趣味物理学

　　
　　看似习以为常的生活里，其实藏了很多物理玄机！
　　想不到吧？

　　端坐在椅子上的你，根本没法站起来；
　　行走是一系列向前的摔倒动作；
　　一吨木头竟然比一吨铁更重；
　　我们看到的日出其实比太阳的实际位置高。

　　快和别莱利曼一起，穿透日常事物的表象，
　　了解物理学的趣味与奥秘！

　　顺便附上作者亲述的写作初衷：

　　这本书的目标不是介绍新的知识，而是帮助你"了解自己已经知道的东西"。换句话说，它想刷新你的物理学基础认知，使之变得生动，并教你学会运用这些知识的各种方式。所以，书中有很多趣味问题、脑筋急转弯、奇闻轶事、好玩的实验、悖论和出乎意料的类比--这些来自日常世界和科幻作品的内容都和物理有关。
　　科幻小说适合出现在这样的书里，所以别莱利曼大量引用了儒勒·凡尔纳、H. G. 威尔斯、马克·吐温和其他作家的作品，因为除了供人消遣以外，这些作家描绘的幻想实验很适合作为物理课上的案例。他想通过《趣味物理学》激发读者的兴趣，勾起读者的好奇心，因为我相信，你对某样东西越有兴趣，就越愿意去深入钻研它，也越容易理解它的含义--从而获取更多的知识。
　　这本书希望你能从物理学的角度沿着科学的脉络思考，将物理学知识与日常事物紧密联系在一起。 "科普作家引领读者从基础的通识出发，走向深刻的思想和严肃的研究，他通过简单的讨论或显著的案例，介绍根据这些事实得出的主要结论，激发读者不断提出更新的问题。科普作家不应预设读者不思考，或者不能、不愿思考。恰恰相反，他应该预设潜在的读者热切地希望开动大脑，并通过自己认真艰苦的工作辅助、引导对方迈出初的几步，教会他继续独立前行。"

　　
　　雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼，苏联科普作家，趣味科学创始人。 
　　别莱利曼一生发表了1000多篇文章，出书105本，其中大部分是趣味科普读物。他的《趣味物理学》《趣味代数学》《趣味几何学》《趣味力学》等作品堪称世界科普经典。他的作品还被翻译成汉语、英语、德语、法语、波兰语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语、匈牙利语等多种语言，在世界范围内出版发行。
　　俄罗斯知名科学家、火箭技术先驱者之一格鲁什科称赞别莱利曼是"数学的歌手、物理学的乐师、天文学的诗人、宇航学的司仪"。他将文学语言和科学术语巧妙地融为一体，将生活实践与科学理论有趣地结合在一起。
　　为了纪念他，月球背面上的一座环形山以他的名字命名。

　　
　　作者序

　　章 速度和速率 运动的构成

　　我们的速度有多快？
　　逆时间而行
　　一秒的千分之一
　　慢速摄像机
　　我们什么时候绕太阳运动得更快？
　　车轮之谜
　　轮子动得慢的地方
　　脑筋急转弯
　　帆船从哪儿启航？

　　第二章 重力和重量  杠杆 压强

　　试着站起来！
　　走和跑
　　如何跳下行驶的汽车？
　　抓住一颗子弹
　　西瓜炸弹
　　如何称量自己的体重？
　　物体在什么地方更重？
　　坠落的物体有多重？
　　从地球到月球
　　飞向月球：儒勒·凡尔纳VS真相
　　错误的秤也能称出正确的重量
　　比你想象的更强壮
　　尖锐的物体为什么特别锋利？
　　舒服的……石头床

　　第三章 空气阻力

　　子弹和空气
　　大贝莎
　　风筝为什么会飞？
　　活的滑翔机
　　热气球般的种子
　　延迟跳伞
　　回旋镖

　　第四章 旋转与永动机

　　如何分辨煮熟的蛋和生的蛋？
　　旋转
　　墨迹旋风
　　被欺骗的植物
　　永动机
　　"小毛病"
　　"动力来自这几个球"
　　乌菲姆采夫的蓄电池
　　"一个不是奇迹的奇迹"
　　另外几种永动机
　　连彼得大帝都想买的永动机

　　第五章 旋转与永动机

　　两个咖啡壶
　　古罗马人的"无知"
　　液体压力……向上
　　哪个桶更重？
　　液体的天然形状
　　弹头为什么是圆的？
　　"填不满"的酒杯
　　不愉快的特性
　　永不沉没的硬币
　　筛子打水
　　泡沫帮助工程师
　　伪永动机
　　吹肥皂泡
　　薄
　　不用弄湿手指
　　我们怎么喝东西？
　　改进漏斗
　　一吨木头和一吨铁
　　没有重量的男人
　　永动钟

