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第20章 力的有趣故事(3)

希腊有座克里特岛,由于煤船的频繁往来装卸,使海底堆积了厚厚一层煤。渔民们常捉来章鱼,拴在长绳子上丢进海里,让章鱼到海底去抓住煤块,然后再把绳子拉上来,煤块也就捞上来了。

章鱼抓煤块靠的是脚上的吸盘,吸盘的构造和人们沿袭用的拔火罐相似,拔火罐里的燃烧物消耗了罐中的氧气,使罐内外产生了压力差,这就是拔火罐有吸力的原因。章鱼则是利用肌肉收缩排出吸盘内的水,造成吸盘的压力差而产生吸力的。章鱼吸盘的吸附能力很强,有时甚至能吸住比自己体重大20倍的煤块。

文章开头提到的日本沉船上的瓷器打捞正是利用了章鱼脚上的吸盘。人们把章鱼系上细绳投入大海,沉至海底后,章鱼便觅罐而卧,随后人们拉起绳子,顽固的章鱼死吸住器皿不放,于是一个个贵重瓷器便被吸拉上来。

章鱼强有力的脚和吸盘是它的防御工具。在海洋里,与它同样大小的动物都受其害,就算最大的、装备最好的虾,也难免成为章鱼的牺牲品。据说,产于北太平洋的大章鱼,其脚有3米长,潜水员碰上它也是凶多吉少;它甚至能把脚伸到小艇上,把小艇拖翻!

章鱼凶残,可对其子女却照顾得无微不至,为了保护自己所生的蛋,常端坐在蛋上,须臾不离,不吃不喝,以保下一代平安出生。

有趣的是,章鱼休息时,总是留一两条长脚“值班”。长脚不断转动,如果触到敌害,便会跳起来逃之夭夭。章鱼还有一套登陆越境的绝技,科学家吉利帕特里曾亲历过这么一回事:一天,他提着一只盛有章鱼的水桶进书房,想让客人们观赏,在等待客人时,他专心看书,突然听到一声巨响,原来水桶里的章鱼竟越出水桶口,爬上书架将一本厚书推了下来。

章鱼吸盘产生巨大吸力的道理,人们早已用来研制用具和机器,常见的如“真空吸盘式”塑料挂衣钩。这种塑料吸盘只要往玻璃或者平整的木板上按,挤出盘内空气,就能牢牢地吸在上面,一个小小衣钩可擎住一件大衣的重量。在工业上,人们利用这个原理制成了真空起重机。

这种起重机用吸盘代替了普通起重机的吊钩,工作时像章鱼一样,把装有吸盘的吊臂对准吊物的光滑部位,就能牢牢地抓住起吊物,国外有人曾用这种起重机吊运重达30吨的水泥预制板。

阿基米德断王冠案

故事发生在2000多年前的意大利南部西西里岛上,在这个岛上,有个叙拉古王国,它的国王对自己统治着一个富饶的国家是非常得意的。

有一天,国王接见了一批来访的外国商人。在他面前,这些商人自然说了不少奉承的话。但是,其中一位年老的商人说他连一顶纯金的王冠都没有,笑话他的穿戴与他的身份不相称。对此,一贯好强的国王很不服气,他说:“做一顶金制的王冠还不容易吗!请你过一个月再来,你就可以看到我头上戴着金制的王冠了。”

外国商人走后,国王立即下令召来了一位手艺高超的金匠,交给他黄金,让他做一顶纯金的王冠,并限他一个月之内把做好的王冠送来。

一个月期限到了,国王兴高采烈地召集全体文武大臣,准备迎接金王冠。鼓乐声中,工匠双手捧着一顶金光闪闪精致美丽的王冠来到殿前。在场的文武百官对这顶王冠赞赏不已,国王更是喜形于色,顾不得平日的尊严,急忙走下王座,接过王冠就戴上了。

国王非常喜欢,逢人就夸耀这顶王冠,有时还让周围的亲信细看。这些亲信接过王冠就感到些奇怪,总觉得王冠不是纯金做的,心想:“如果是纯金做的,为什么这么大的王冠分量却不那么重?”

“可能只有表面是金子,里面掺假了。”

“一定是金匠耍了花招。”

可是谁也拿不出明显的证据,所以这个疑问谁也不敢对国王讲。但这些议论却在下面悄悄地传开了,七嘴八舌的议论不久就被国王知道了,国王勃然大怒。如果王冠的确掺了假,就是那位金匠欺骗了国王;如果王冠是纯金的,那么散布“王冠是假货”的人就将成为破坏国王尊严的罪人。

工匠被抓来了。国王怒问:“你这个贼,竟敢偷到我的头上来了。快说,你怎么敢在我的王冠上掺假,你把黄金偷到哪儿去了?”工匠申辩说:“我怎么敢偷您的黄金呢!请您将王冠称一称,肯定它的重量与我领到的黄金丝毫不差。”

