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我们怎样喝水?
咦!难道连这样一个题目还有什么值得去想一下的吗?当然,我们已
经习惯把杯子或茶匙放到嘴唇边,把里面装着的液体“吸”进去。正就是
这个我们已经非常习惯了的简单的“吸”的动作,需要解释一下。真的,
为什么液体会流进我们的口腔去呢?是什么东西使它流进去的?原因是
这样的:在喝水的时候,我们一定要把胸腔扩大,这样就把口腔里的空气
抽去,使口腔里的压力减低;于是,在外面的空气压力作用之下,液体就
要流到压力比较小的地方——流进到口腔里去了。这里发生的现象,跟连
通管里的液体所发生的完全一样,假如我们把在连通管的一个管里液面上
① 洗脸用的香肥皂比较不大合用。
的空气抽稀薄,这时候,由于大气压力的作用,连通管这一个管里的液面
就会升高。相反的,如果你用嘴唇严密地裹着一只盛水的瓶的瓶口的话,
那么即使你用很大的力,也不可能从瓶里吸出水来,这是因为嘴里空气的
压力和瓶里水面上的压力完全相等的缘故。
所以,严格地说,我们喝水不只是用嘴巴,还用肺部;就因为肺部的
扩张才使水流进到我们嘴里去。
漏斗的改善
假如你曾经用过漏斗把某种液体注到玻璃瓶里去,你一定有这样的经
验,就是一定要常常把漏斗向上提起—下,否则液体就会留在漏斗里,不
流下去了。这是因为瓶里的空气没有排出去的路,因此它的压力阻碍了漏
斗里的液体流进去。起初固然也会有一些液体流下去,这是因为瓶里空气
受到压力的作用,略略缩小一些的缘故。但是,空气的体积一压缩,压力
也就增高了,就会抵住了漏斗里的水的压力。因此,假如不把漏斗提起,
让压缩的空气逸出,漏斗里的水是不可能继续流进瓶里去的。
因此,最实际的办法是把漏斗的外面做成瓦楞形,使漏斗架在瓶口上
以后,仍旧留出许多间隙,让瓶里的空气往外流。这样构造的漏斗在平常
还没有见到应用;在实验室里却已经有用这样构造的漏斗的了。
一吨木头和一吨铁
大家都知道这个用来开玩笑的问题:一吨木头和一吨铁,哪一个重
些?有人不想一想就回答一吨铁重些,常常引起大家的哄笑。
假如回答的人说一吨木头重些,那么大家就要笑得更厉害了。这样的
说法,好象一点没有根据,可是严格地说,这个答案却是正确的!
问题在于阿基米德原理不但在液体方面适用,在气体上也适用。根据
这个原理,每个物体在空气里所“失”的重量,等于给这物体所排开的同
体积的空气重量。
木头和铁,在空气里当然也要失去它们的一部分重量,要求出它们的
真正重量,得把所失的重量加上去。因此,在我们这个题目里,木头的真
正重量应该等于1 吨加上跟这块木头同体积的空气重量;而铁的真正重量
应该等于1 吨加上跟这块铁同体积的空气重量。
但是,一吨木头所占的体积,要比一吨铁多得多(大约等于铁的15
倍),因此,一吨木头的真正重量要比一吨铁的真正重量大!说得更明确
些,我们应该说成这个样子:在空气里重一吨的木头的真正重量,要比在
空气里重一吨的铁重些。
一吨铁大约占据■立方米的体积,而一吨木头大约占据2 立方米,这
两种物体排出的空气相差大约2。5 公斤。你看,一吨木头实际上要比一吨
铁就重出这么多!