　　第六章 热

　　奥克特亚布斯卡亚铁路什么时候更长？
　　抓不到的小偷
　　埃菲尔铁塔有多高？
　　从茶杯到水位尺
　　澡堂里的靴子
　　如何创造奇迹？
　　自上弦钟
　　引人深思的香烟
　　在沸水里也不会融化的冰
　　上面还是下面？
　　来自紧闭窗户的风
　　神秘的旋转
　　冬天的外套能温暖你吗？
　　脚下的季节
　　纸壶
　　冰为什么是滑的？
　　冰锥问题

　　第七章 光

　　凝固的影子
　　蛋里的鸡
　　滑稽摄影
　　日出问题

　　第八章 反射和折射

　　看穿墙壁
　　会说话的脑袋
　　前面还是后面？
　　镜子是可见的吗？
　　镜子里面
　　对着镜子画画
　　短和快
　　飞翔的乌鸦
　　万花筒
　　幻象宫殿和海市蜃楼宫殿
　　光为什么会折射以及它如何折射
　　更长的路反而更快
　　"新鲁滨孙漂流记"
　　用冰点火
　　帮助阳光
　　海市蜃楼
　　"绿光"

　　第九章 视觉

　　摄影术发明之前很多人不会做的事
　　怎么看照片？
　　照片应该放多远？
　　放大镜的奇特效果
　　放大照片
　　电影院里棒的位置
　　致图画杂志读者
　　怎么看画？
　　两个维度里的三维
　　立体镜
　　双眼视觉
　　单眼和双眼
　　鉴伪
　　巨人眼里的世界
　　立体镜里的宇宙
　　三眼视觉
　　立体的闪光
　　透过火车车窗观察
　　透过有色眼镜观察
　　"奇迹影子戏"
　　神奇的变形
　　这本书有多高？
　　钟楼表盘
　　黑与白
　　哪个更黑？
　　凝视肖像
　　其他视错觉
　　近视

　　第十章 声音和听觉

　　寻找回声
　　以声为尺
　　声镜
　　剧院里的声音
　　海底回声
　　蜜蜂为什么会发出嗡嗡声？
　　幻听
　　蚱蜢在哪里？
　　耳朵的把戏

　　
　　看似习以为常的生活里，其实藏了很多物理玄机！
　　想不到吧？

　　端坐在椅子上的你，根本没法站起来；
　　行走是一系列向前的摔倒动作；
　　一吨木头竟然比一吨铁更重；
　　我们看到的日出其实比太阳的实际位置高。

　　快和别莱利曼一起，穿透日常事物的表象，
　　了解物理学的趣味与奥秘！

　　顺便附上作者亲述的写作初衷：

　　这本书的目标不是介绍新的知识，而是帮助你"了解自己已经知道的东西"。换句话说，它想刷新你的物理学基础认知，使之变得生动，并教你学会运用这些知识的各种方式。所以，书中有很多趣味问题、脑筋急转弯、奇闻轶事、好玩的实验、悖论和出乎意料的类比--这些来自日常世界和科幻作品的内容都和物理有关。
　　科幻小说适合出现在这样的书里，所以别莱利曼大量引用了儒勒·凡尔纳、H. G. 威尔斯、马克·吐温和其他作家的作品，因为除了供人消遣以外，这些作家描绘的幻想实验很适合作为物理课上的案例。他想通过《趣味物理学》激发读者的兴趣，勾起读者的好奇心，因为我相信，你对某样东西越有兴趣，就越愿意去深入钻研它，也越容易理解它的含义--从而获取更多的知识。
　　这本书希望你能从物理学的角度沿着科学的脉络思考，将物理学知识与日常事物紧密联系在一起。 "科普作家引领读者从基础的通识出发，走向深刻的思想和严肃的研究，他通过简单的讨论或显著的案例，介绍根据这些事实得出的主要结论，激发读者不断提出更新的问题。科普作家不应预设读者不思考，或者不能、不愿思考。恰恰相反，他应该预设潜在的读者热切地希望开动大脑，并通过自己认真艰苦的工作辅助、引导对方迈出初的几步，教会他继续独立前行。"

