨在上海浦东两幢大楼之间、高度为110米、长度为196米的钢丝上稳步向前走，18分钟走完全程。如此危险的高空钢丝表演能够获得成功，除了表演者无与伦比的技巧和勇气之外，其理论依据是什么呢?我们从物理学的角度分析如下：高空走钢丝的人除了熟练掌握调整重心的技巧外，一般还常采取以下一些措施：(1)脚穿软底鞋；(2)手握一根较重的长杆(如金属杆)。脚穿软底鞋有两个作用：第一，增大脚的接触面积，提高稳度(一般而言，接触面越大，物体越稳定)；第二，增大鞋与钢丝之间的摩擦，防滑。手握较重的长杆主要作用也有两个：第一，降低重心位置，提高稳度(物体的重心越低就越稳定)；第二，增大整体的惯性，惯性越大，稳定性就越高，运动员就越容易掌握重心的位置。上述措施充分利用了物理学原理，能帮助运动员顺利完成高空走钢丝的惊险表演。

台球的神奇碰撞

近年，中国"神奇小子"丁俊晖，在台球斯诺克世界锦标赛、大师赛和亚运上获得优异成绩，并创造了一杆一百四十七分的最高最新纪录，在国内掀起了台球热潮。当然，不可能人人都成为台球"神奇小子"或高手大师，这需要勤奋和天赋，但讨论讨论台球的科学原理还是很有意思的。

台球，是运用"弹性碰撞"科学原理的体育运动。而"弹性碰撞"的科学原理就是能量的转化和守恒定律。

能量的转化和守恒定律：任何系统都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体(或系统)，在转化和传递的过程中，能量不会消失，也不能创造。弹性碰撞，是指发生碰撞的双方，只产生力的相互作用、能量的转化和"弹性变形"，不产生会永久保持的"塑性变形"。

能量的转化和守恒定律，是物理学的重要基本定律。我们用悬挂的一串并列小球的弹性碰撞，就可以验证能量的转化和守恒的原理。

拉起的一个小球具有了势能，当放下小球且小球与相邻球碰撞时，势能转化成动能，此动能经中间小球传递给了另一端原先静止的小球，这样原先静止的小球被撞起，即动能又转化成势能，如此周而复始，最后受摩擦阻力等影响，运动渐渐停止。根据能量守恒原理，一端拉起几个小球，另一端就被撞起几个小球。

打台球的基本科学原理是弹性碰撞，对台球和台面的材质、形状要求很高，特别是台球，材质要坚实均匀、球形准确，碰撞后不变形，能通过"弹性碰撞"充分交换动能；台面要平整细实，摩擦力均匀合适，保证台球运动正常。

打台球的基本技术是控制母球的运动方向、旋转和力度，这里的讲究就很多，球员通过球杆在母球的不同方向、部位击球(低杆、高杆等)，使母球在前进时有不同的速度和自转，不仅把目标球撞进洞中或理想位置，还要使母球击中目标球后有理想的"走位"。这里包括对球台边框的反弹路线的考虑等。而这一切，就都在球杆撞击母球的瞬间，由球杆的力度、方向和击球点决定了。球员的水平高低，就是能不能掌握好这一个个瞬间。看过台球比赛的观众都知道，高手的较量，常常就是一、两杆决定胜负，而一杆就是掌控十几二十几次"瞬间"不失误，有一次失误就可能是把胜利拱手相让。

当然，讲讲台球的科学道理是容易的，要掌握技术，还得勤奋练习，还要有对台球的"悟性"天赋，才能真正成为高手、大师。

水的力量有多大

除了气体有压强外，液体也是有压强的，甚至有时候，液体的压强是非常惊人的。帕斯卡定律的出现，揭开了液体压强的神秘面纱，有效地解释了大自然中的很多现象。在这一节中，我们就来了解一下帕斯卡定律，看看水的力量究竟有多大。

