趣味力学+从一到无穷大（共2册）

数百年前，达·芬奇写道：“人类任何的知识，如果不使用力学论据体系，都无法成为真理科学之一。”这是许多年前的真理，直到今天依然被证实是准确的。

本书是世界著名科普作家、趣味科学奠基人别莱利曼*经典的作品之一。在本书中，作者不仅力求向读者讲述物理学中力学的新知识，帮助读者了解他已经知道的东西，还希望加深读者对力学重要理论的认知并对这些知识产生更浓厚的兴趣，让读者学会如何在各个方面对已掌握的知识做到活学活用。为了达到这个目的，书中推出了关于力学的大量谜题以及引人入胜的故事和妙趣横生的问题，当然还有各种奇思妙想，而这些内容大都来源于我们生活中每天都会发生的事件，也有的取材于著名的科学幻想作品中虚构的故事。

通过本书，读者不仅可以轻轻松松爱上力学这一学科，还能激活无穷的科学想象力，掌握按照物理学方式去思考的技巧，同时，对生活中可以经常接触到的各种现象与力学知识的内在联系也能产生深刻的印象。

总之，这是一本妙趣横生、引人入胜而又让人流连忘返、受益无穷的科普读物！

《从一到无穷大》是当今世界上罕见的、横跨多个学科的科普经典巨著，作者荣获得卡林伽科普奖。本书图文并茂，由爱因斯坦亲笔推荐，是自然科学入门经典作品。

《从一到无穷大》围绕20世纪以来科学的新发现展开，由浅入深地讲述了数字游戏、可以弯曲的四维空间和时间、爱因斯坦的相对论、组成人类微观世界的物质——基本粒子与基因、生命的遗传规律、宏观世界——宇宙和星系，等等。伽莫夫在书中融入了自身见解，呈现各个学科的思维方式与科学方法，使庞大的知识和理论自成体系。书中128副作者亲手绘制的插图与文字相辅相成，使理性思考与感性认知相辅相成，通俗易懂。

《从一到无穷大》如同一部流动的科学史诗，一个个轰动世界的实验，凝结了科学家们的心血，多个学科丰富的知识和理论，尽情地展现科学之美。海盗的宝藏、摆满64 格棋盘的麦子、双重苹果、莫比乌斯面、酒鬼运动........充满了奇思妙想，主人公诡辩之处又令人忍俊不禁，不得不为科学家们超凡的智慧折服。

雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼（1882-1942），生于前苏联格罗德省别洛斯托克市。他一生致力于教学和科学写作，从17岁开始发表作品，一生共完成了105本著作，这些著作大部分都是科普读物，其中《趣味物理学》到1986年已再版22次。这些作品被翻译成多国文字在全世界出版发行，其趣味科学系列被译为十几种语言。是世界公认的科普名著。1936年别莱利曼在列宁格勒去世，1959年，人们以他的名字命名了一座月球上的环形山，以此来纪念这位人类的科普大师。

乔治•伽莫夫（George Gamow，1904-1968），1904年出生于俄国的敖德萨市，著名物理学家、天文学家。伽莫夫在原子核物理研究中成就斐然，是“大爆炸”理论的推动者，对破译生物学“遗传密码”做出过贡献，提出放射性量子论和原子核的“液滴”模型。

伽莫夫是世界科普作家，一生共撰写25部科普作品，他的科普作品深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。并有多部作品风靡全球：《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳的生与死》《有一颗行星叫地球》《从伽利略到爱因斯坦：伟大物理学家的故事》《给孩子讲万有引力》《给孩子讲量子力学》 等，其中以《从一到无穷大》为著名与经典。