没有重量的人
大概许多人小时候就有过一种幻想:假如自已变成和羽毛一样轻,甚
至比空气还轻①,那就可以免除那个讨厌的引力的作用,自由自在地高高
升到天空去,飘游到各地,那该多么好呢!但是,这样想的时候忘记了一
件事情,就是人所以能够在地面上行动,只是因为人比空气重。实际上,
托里析利说过,“我们人是生活在空气海洋的底上的”,因此,假如我们
不管什么原因突然变轻了,变得比空气还轻,就不可避免地要向这个空气
“海洋”的表面升起。那时候我们的遭遇就会跟普希金所写的“骠骑兵”
那样:“我把整瓶都喝光了:信不信由你,我可突然象羽毛般地向上飘起
了。”那时候我们会升到好多公里高,一直升到那里稀薄空气的密度跟我
们身体的密度相等的地方为止。而你原来打算自由自在地在山谷、平原上
盘旋游历的想法,也完全破灭了,因为,你从引力的约束下面解放出来了,
却立刻又成了另外一个力量的俘虏,成了大气流的俘虏了。
作家威尔斯曾经把这种不寻常的处境选做他的一部科学幻想小说的
主题。
一位非常臃肿肥胖的人,多方想法减轻他的体重。这篇小说的主角恰
好有一种神奇的药方,吃下这种药会使胖子减轻体重。这个胖子向他要了
药方,照着把药服了下去,于是,当那位主角去探望这个朋友的时候,下
面这样出乎意外的事件使他大吃一惊。他敲了敲房门:
门许久还没有开。我听到钥匙的转动声音,然后,听到了派克拉夫特
(胖子的名字)的声音:
“请进来。”
我旋动了门柄,打开了房门。自然,我以为一定可以看到派克拉夫特
了。
可是,你猜怎么样,——他不在房里!整个书房都零乱得很,碟子和
汤盆放在书本和文具中间,几张椅子都翻在地上,可是派克拉夫特却不在
这儿。。
“我在这儿哪,老兄!请把门关上,”他说。这时候我才把他发现。
这个人竟在天花板底下,靠门的那个角落上,好象给人粘在天花板上
似的。他的脸上带着恼怒和惊惧的表情。“如果有些什么差池,那么,您,
派克拉夫特先生,就会跌下来把头颈跌坏的,”我说。
“我倒情愿跌下来呢,”他说。
“象您这样年纪和体重的人,竟做这种运动。。可是,真的,您是怎
样支持在那儿的呀!”我问。
突然我发现竟是一点也没有什么支持他,他是飘浮在那上面,就象一
个吹胀了的气球。
他用力打算离开天花板,想沿墙壁爬到我这儿来。他抓住一只画框,
但是那画框跟着他过去了,他就又飞到了天花板底下。他撞到天花板上,
这才使我明白他的膝肘各部所以沾上了许多白粉的缘故。他重新用更大的
细心和努力,想利用壁炉落下来。
“这个药方儿,”他喘息着说,“简直太灵验了。我的体重几乎完全
消失了。”
这一下我一切都明白了。
① 这一点,最先讲到并且提出正确解释的,是纪元前一世纪时的古代物理学家拜占廷的菲罗。
“派克拉夫特!”我说,“您其实只需要治好您的肥胖病,但是您却
一直把这叫做体重。。好,别忙,让我来帮助你吧。”我说,一面捉住这
位不幸的朋友的一只手,把他拖了下来。
他想站稳在什么地方,就在房间里乱蹦乱跳。真是一件不可思议的怪
事!这就跟在大风里想拉住船帆的情形一样。
“这张桌子,”不幸的派克拉夫特说,他已经跳得非常疲惫了,“很
结实,很笨重,把我塞到那底下去。。”
我这样做了。可是,虽然他已经给塞到桌子底下,还仍旧在那儿摇晃
着,跟一只系留着的气球一样,一分钟也不肯安静。
“有一件事情要提醒您,”我说,“您千万别想跑到屋子外面去。如
果您跑到屋外,那您就会飞升到高空去。。”
我提醒他要对他现在这个新的处境想好办法。我暗示他可以学会在天
花板上用两只手走路,这大概不会有什么困难的。
“我没法睡觉,”他抱怨说。
我教给他在铁床的钢丝网上缚好一个软褥子,把一切垫在床上的东西
用带绑在那上面,把被也扣在铁床的边上。
人们给他搬了一架木梯进来,把食物放到书橱顶上。我们还想出了一
个绝顶聪明的办法,使派克拉夫特能够随时落到地板上,这办法很简单,
原来《大英百科全书》是放在敞开着的书橱的最上一层的,胖子只要随手
拿两卷书在手里,他便会落到地板上来了。
我在他的家里整整待了两天,两天里面我用小钻和小锤想尽办法给他
做了一些奇怪的用具,给他装了一条铁丝,使他能够去按唤人铃,等等。
我坐在壁炉旁边,他呢,挂在他自己喜欢的那个角落上,正在把一张
土耳其地毯钉到天花板上去,这时侯我起了一个念头:
“哎,派克拉夫特!”我喊道,“我们这些事情都多做了!在衣服里
面装一层铅衬里,不就一切都解决了吗!”
派克拉夫特高兴得差一些要哭出来。
“去买一张铅板,”我说,“衬在衣服里面。靴子里也要衬上一层铅,
手里再提一只实心铅块做成的大手提箱,那就行了!那时候您就不必再待
在这儿,简直可以到国外去旅行了。您更用不着担心轮船出事,万一出了
事只要把身上的衣服脱去一部或者全部,您就可以在空中飞行。”
上面所说的初看仿佛跟物理学上的定律完全符合。但是,这篇故事里
也有一些问题应该提出来。最重要的一点是,即使体重全部消失了,胖子
也并不可能升到天花板底下去!