　　
　　雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼，苏联科普作家，趣味科学创始人。 
　　别莱利曼一生发表了1000多篇文章，出书105本，其中大部分是趣味科普读物。他的《趣味物理学》《趣味代数学》《趣味几何学》《趣味力学》等作品堪称世界科普经典。他的作品还被翻译成汉语、英语、德语、法语、波兰语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语、匈牙利语等多种语言，在世界范围内出版发行。
　　俄罗斯知名科学家、火箭技术先驱者之一格鲁什科称赞别莱利曼是"数学的歌手、物理学的乐师、天文学的诗人、宇航学的司仪"。他将文学语言和科学术语巧妙地融为一体，将生活实践与科学理论有趣地结合在一起。
　　为了纪念他，月球背面上的一座环形山以他的名字命名。

　　试着站起来！

　　如果我说你没法从椅子里站起来，你一定觉得我在开玩笑--可是真的，如果以某种特定的方式坐在椅子里，哪怕没有任何束缚，你也站不起来。不信我们试试看。上半身直立，脚不能收到椅子下面。现在，不要移动你的脚，也不要向前倾身，试着站起来。不管你多努力都做不到。除非把脚收到椅子下面，或者身体前倾，否则你怎么都站不起来。
　　给出解释之前，请容我介绍一下身体，尤其是人体的平衡机制。物体只有在它的重心的垂线穿过其底部时才不会倒下。有些倾斜得太厉害的圆柱体一定会倒。但反过来说，如果圆柱体的重心垂线穿过它的底面，那它就不会倒。著名的比萨斜塔、博洛尼亚斜塔和阿尔汉格尔斯克的斜钟楼都是斜的，但它们不会倒塌，也是基于同样的原理--这几座建筑物重心的垂线并未超出其地基的范围，而且它们的地基都埋在地底深处。
　　你的身体重心垂线必须落在双脚的轮廓以内，你才不会摔倒，所以单脚站立才那么难，要在绷紧的绳子上保持平衡则更难。我们的"底面"很小，所以重心的垂线很容易落到这个范围以外。你有没有注意过那些"老水手"的奇怪步态？他们一生中的大部分时间都待在颠簸的甲板上，身体的重心垂线随时可能落到底面积外，所以他们才会养成这样的习惯：在甲板上走路时双脚尽可能地朝两边分开，占据更大的空间，以免摔倒。哪怕回到了坚实的地面上，他也自然而然地保持了自己习惯的摇摇摆摆的走路方式。
　　下面我们再举一个反面的例子：试图保持平衡的努力也能塑造优美的姿态。把货物顶在头上的搬运工往往体态健美--我假设你已经注意到了这件事。你也许还见过头顶罐子的女性的精致雕像。因为头上顶着东西，所以他们必须挺直自己的头和身体。也正因为头顶有东西，所以无论他们朝哪个方向倾斜，都会让重心垂线产生比平时更严重的偏移，超出身体底面的范围，继而失去平衡。
　　现在回头来看本章开头我提出的问题。你坐在椅子上，你的身体重心位于脊柱附近--大约在肚脐上方20厘米的位置。以这个位置为起点作一条垂线，它会穿过双脚后方的椅面。你已经知道了，一个人要想站起来，他的重心垂线必须落在双脚的轮廓范围以内。既然如此，要想站起来，我们要么向前倾身，改变身体的重心位置；要么把脚收到椅子下面，好让重心垂线穿过身体的底面。这正是我们从椅子里站起来时经常做的动作。如果不允许你这样做，你永远都站不起来--正如你已经试过的那样。

　　冬天的外套能温暖你吗？

　　如果我告诉你，你的毛皮大衣根本没法温暖你，你大概觉得我在开玩笑。但假如我能证明这一点呢？请看下面这个实验。取一支普通温度计，记录它的读数。然后用你的毛皮大衣把它裹起来，放几个小时，再次记录温度计的读数。它应该和原来一模一样。现在你是不是信了，毛皮大衣没法温暖你？而且说不定还会让你更冷！取两袋冰块，其中一袋用毛皮大衣裹起来，另一袋放在盘子里。等盘子里的这袋冰融化以后，解开大衣，你会发现袋冰块完全没化。如你所见，大衣至少肯定没法给你带来温暖，恰恰相反，它看起来似乎还有降温的效果，因为冰融化的时间变长了！
　　所以，冬天的外套能温暖你吗？如果"温暖"的定义是热交换，那么答案是不能。灯能产生热交换，火炉也可以，我们的身体也行，它们都是热源。但你的毛皮大衣不是热源，它自身不会产生任何热量，只能帮助我们的身体减少热量的损失。所以披着毛皮的温血动物--事实上，它们的身体就是一种热源--摸起来要比没有毛皮的暖和得多。但我们拿来做实验的温度计不是热源，所以哪怕用毛皮大衣把它裹起来，它的读数自然也不会变。裹在大衣里的冰化得慢，也是因为大衣的导热能力很差，它会阻止冰块吸收周围的热量。
　　地面上的雪的作用类似毛皮大衣，和所有粉末状的物体一样，雪也是热的不良导体，所以它能帮助地面减少热的损失。被雪层覆盖的地面温度往往要比露天的位置高10℃左右。
　　所以，"冬天的外套能温暖你吗？"这个问题的答案是：它只能帮助我们的身体保温，事实上，不是外套温暖了我们，而是我们温暖了外套。