王冠被放在秤上称了一下,果然恰好是国王交给他的黄金的重量。这样一来,那些说过“王冠不是纯金做的,肯定掺了假”的人就要成为诋毁国王尊严的罪人了。因此,国王身边的人都惊恐不安。

其实,这时候的国王也似乎感觉到王冠有点不那么沉甸甸的分量了。在大臣的请求下,给几天时间让他拿出证据来说明王冠到底是真还是假。

正值大臣苦于没有办法的时候,有人提议:“去找阿基米德,也许有办法。”阿基米德是当时著名的科学家,有过许多发明和创造,大家非常尊重他。于是,他们找到阿基米德,并把事情的经过跟他叙述了一遍,请他设法帮助查明王冠的秘密。

王冠到底是不是纯金做的,阿基米德觉得非常有趣。这个奥秘深深地吸引着他。他夜以继日地寻求着解决的办法,饭吃不香,觉睡不好。家人见他这样,便吩咐仆人硬陪着他上澡堂去洗个澡。

跨进浴池的时候,他突然注意到,当他在浴池里沉下去的时候,就有一部分水从浴池溢了出去。身体入水越深,溢出的水越多,当全身都入水后,水才停止外溢。同时,他感觉到自己的身体似乎轻了一些。这习以为常的现象,却使处于冥思苦想的阿基米德豁然开朗,他马上跳出浴池,浴池里的水也立刻浅下去。这时,他已经完全明白:刚才澡盆里溢出去的那部分水的体积,不正是自己身体的体积吗!

他欣喜若狂,竟顾不上穿好衣服就跑出了浴池,浑身湿淋淋地一面高喊着一面往家里跑。回到家里,立即动手做实验,准备了重量相等的两块铜和银、两个同样大的盆,盆里都装满了水。然后把铜块和银块分别放进两个水盆里,发现放铜块的那个水盆溢出来的水多,而放银块的那个水盆所溢出来的水少,这样,阿基米德对检验王冠是否掺假这个难题便胸有成竹了。

阿基米德找到那位大臣,大臣领着他见了国王说:“阿基米德是我国杰出的科学家,他有办法检验王冠是否掺假。”国王问阿基米德:“你的办法能保证不损坏我的王冠吗?”阿基米德作了肯定的回答。

当着国王和大臣的面,阿基米德将重量相同的金块和王冠分别浸入装满水的盆子里,再将它们溢出来的水进行比较。结果发现,放王冠那个盆溢出来的水比放纯金盆溢出来的水多得多。阿基米德把王冠从水中取出来以后,清楚地告诉国王:“王冠是掺假的。”国王和大臣们不懂得其中的道理,都以疑惑的眼光看着阿基米德。

阿基米德又要人取来两块相同重量的木块和铁球,并问周围的人:“它们的体积哪个大?”

“当然木块大。”“那么,把它们完全浸入水中,哪个排出的水多呢?”“当然也是木块排出的水多。”这时大家才明白了其中的道理:物体浸入水里,就要排出一部分水,如果物体完全浸入水里,它所排出的水的体积等于物体的体积。

相同重量的一块金子和一块掺了假的金子,它们的体积是不一样的。因此,把它们分别浸入水里所溢出的水的体积也不一样。如果王冠是纯金做的,它的体积与相同重量的黄金的体积应该相等,它浸没在水里所溢出来的水的体积,应该与相同重量的金子所溢出来的水的体积相同。既然实验的结果是放王冠的那个盆所溢出的水比放金块那个盆所溢出的水多得多,王冠不是纯金做的这个结论肯定无疑了。

王冠之谜终于被阿基米德揭开,国王称赞了阿基米德,而那个敢于捉弄国王的工匠受到了严厉的惩罚。

阿基米德杠杆的威力

杠杆只不过是一根带转动轴的直杆或曲杆。虽然貌不惊人,但它却是机械的始祖。大约三千年以前,我们的祖先就使用杠杆了。农村中用来捣谷的舂、铁锨、剪刀、筷子、铡刀、独轮车以及镊子等等,都是不同形式的杠杆。人们根据不同的需要,调节动力臂与阻力臂的长短。

但是,杠杆的支点不一定都在中间,而阻力作用点有时却位于中间,如独轮车就是这样。有经验的人装货时总是尽可能地把货物的重心靠近轮轴,手握车把的地方尽可能地靠后,推起来才比较省力,这都符合杠杆原理。

在人体中,也有一些骨胳在肌肉拉力作用下,克服一定的阻力,围绕关节轴转动,这和杠杆的功能一样,叫做骨杠杆转动。

在人的上臂,有一块隆起的肌肉,它收缩时以拉力转动,使重量的物体举高。当节轴为矩使臂逆时针转动的力大于使臂顺时时,臂顺时针转动,重物时,则臂逆时针转动,将重物托着上升。小于重力矩,所以肌力应该下降。因为肌力臂小于阻力臂,肌肉拉力大于物体的重力,所以,重物被举起。