事实是这样的:根据阿基米德原理,派克拉夫特只有在他衣服连同口
袋里的物体的总重量比他那肥胖身体所排开的空气的重量小,才能“浮
起”到天花板底下去。要算出一个人体体积那么多的空气重量也不难,只
要我们知道人体的比重大约跟水相等。我们平均体重大约是60 公斤,可
知同体积的水重也是这么多,而空气的比重一般只有水的770 分之一,这
就等于说,跟人体同体积的空气大约重80 克。我们的派克拉夫特先生,
再胖也恐怕不会超过100 公斤,因此,他所排开的空气最多也不会超过
130 克。那末,难道这位先生的衣、裤、鞋、袜、日记册、怀表以及别的
小东西的总重量会不超过130 克吗?当然是不止这一些重的。那么,这位
胖子就应当继续停留在房里的地板上,虽然相当不稳定,但是至少不会“象
系留气球那样”,浮到天花板上去。他只有在完全脱掉衣服之后,才真正
会浮上去。如果穿着衣服,他只应当象绑在“跳球”①。。 上的人一样;只
要稍稍用一些劲,比方说轻轻的一跳,就会把他带到离地面很高的地方,
如果没有风,就又慢慢地落下来。
“永动”的时钟
我们在这本书里已经谈到好几种想象的“永动机”,而且也解释过发
明永动机是没有希望的。现在我再来谈一谈一种“不花钱”的动力机,所
谓“不花钱”的动力机,就是不要什么人照顾,却能够长时期工作的机械,
这种机械所需要的动能是从四周的自然环境里得到的。
大家大概见过气压计这个东西吧。气压计有两种:水银气压计和金属
气压计。在水银气压计里,水银柱的上端随时跟着大气压力的变化升起或
降下;在金属气压计里,在大气压力变化的时候,指针会跟着摆动。
十八世纪时候,一位发明家利用了气压计的这种运动来发动时钟的机
械,他就这样造出一只时钟,能够不要外力就使钟自动地走起来,而且可
以不停地走着。英国的有名机械师和天文学家弗格森看到这个有趣的发明
以后,曾经这样评价(在1744年)道:“我仔细观察了上面说的那只时
钟,它是由一个特别装置的气压计里的水银柱升降带动的;我们没有理由
可以相信这只钟会在什么时候停下来,因为贮藏在这只时钟里的动力,即
使把气压计完全拿走,也已经可以维持这只钟走一年之久。我应该率直地
说,根据我对于这只时钟的详细的考察,无论在设计上或者制造上,它的
确是我见到过的机械里最精巧的一种。”
可惜这只时钟没有能够保留到今天,它给人抢走了,现在藏在什么地
方也没有人知道。不过现在还留下来那位天文学家所作的构造图,因此还
有可能把它重新制出来。
在这只时钟的构造里,有一只大型水银气压计。盛水银的玻璃壶挂在
一只框架上,一只长颈瓶倒插在这玻璃壶里,在玻璃壶和长颈瓶里一共装
了150公斤水银。玻璃壶和长颈瓶是活动的,可以移上或移下。当大气压
力增加的时候,一组巧妙的杠杆会把长颈瓶移下,玻璃壶移上;气压减低
的时候,相反的把长颈瓶移上,玻璃壶移下。这两种运动会使一只小巧的
齿轮总是向一个方向转。只有大气压力完全不变的时候,这个齿轮才完全
静止不动——但是在静止的时候,时钟仍旧会由事先提升上去的重锤落下
的能量继续带动。要使重锤能够提升上去而又要靠它的落下来带动机械,
是不容易做到的,但是古时候的钟表匠却很有发明能力,把这个问题解决
了。气压变动的能量太大,超过了需要,使得重锤提升上去比落下来更快;
因此得有一个特别的装置,等到重锤提升到不能再高的时候,会让它自由
地落下去。
这种或者类似的“不花钱”的动力机,跟所谓“永动机”有重大的、
原则性的区别,这个区别不难看出。在“不花钱”的动力机里,动力不是
① 有人认为羽毛比空气轻,但是这是不正确的认识;这东西实际上要比空气重好几百倍。它所以能够在空
中飘浮,只是因为它有极大的面积,使空气对它的阻力跟它的重量比较起来显得很大。
象永动机的发明家所想的那样“无中生有”,它们的动能是从机械外面得
到的,在我们这个例子里就是从四周的大气得到的,而大气是从太阳光得
到这些能量的。“不花钱”的动力机实际上是跟真正“永动机”一样经济
的,只是这种机器的制造成本跟它所得到的能量来比嫌太贵了些。
下面我们还要讲到另外一类“不花钱”的动力机,那时候我们预备举
例来说明,为什么这种动力机在工业上采用时常是很不合算的。
第六章热的现象
十月铁路在什么时候比较长——在
夏季里还是在冬季里?