　　剧院里的声音

　　喜欢看戏、听音乐会的人都很清楚，剧院的声学效果有的很好，有的很糟糕。有的剧院能把演讲和音乐清晰地传到相当一段距离以外，有的剧院哪怕坐得很近都听不清楚。
　　不久前人们还认为，剧院声学效果的好坏完全取决于运气。现在建筑者已经找到了一些抑制负面混响的途径和方法。虽然我不打算在这个话题上多做展开，因为恐怕只有建筑师才感兴趣，不过请容我强调一句，避免声学缺陷的途径主要是创造吸收多余声音的表面。
　　敞开的窗户吸收声音的效果好--就像孔洞吸收光线的效果好。顺便说一句，估算消声效果时，我们采用的标准单位是一平方米敞开的窗户。观众自身吸收声音的效果也很棒，每个人大约相当于半平方米敞开的窗户。"观众真的能把演讲者的话听'进去'。"一位物理学家这样说过。如果没有能听进去话的观众，演讲者也真的会很困扰。
　　声音被过度吸收也不是什么好事儿，因为，这会削弱演讲和音乐的声音；第二，这还会过度抑制混响，让声音听起来显得单薄脆弱。正如我们看到的，一定程度（既不长也不短）的混响是有益的。每座剧院需要的混响程度各不相同，负责设计的建筑师必须对此做出估算。
　　从物理学的角度来说，剧院里还有一个有趣的地方，那就是提词厢。提词厢的形状总是一样的--你有注意过吗？这是物理学决定的。提词厢的天花板是一面凹面声镜，它承担着双重功效：，避免提词员说的话被观众听到；第二，把提词员的声音反射到舞台上的演员耳朵里。

　　走和跑

　　有的事情你每天都要做成千上万次，有生之年，日复一日，那你应该非常了解它们，难道不是吗？是的，你会回答。然而事实并非如此，就拿行走和奔跑来说，还有比这更熟悉的事吗？但我想问问，你们中有多少人清楚明白地知道，我们走和跑的过程中实际上是在做什么，或者说这二者的区别在哪里。我很确定，大部分人会发现自己的描述陌生得令人震惊，以下这段话出自保罗·伯特教授的作品《动物学讲座》（里面的插画是我画的）：

　　假如一个人单腿站立，比如说右腿，然后进一步假设他抬起脚跟，同时身体前倾。以这样的姿势，他的重心垂线会自然而然地移到身体的底面以外，所以他必然向前摔倒。几乎就在这个动作开始的瞬间，他迅速向前迈出左腿，让左脚落在重心垂线前方的地面上。这样一来，重心垂线再次回到了双脚支撑的范围内，于是身体恢复了平衡--这个人向前走了一步。

　　他也许会保持这个相当累人的姿势，不过他应该会希望继续前进，于是他再次前倾，让重心垂线移到底面外，然后在即将摔倒时再次迈腿（这次是右腿）向前，这样他就又往前走了一步。如此周而复始。因此，行走其实是一系列向前摔倒的动作，只是行走的人及时地将后面那条腿迈到新的支撑位置，从而恢复了平衡。
　　我们试着探寻一下这个问题的本质。假设步已经迈出去了。在这一刻，右脚仍踩在地面上，而左脚刚刚碰到地面。如果这个人走得不是特别慢的话，他的右脚应该已经提起来了，因为这个动作让他得以前倾身体，打破原来的平衡。左脚先碰到地面，接下来，等到整个左脚在地上站稳，右脚已经完全提了起来，与地面不发生任何接触。与此同时，随着股三头肌的收缩，原本在膝盖处微微弯曲的左腿瞬间绷直。这让半弯的右腿得以向前移动，不必接触地面。随着身体的运动，右脚开始接触地面，为下一步做好准备。在这一刻，左腿只有脚趾的部分还停留在地面上，左脚即将完全离开地面，开始下一轮动作。
　　奔跑和行走不一样的是肌肉的突然收缩让踩在地面上的那只脚有力地绷直了，将身体推向前方，所以奔跑时你的整个身体会完全离开地面，虽然只有很短的一段时间。然后你会再次落到地面上，靠另一只脚支撑，随后这只脚又会迅速迈向前方，与此同时，身体继续停留在空中。因此，奔跑由一系列不断交换的单脚跳组成。
　　有的人可能觉得，在水平的人行道上行走消耗的能量为零，但事实并非如此。对走路的人来说，他迈出每一步的过程中，身体的重心都会向上移动几厘米，然后再落回原来的高度。计算表明，沿着水平道路行走消耗的能量大约相当于让身体向上移动同样距离所需能量的1/15。