1956年，他荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。

篇　力学的基本原理

两个鸡蛋的问题 001

骑木马旅行 003

力学常识 004

在船上战斗 005

空气动力管 006

行驶中的火车 007

哥白尼的“日心说”与托勒玫体系 009

应该怎样理解惯性定律 010

作用力与反作用力 012

两匹马的问题 015

两艘船的问题 015

步行者与蒸汽机的奥秘 016

“克服惯性”的意义是什么？ 018

火车车厢 018

第二篇　力与运动

力学公式参考一览表 020

枪的反冲力 022

日常的与科学的常识 023

月球上的大炮 025

在海底射击 026

推动地球 028

不正确的发明思路 030

飞行着的火箭重心在哪里？ 032

第三篇　重力

悬锤和钟摆的例子 034

钟摆在水里 037

在斜坡上 038

水平线什么时候不水平？ 039

有磁力的山 043

向山上流的河 044

铁棒的问题 045

第四篇　下落和抛掷

日行千里靴 047

人体炮弹 050

投球纪录 054

通过危险的桥 056

三颗弹丸 057

四块石头的问题 059

两块石头的问题 060

投球游戏 060

第五篇　圆周运动

增加重量的简易方法 062

不安全的娱乐设施 064

在铁路的弧形转弯处 065

非步行路 067

倾斜的大地 068

为什么河流都弯弯曲曲的？ 071

第六篇　碰撞

简单易懂的探索 074

碰撞力学 075

研究自己的皮球 077

在槌球场上 081

“力来源于速度” 082

人体砧板 083

第七篇　一些有关强度的问题

对海洋深度的测量 086

长的金属丝 088

牢固的材料 089

比头发更坚固的是什么？ 090

为什么用管子制作自行车的框架？ 091

七根枝条的寓言 093

第八篇　功·功率·能

很多人不了解功的单位 095

1千克米的功是怎么产生的？ 096

不能这样计算功 097

拖拉机的牵引力 098

活体和机械发动机 099

100只兔子和1头大象 101

人类的机器奴隶 102

秤“分量多一些” 106

亚里士多德的问题 107

易碎东西的包装 108

谁的能量？ 110

自动机械 112

摩擦取火 113

被溶解的弹簧的能 117

第九篇　摩擦与介质的阻力

从雪山上向下滑 119

发动机关闭以后 120

马车的车轮 121

机车与轮船的能量消耗到什么地方了？ 122

被水冲走的石头 123

小雨点的速度 125

物体下落之谜 129

顺流而下 130

什么时候被雨淋得更严重？ 132

第十篇　生物界的力学

格列佛与巨人 135

河马为什么动作笨拙？ 137

陆地生物的构造 138

004 力 学

巨兽灭绝的命运 139

谁的跳跃能力更好？ 140

谁的飞行能力强？ 141

没有破损的降落 143

为什么树不会长到天一样高？ 143

伽利略著作文摘 145

附录

在爱因斯坦居住的国家游玩（О.А.瓦利比卡随笔） 148

本书中的物理学单位一览表 148

部分 数字游戏

章　大数／ 002

第二章　自然的和人造的数／ 021

第二部分  空间、时间与爱因斯坦

第三章　空间的特异属性／ 036

第四章　四维世界／ 056

第五章　空间和时间的相对性／ 073

第三部分  微观世界

第六章　下降的梯级／ 098

第七章　现代炼金术／ 126

第八章　无序定律／ 160

第九章　生命之谜／ 194

第四部分  宏观世界

第十章　拓展视线／ 226

第十一章　创世日／ 251

索引／ 287

数百年前，达·芬奇写道：“人类任何的知识，如果不使用力学论据体系，都无法成为真理科学之一。”这是许多年前的真理，直到今天依然被证实是准确的。

本书是世界著名科普作家、趣味科学奠基人别莱利曼*经典的作品之一。在本书中，作者不仅力求向读者讲述物理学中力学的新知识，帮助读者了解他已经知道的东西，还希望加深读者对力学重要理论的认知并对这些知识产生更浓厚的兴趣，让读者学会如何在各个方面对已掌握的知识做到活学活用。为了达到这个目的，书中推出了关于力学的大量谜题以及引人入胜的故事和妙趣横生的问题，当然还有各种奇思妙想，而这些内容大都来源于我们生活中每天都会发生的事件，也有的取材于著名的科学幻想作品中虚构的故事。

通过本书，读者不仅可以轻轻松松爱上力学这一学科，还能激活无穷的科学想象力，掌握按照物理学方式去思考的技巧，同时，对生活中可以经常接触到的各种现象与力学知识的内在联系也能产生深刻的印象。

总之，这是一本妙趣横生、引人入胜而又让人流连忘返、受益无穷的科普读物！

《从一到无穷大》是当今世界上罕见的、横跨多个学科的科普经典巨著，作者荣获得卡林伽科普奖。本书图文并茂，由爱因斯坦亲笔推荐，是自然科学入门经典作品。

《从一到无穷大》围绕20世纪以来科学的新发现展开，由浅入深地讲述了数字游戏、可以弯曲的四维空间和时间、爱因斯坦的相对论、组成人类微观世界的物质——基本粒子与基因、生命的遗传规律、宏观世界——宇宙和星系，等等。伽莫夫在书中融入了自身见解，呈现各个学科的思维方式与科学方法，使庞大的知识和理论自成体系。书中128副作者亲手绘制的插图与文字相辅相成，使理性思考与感性认知相辅相成，通俗易懂。

《从一到无穷大》如同一部流动的科学史诗，一个个轰动世界的实验，凝结了科学家们的心血，多个学科丰富的知识和理论，尽情地展现科学之美。海盗的宝藏、摆满64 格棋盘的麦子、双重苹果、莫比乌斯面、酒鬼运动........充满了奇思妙想，主人公诡辩之处又令人忍俊不禁，不得不为科学家们超凡的智慧折服。

雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼（1882-1942），生于前苏联格罗德省别洛斯托克市。他一生致力于教学和科学写作，从17岁开始发表作品，一生共完成了105本著作，这些著作大部分都是科普读物，其中《趣味物理学》到1986年已再版22次。这些作品被翻译成多国文字在全世界出版发行，其趣味科学系列被译为十几种语言。是世界公认的科普名著。1936年别莱利曼在列宁格勒去世，1959年，人们以他的名字命名了一座月球上的环形山，以此来纪念这位人类的科普大师。

乔治•伽莫夫（George Gamow，1904-1968），1904年出生于俄国的敖德萨市，著名物理学家、天文学家。伽莫夫在原子核物理研究中成就斐然，是“大爆炸”理论的推动者，对破译生物学“遗传密码”做出过贡献，提出放射性量子论和原子核的“液滴”模型。

伽莫夫是世界科普作家，一生共撰写25部科普作品，他的科普作品深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。并有多部作品风靡全球：《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳的生与死》《有一颗行星叫地球》《从伽利略到爱因斯坦：伟大物理学家的故事》《给孩子讲万有引力》《给孩子讲量子力学》 等，其中以《从一到无穷大》为著名与经典。

1956年，他荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。

哥白尼的“日心说”与托勒玫体系

毫无疑问，一个问题在读者中产生：应该怎样解决哥白尼与托勒玫有关地球运动相对论的经典力学观点？显然，在这个问题上讨论的不是直线运动，因而问题陷入爱因斯坦相对论领域，在这里，没有研究的我们全都不包括在内。

这样一来，变为讨论什么围绕什么的问题：是地球围绕太阳，还是太阳围绕地球？

这样设置问题是不正确的。因为在现实中，讨论两个规律的运动是怎样实现的是毫无意义的：物体的运动是相对于另外的物体而言的，的运动是不存在的。所以提出的这个问题应该用以下方法回答：地球和太阳的运动都是相对于对方而言的，从地球上观察的时候，太阳就好像是围绕着地球在转动，而如果在太阳上观察的话，地球应该是围绕着太阳在转动。

我们知道杰出的物理学家爱因斯坦，他说：“行星运动在托勒玫的理论体系中简单而模糊，在哥白尼的体系中则较明显。但对于普通的地球上的现象原理是相反的：托勒玫体系使它们暴露出大自然的规律性。地球体系，或者说托勒玫体系自然引发地球现象，而太阳体系，或者说哥白尼体系揭示了太阳体系运动；但对于两个体系而言，我们不能从其中一个方面得出适宜的定论，没必要使问题复杂化。”

你们赞同这个，如果你们能想起除了哥白尼之外的哪怕一个天文学家，这个天文学家否认“托勒玫”的观点：“我得出的结论是，地球更好地把太阳带入自己的自转运动中。”为了界定哥白尼的观点比托勒玫的地心说更得体，在这种情况下，我们毫不犹豫地支持了希腊人的观点。

我们这个时代的天文学，或者说是另一个时代的天体现象，经常完全不能想到关于星系的运动。他们想当然地进行推测：所有的天空都围绕不运动的地球在转a。

读者也许忘记了，事实上真的忘记了——长时间以来引发我们研讨的理由是，效仿关于苹果落地的问题。这个问题具有世界性影响，在力学史上具有转折性意义。美国杂志毫无顾虑地表示，他们在碰撞的苹果之间规定了区别，不用猜疑，他们处于经常不断传说的前夕。

原子有多大？

当德谟克利特和恩倍多克勒谈到原子时，他们秉持一个模糊的哲学思想：物质不可能无限制地分割下去，终会达到一个不可再分的单元。当一个现代化学家谈到原子时，所指的对象明确得多；因为要对化学基本定律有所了解的话，必须对元素原子及其在复杂分子中的结合有精确的认识。根据化学的基本定律，不同的化学元素只能按重量的明确比例结合，该比例必定明显反映这些物质独立原子的相对重量。因此，化学家得出结论，氧原子、铝原子和铁原子必须分别比氢原子重16 倍、27 倍和56倍。然而，虽然不同元素的相对原子量是重要的基本化学数据，但原子的实际重量究竟有多少，在化学工作中倒是无关紧要的，因为这个信息不会影响其任何化学现象，不妨碍我们运用化学方法或化学定律。

然而，当物理学家考虑原子时，他的个问题必然是：“原子的实际尺寸是多少厘米？它们的重量是多少克？一定数量的物质中有多少个单独的原子或分子？有没有什么方法可以观察、计算和逐个处理原子和分子？”