有一次,阿基米德与叙拉古国王亥尼洛辩论时,脱口而出,“只要利用机械,任何重的物体都能够移动。如果在地球外能找到一个支点,给我一根足够长而坚固的杠杆,就是恁大的地球,我也能把它挪动一下。”亥尼洛王听后,觉得不可思议。恰好亥尼洛王正在设法把新造成的一艘三桅货船从造船台上拉到海里去。他召集了叙拉古城的所有男子,仍没有把船拖下海去。于是,亥尼洛王问阿基米德,“你是否能将这艘三桅货船弄到海里,”“当然能”,他回答。

一天,阿基米德漫步在海滩上,看着那环绕在海螺壳上面的一圈一圈的螺纹,他眼前一亮,思想顿开,“螺旋不是把斜面延长了吗?”他设计了一个“阿基米德螺旋”。螺旋固定在船坞上,其一端带柄,另一端系一绳索,绕过连结三桅货船的滑轮,而再牢固地绑在大树桩上。一切安排妥当后,他请来了亥尼洛王,独自一人神色自若地摇动螺旋轴上的手柄,使栓在船上的绳越来越短,那艘巨大的新船也就稳稳当当地从造船台上滑了下来,缓缓地进入大海,使亥尼洛王惊叹不已。

在亥尼洛王统治时期,叙拉古王国虽然太平昌盛,但它的周围却连年峰火。为了保卫祖国,国王请阿基米德制造了许多城防武器。在阿基米德73岁那年,强大的罗马军队果然从海陆两路同时向叙拉古大举进攻,锐不可当,迅速包围了叙拉古城。

“投石器”和“长嘴巴”吊钩都是阿基米德利用杠杆原理和弹性制造的城防武器。罗马统帅者万万没有料到能遇到这样的神兵天将和这样的可怕武器,罗马大军原来宣称五天要攻下城堡,结果围城三年而未敢进袭一次。

阿基米德曾经宣称,“只要给我一个支点,我就能挪动地球”。

单从道理上分析,阿基米德的话并没有什么错。但是通过计算就发现阿基米德的话是言过其实的了。

阿基米德是聪明的,他知道要想举起地球,必须有一个不在地球上的支点,而且他本人也必须在地球之外。

这只奇长的杠杆到哪里去找呢?若假设阿基米德找到了那只杠杆,并且也找到了一个支点。如果把地球挪动1厘米,在动力那端就必须在空中划一个大弧,即使阿基米德昼夜兼程以每秒走动1米的速度,也要走30万亿年。如果阿基米德还活着,听到这个计算后,也一定会目瞪口呆的。

阿基米德为了挪动地球一厘米,就得以30万亿年走过的距离来传递功。人的动力对杠杆做了多少米的路程才行。虽然用不大的力完成了工作,省了力,可是花费的时间太长了,动力走过的路程也太长了。动力若变化,路程也要变化。但变来变去,有一个不变的量,就是力和沿力方向的路程的乘积的功,杠杆才能克服地球阻力同样做了多少功,所以杠杆本身并不能独立做功,只能传递功罢了。

除了杠杆,一切其他的机械都不能做功,只能传递功。阿基米德的后继者所做的功,一定等于机械克服阻力所做的功,也就是说,使用任何机械都不能省功。这个结论叫做功的原理,是机械的基本原理。

经过杠杆对于功的传递,人就可以用很小的力量克服较大的阻力,节省时间。例如,阿基米德手攥螺杆的手柄,用力一摇,那艘大船竟会移动起来。带手柄的螺杆为什么会产生出那么大的力量呢?实际上,这只带手柄的螺杆是由轮轴和斜面组合而成的。

苹果砸出来的万有引力

在丰收的苹果园里,压弯了枝头的苹果个个满面红光惹人喜爱。说不定什么时候,熟透了的某一只苹果便会纵身一跳,从树枝落向地面,寻求它的安身生息之地。苹果落向地面,这是极为平常的事情,但就在这平常的事情中却包含着科学的奥秘。

作为一名科学家,牛顿最初非常注意那皓洁的明月。当时他已经知道月亮是绕地球运转的,同时也知道月亮绕地球一周所需要的时间,知道月亮到地球之间的距离。根据这些数据,可以计算出月亮运动的加速度。他想,月亮所具有的这个加速度应该是受到某种力的作用。但是,受到什么力的作用呢?这个问题使他百思不得其解。

某一天,牛顿躺在苹果树下正在沉思时,一颗熟透了的苹果突然从枝头上掉落下来,这个苹果开启了他想象的翅膀。从这个现象中,他得到了启发,产生了这样一种观念:苹果与其他万物之所以落向地面,是因为地球对它们有吸引力的缘故。当时他想,月亮虽然与地球相隔38万千米之遥,仍然受到地球对苹果那样的吸引力,从而产生加速度,可月亮的加速度比起苹果落地的加速度却小很多,这是为什么呢?如果苹果与月亮是受同种力作用的话,那么这种力就应该与距离有关。

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