　　冰为什么是滑的？

　　打过蜡、表面光滑的地板比没打过蜡的滑得多。既然如此，光滑的冰面岂不是也应该比崎岖不平的冰面更滑？但现实却恰恰相反，雪橇在崎岖不平的冰面上跑起来比在光滑的冰面上顺畅得多--如果你亲自拉过雪橇，那你可能已经发现了这个问题。崎岖不平的冰面为什么比平坦的冰面更滑？冰之所以是滑的，并不是因为它的表面有多光滑，而是因为它在受到压力时熔点会下降。
　　现在我们来看看，当你拉雪橇或者滑冰时实际上发生的事情。踩着冰刀的我们把全身的重量都压在一块很小的区域上，这块区域的面积可能只有几平方毫米。回忆一下本书的第二章，你会发现，穿冰刀的人对冰面施加了一个很大的压力。在这样的压力下，冰的熔点会降低。假设冰面的温度是-5 摄氏度，滑冰者施加的压力让他脚下的冰面熔点降低了6摄氏度或7摄氏度，那么这个位置的冰就会融化，在冰刀和冰面之间积聚薄薄的一层水。难怪滑冰者能在冰面上轻松滑行。无论他滑到冰面上的什么地方，同样的过程都会再次重复。滑冰者不断地在水的薄层上滑行。只有冰拥有这种特殊的性质。一位物理学家甚至说它是"自然界里一种滑溜溜的物体"。其他所有物体都只是表面光滑而已。
　　现在，说回我们初的问题。崎岖不平的冰面为什么比平坦的冰面更滑？我们已经知道，接触面越小，同等重量的物体产生的压强越大。一个人的身体在什么情况下产生的压强更大？是在平坦的冰面上还是在崎岖的冰面上？显然，他在崎岖冰面上产生的压强更大，因为在这种情况下，支撑他身体的只有冰面上的几个凸点。压强越大，冰融化得越快，因此也变得越滑--前提是雪橇的滑道够宽（但薄薄的冰刀在崎岖的冰面上不会滑得更轻松，因为动能产生的热量会切开冰面上的凸点，让冰刀更充分地接触冰层）。
　　压力会让冰的熔点降低，这一特性解释了我们周围的很多现象。被紧紧挤压在一起的冰块会凝结成一大块，正是出于这个原因，扔雪球的男孩们也会无意识地利用这种特性--一片片的雪花之所以能被捏成雪球，正是因为压力降低了它们的熔点。我们堆雪人时同样利用了这一原理。（所以一旦霜冻特别严重，散落的雪就很难捏成雪球或者堆成雪人，我想背后的原因应该不用解释了吧。）经过无数行人的踩踏，人行道上的雪会慢慢变成坚硬的冰层。
　　理论计算的结果表明，要让冰的熔点降低1 摄氏度，我们必须对它施加130千克/平方厘米的压强，这个数字相当可观。别忘了，在融化的过程中，冰和水承受着同样的压力。但在我们刚才介绍的几个案例中，承受强大压力的只有冰，冰融化后产生的水承受的是大气压力，所以在这种情况下，压力对冰熔点的影响要大得多。

　　
　　尽管自20世纪以来，现代科学突飞猛进、日新月异，不过由于别莱利曼这本书涉及的问题多是对日常生活现象的科学解释，故绝大多数知识并未过时，现在读起来依然兴趣盎然，这主要归功于这本书的三大特点：趣味性、生活化、讲解通透。 
　　                                                   --中国科学院自然科学史研究所研究员 史晓雷

　　推荐一套影响我很多年的书，苏联科普作家别莱利曼的《趣味物理学》系列，无论是文笔，还是讲故事，都是娓娓道来，在我这文科生的心里埋下理科的种子……推荐给所有的孩子家长，不会让你后悔的书。

　　--中国社科院国际问题专家  张国庆

　　书中回避了枯燥的说教，而是与读者分享一些神奇的故事，有趣的难题、各种奇谈怪论，一起讨论其中的科学知识。它所能做到的，不是要"教会"读者多少新知识，而是帮助读者对他在科学方面已掌握的基本知识有更深入了解，并且能够活学活用。

　　--少年商学院
　　                   &nbs