估算原子和分子的大小有许多不同的方法，其中简单的方法非常容易操作。如果当时德谟克利特和恩培多克勒能想到这个方法，即便没有现代实验室设备，他们很可能也已经实现。如果某物质的组成中小的单位是原子（比如一根铜线），那么你显然不能把这种物质做成比一个这样的原子直径还薄的薄片。因此，我们可以尝试拉伸我们的铜线，直到它终成为一个单原子链，或者把它锤成只有一个原子直径厚的薄铜片。对于铜线或任何其他固体材料，这几乎是不可能的，因为在达到我们要的小厚度之前，材料早就断裂了。但是，液体物质，例如水面上的一层薄薄的油，很容易被展开成一个单层的“毯子”——即一层由单个分子水平连接而成的膜，这层膜没有一个分子垂直堆积在另一个分子上。如果读者有足够的耐心和细心自己完成这个实验，可以用这种简单的方法测量油分子的大小。

取一个浅而长的容器（图43），把它放在桌子或地板上，保持水平。

将容器灌满水，然后在水面上横着放一根金属丝。如果你现在把一小滴纯油滴在金属丝的一侧，油就会扩散开铺满整个水面。如果沿着容器的边缘移动金属丝，远离油膜，油层会随着金属丝扩散，变得越来越薄，其厚度终必定等于单个油分子的直径。在达到这种厚度后，金属丝的任何进一步运动都将导致连续的油膜表面破裂，露出底下的水层。现在已知滴在水上的油量，以及它在不破裂的情况下能扩散的面积，就能计算出一个分子的直径。

                                                 图43　当拉伸得太大时，水面上的薄油层会破裂

在进行这个实验时，你可能会观察到另一个有趣的现象。当你在水面上滴一些油时，你会看到油表面熟悉的彩虹色。这种景象在船只往返的港口很常见。众所周知，这是由于从油层上下边界反射光干涉的结果，而不同地方的颜色差异是因为从放置油滴的地点开始扩散的油层在不同的地点产生的厚度不同。如果你多等一段时间，直到这层油变得均匀，整个油面将获得均匀的颜色。随着油层变薄，随着波长的减小，颜色会逐渐由红变黄，由黄变绿，由绿变蓝，由蓝变紫。如果油层表面再继续扩展下去，颜色将完全消失。这并不是因为油层不存在了，而是它的厚度已经小于短的可见波长，而且颜色也超出了我们的视力可观察的范围。但是你仍然可以分辨出油层表面和清澈的水面，因为薄油层上下边界反射的两束光还是会发生干涉终导致总强度降低。哪怕颜色消失，油表面会在反射光中显得更“暗淡”，也看起来比水面暗一点。

在做这个实验时，你会发现1 立方毫米的油可以覆盖大约1 平方米的水面，但是超过这个面积油膜就会裂开。[1]

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[1] 那么，油层在破裂前有多薄？计算步骤如下：把含有1 立方毫米油的液滴设想为一个立方体，其每侧面为1 平方毫米。为了将我们原来的1 立方毫米的石油延伸到1 平方米的面积上，与水面接触的1 平方毫米的石油立方体表面必须增加10002 倍（从1 平方毫米增加到1 平方米）。因此，原始立方体的垂直尺寸必须减小到原来的1/10002，以保持总体积不变。这就给出了油层的极限厚度，所以对于油分子的实际直径，约为0.1cm×10-6=10-7cm。由于一个油分子由多个原子组成，原子的尺寸还要小一些。

1.

热无序

如果你倒一杯水，看着它，你会看到一种清澈均匀的液体，没有任何内部结构或运动的痕迹（当然，前提是你不要摇晃杯子）。然而，我们知道水的均匀性仅仅是表面上的，如果将水放大几百万倍，我们就会发现大量紧密堆积在一起的独立分子，形成了清晰的颗粒结构。

在同样的放大倍数下，很明显可以看到水离静止还很远，它的分子处于剧烈的运动状态，四处移动，互相碰撞，就好像他们是高度兴奋的人群。水分子或任何其他物质的分子的这种不规则运动称为热（或温度）运动，原因很简单，热现象就是它造成的。因为，虽然肉眼不能直接辨别分子运动以及分子本身，但正是分子运动对人体的神经纤维产生某种刺激，才产生我们称之为热的感觉。对于那些比人类小得多的有机体，例如悬浮在水滴中的小细菌，热运动的影响要明显得多，这些可怜的生物不断地被从四面八方的躁动分子脚踢、推挤或抛掷（图77）。这一有趣的现象被称为布朗运动，是以英国植物学家罗伯特·布朗的名字命名的。他在一个多世纪前对微小植物孢子的研究中首次注意到这一现象。布朗运动具有相当普遍的性质，在研究悬浮在液体中的小颗粒，或悬浮在空气中的烟和尘的微观颗粒时都可以观察到。

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