对于下面这个问题:“十月铁路有多少长?”——有人这样回答:“这
条铁路的平均长度是640 公里,夏天比冬天要长出300 米。”
这个出人意外的答案,并不象你所想的那么不合理:假如我们把钢轨
密接的长度叫做铁路的长度的话,那么这条铁路的长度就真的应该夏天比
冬天长。我们不要忘记,钢轨受热会膨胀,——温度每增高摄氏1 度,钢
轨平均就会伸长原来长度的100,000 分之一。在炎热的夏天,钢轨的温
度会达到30…40 度或许更高些:有时候太阳把钢轨晒得摸起来烫人,但
是在冬天,钢轨会冷到零下25 度或者还更低。我们就把55 度当做冬夏两
季钢轨温度的差数,把铁路全长640 公里乘上0。00001 再乘55,
就知道这条铁路要伸长1 公里!这样看来,莫斯科和列宁格勒之间的铁
3
路在夏天要比冬天长出1 公里,也就是说,大约长出300米了。
3
当然,事实上这儿伸长了的并不是这两个城市之间的距离,而只是各
根钢轨的总长度。这两个东西并不相等,因为铁路上的钢轨并不是密接
的:在每两根钢轨相接的地方,留出了一定大小的间隙①,以便钢轨受热
的时候有膨胀的余地。数学的计算告诉我们,全部钢轨的总长度是在这些
空隙之间增加的,在夏天很热的日子比冬天极冷的日子要伸长300 米之
多。因此十月铁路的钢轨长度事实上夏天比冬天长300 米。
不受处罚的盗窃
莫斯科到列宁格勒之间的电讯线路,每到冬天总要有好几百米值钱的
电报线电话线遗失得无影无踪,但是没有人为了这件事情焦急不安,虽说
大家都很清楚知道这是谁干的事情。当然,你也一定知道的:干这件事情
的就是冬天里的严寒的天气。我们方才谈的关于钢轨的情形,对于电话线
也完全适用,不同的只是,铜做的电线受热膨胀的程度比钢轨大,等于钢
轨的1。5 倍。要注意的是,电话线上是没有留出什么间隙的,因此我们可
以毫无保留地相信,莫斯科到列宁格勒之间的电话线,冬天要比夏天短大
约500 米。严寒的天气就在每个冬季偷掉半公里长的电话线,但是并没有
给电讯工作造成什么损害,等到暖和季节到来以后,它又会把“偷掉”的
电线给送回来了。
不过,这样在冷天收缩的情形,假如不是发生在导线上,而是发生在
桥梁上的话,那么,所得到的后果就非常严重了。下面是1927 年十二月
报纸上刊登的一条新闻:
法国遭到连续几天的严寒的袭击,巴黎市中心的塞纳河桥受到严重的
① 关于“跳球”的详细情形,请参看我著的《趣味力学》第四章。
破坏。桥的铁架受冷收缩,因此桥面上砌的砖突起碎裂了。桥上交通只得
暂时断绝。
艾菲尔铁塔的高度
假如现在问你,艾菲尔铁塔有多高,你一定会在回答“300米”之前,
反问一句:
“在什么季节——冷天还是热天?”
因为你知道这么高的铁塔,它的高度一定不可能在什么温度都相同。
我们知道,300米长的铁杆,温度每增加摄氏1度,要伸长3毫米。这座
艾菲尔铁塔在温度增加1度的时候,大约也会加高这么多。在巴黎,夏天
有太阳的时候,这座铁塔会给晒热到40度,而在阴冷的雨天,它的温度
会跌到10度,冬天呢,那要跌到0度或者甚至于零下10度(巴黎严寒的
时日不多)。你看,这座铁塔一年四季所受到的温度变化要在40度以上,
这说明了艾菲尔铁塔的高度可以伸缩 3×40=120毫米,就是12厘米(比
这本书上的一行还长)。
直接度量的结果,使我们知道艾菲尔铁塔对于温度的变化,甚至比空
气更敏感:它要比空气热得更快也冷得更快,在阴天太阳突然出现的时
候,它比空气更早地起了反应。艾菲尔铁塔的高度,是用一种几乎不受温
度变化的影响、始终保持原有长度的镍钢丝来量度的。这种镍钢叫做“因
钢”(这是从拉丁文invar译音的,原意是“不变的”)。
就是这样,艾菲尔铁塔的顶端在