流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体与固体壁面、流体与流体之间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支，研究得最多的对象是空气和水，1738年伯努利出版他的专著时，首先提出了水动力学这个名词并将其作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立起了统一的体系，称为流体力学。

除水和空气以外，流体还包括作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。

流体力学应用广泛，涉及气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等领域，许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的出现又给予流体力学发展以极大的推动力。而帕斯卡定律就是流体力学中一条重要的定律，它使得流体力学的研究有了质的飞跃，打破了这个学科多年的沉默。布莱士·帕斯卡，1623年6月19日出生于法国奥维涅省的克莱蒙费朗，在兄弟姐妹中排行第三，是家中唯一的男孩。帕斯卡的母亲在他4岁时不幸去世。帕斯卡的父亲艾基纳是当地法庭的庭长，博学多才。8岁时，他们举家迁往巴黎。长大后，帕斯卡在一次和数学家费马的通信中，两人合力解决了某一个上流社会的赌徒兼业余哲学家送来的一个问题，这个人表示他弄不清楚在他赌掷三个骰子出现某种组合时为什么老是输钱。帕斯卡与费马在解决这个问题的过程中，奠定了近代概率论的基础。

此外，帕斯卡致力于进行真空和流体静力学的研究，并取得了一系列重大成果。根据托里拆利的理论，帕斯卡设想并进行了对同一地区不同高度大气压强测量的实验，大量的实验数据显示随着高度降低，大气压强增大的规律。

帕斯卡定律的内容是密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递。根据静压力基本方程(P＝p0+ρgh)，盛放在密闭容器内的液体，当其外加压强p0。发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。也就是说，在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点，这就是静压传递原理。由于第一个阐述此定律的人是帕斯卡，因此，这个定律也被称为帕斯卡定律，用公式表示为：F1÷S1＝F2÷S2

根据帕斯卡定律：对一个活塞施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的十倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的十倍，而两个活塞上的压强仍然相等。

据说，为了验证自己的理论是否正确，帕斯卡曾当众做了一次实验。他把一个大木桶装满水并封闭起来，在盖子上面开了一个小孔然后接上一根细长的管子，最后取来一杯水倒入了细管中，于是在众人面前，水面急剧升高，压强增大，最终使木桶不能负载，水破壁而出。

在实际中的液压机，就是以帕斯卡定律为基础而制成的机械，它的种类繁多，根据用途大致可分为锻造和冲压两种。

善于观察生活的同学一定会发现水槽下方的下水管大都被做成弯曲形状，再通入水道，你知道这是为什么吗?如果无缘无故将它做成弯曲的，那么岂不是很浪费材料?也没有必要吧？将它做成直的，不是更不易堵、让流水更通畅吗?

原来下水道真的是有它弯曲的道理，这是利用了连通器的原理。下水管被做成弯曲形状，就制成了一个连通器。液体不流动的情况下，连通器的液面总保持相平，当上面的水管不使用时，没有水流入下水管中，弯曲水管中的A、B管水平面相平，这样可以阻止下水道里污水的臭气上升；而当上面的水管使用时，水流入下水管内，由于A管液面升高，A、B液面不平，产生压强差，从而使水开始流动，脏水流走。

"大船爬楼梯，小船坐电梯"也是用的连通器的原理。

那么让我们来看一看船舶是如何翻越40层楼房高度的三峡大坝吧。

三峡大坝蓄水后，上下游水位落差高达几十米，从坝下60多米的水面，要上升到坝上135米的江面，船舶到底如何行走？

双线五级船闸分南北两线独立布置，相当于陆路上的双车道。船上下大坝分开通行，每条线上有5个闸室，总长约6442米。比如，船从坝下往坝上行船时，先进入五闸室，入口处的闸门关闭后，船闸自动充水，将停泊在闸室内的船舶往上抬升，待该闸室内的水位与四闸室平行时，打开闸门，船就好像爬过一层阶梯，轻松驶入上一级闸室。如此反复，直至进入高峡平湖。如船舶是从上游往下游走，过程正好相反。

神奇的浮力从哪里来