【现货速发】趣味物理学

看似波澜不惊的生活里，涌动着许多物理学原理！

比如说：

我们很难挤碎一枚鸡蛋，因为蛋壳的拱形结构；

旋转的陀螺不倒，全靠上面每一点所做的圆周运动；

凸出的鱼眼提高了折射率，这样鱼儿在水下才能看清；

离舞台10米的观众，竟不如100千米之外的听众更快听到声音。

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 ！

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。

• 力学基础

最简便的出行方式

停下吧，地球

空邮

不停歇的轨道

自动人行道

难解的定律

巨人斯维亚托戈尔之死

人可以在没有支撑的情况下

行走吗

火箭为何升空

乌贼是怎样游泳的

搭乘火箭遨游星际

• 力、功与摩擦

天鹅、龙虾与狗鱼的故事

与克雷洛夫的意见相左

敲碎一枚蛋的壳

逆风航行的帆船

阿基米德真的能撬动地球吗

儒勒·凡尔纳笔下的大力士与

欧拉定理

怎样打结才牢固

假如没有摩擦

“切柳斯金号”失事的物理学原因

自动平衡的木棒

• 圆周运动

旋转的陀螺为什么不倒

杂技

与哥伦布不同的竖鸡蛋方法

消失的重力

假如你是伽利略

你我之间的争论

如何赢得这场争论

魔球的奥秘

液体望远镜

飞跃大回环

马戏团里的数学题

缺失的重量

• 万有引力

引力究竟有多大

连接地球与太阳的钢缆

我们能摆脱万有引力吗

卡沃尔和他的朋友是如何

飞往月球的呢

月球上的半小时

在月球上射击

无底之井

童话世界中的铁道

如何开凿隧道

• 乘着炮弹旅行

牛顿山

幻想中的大炮

沉重的帽子

怎样减缓急剧加速带来的

伤害

写给数学爱好者们

• 液体和气体的特性

无法沉潜的海

破冰船是如何工作的

去哪里寻找沉没的船只

如何实现儒勒·凡尔纳和

H.G. 威尔斯的幻想

如何使“萨特阔号”破冰船重

见天日

水力永动机

是谁发明了“气体”一词

一项看起来很简单的任务

水池问题

神奇的容器

空气的力量

新式希罗喷泉

可别喝不到

倒扣的玻璃杯中的水有多重

轮船为什么会相互吸引

伯努利原理及其效应

鱼鳔的作用

波浪与旋涡

地心之旅

想象与数学

在幽深的矿井中

平流层气球

• 热现象

扇子

为什么风会让我们感觉更冷

沙漠里的热风

面纱可以保暖吗

制冷罐

不用冰的冷柜

人类能承受的高温极限

温度计或是气压计？

煤油灯的玻璃罩有什么用处

为什么火焰不会自己熄灭

儒勒·凡尔纳遗漏的章节

水为什么能扑灭火呢

以火制火

沸水可以将水烧开吗

雪可以将水烧开吗

气压计汤

沸水总是滚烫的吗

热气腾腾的冰块

用煤制冷

• 磁与电

慈石

指南针之谜

磁力线

怎样使钢磁化

庞大的电磁铁

磁力戏法

电磁铁在农业方面的用途

磁力飞行器

悬棺

电磁运输

火星人对决地球人

钟表与磁力

磁力永动机

博物馆的难题

另一种幻想的永动机

近似永动机

饮水鸟

地球的年龄

电线上的小鸟

闪电光芒下

闪电的价值

室内的雷雨

• 光的反射、折射与视觉

多角度人像照片

太阳能发动机与加热器

隐身帽

隐身人

隐身术的威力

透明的标本

隐身人看得见吗

保护色

迷彩色

眼睛在水下能看到什么

潜水员是怎样看清的

水中的透镜

游泳新手面临的危险

看不见的针

从水面之下看水上世界

深水里的颜色

视觉盲点

月亮看上去有多大

天体的视觉大小

为什么显微镜能放大物体

视错觉

凸显身材的衣服

哪一个看上去更大

想象力

再谈视错觉

放大的网点

奇特的车轮

时间显微镜

尼普科夫圆盘

兔子为什么斜着眼睛看东西

为什么黑暗中所有的猫都是灰色的

冷光

• 声音与声波

声音与无线电波

声音与子弹

不存在的爆炸

假如声速变慢

最漫长的谈话

最快的传播方式

击鼓传声

云朵与空气的回声

无声之声

超声波技术

格列佛与小人的声音

每天读两天的当日报纸

汽笛问题

多普勒效应

罚单的故事

以声音的速度行驶

看似波澜不惊的生活里，涌动着许多物理学原理！

比如说：

我们很难挤碎一枚鸡蛋，因为蛋壳的拱形结构；

旋转的陀螺不倒，全靠上面每一点所做的圆周运动；

凸出的鱼眼提高了折射率，这样鱼儿在水下才能看清；

离舞台10米的观众，竟不如100千米之外的听众更快听到声音。

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 ！

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。

最简便的出行方式

17 世纪的法国讽刺作家西哈诺·德·贝尔热哈克曾在其著作《月球简史》中描述过一件据说是亲身经历的神奇事件：一天，他在做实验时，忽然身体与实验仪器升到半空，过了半晌，当他降落到地面上时，却惊奇地发现自己并非身在法国，甚至不在欧洲，而是来到了加拿大。奇怪的是，西哈诺·德·贝尔热哈克对这次跨洋飞行深信不疑，他坚称，当他在空中时，地球继续向东旋转，因此他降落到了加拿大而非法国。

不得不说，这真是一种又便宜又省事的出游方式。只需升到空中停留片刻，就能一路向西，去一个完全不同的地方。这种方式若是可行，又何苦再鞍马劳顿？只需在空中等待稍许，就能抵达目的地。

可惜这一切都只是想象。首先，半空中的我们并没有真正与母星地球分离，我们仍然联系在一起，因为包裹我们的空气也参与地球的自转。空气——或者说密度较低的气层——以及空气中的云、鸟、虫、飞机，都随着地球一同旋转，倘若空气不与地球一起旋转，那我们就会被猛烈的风暴所席卷，与这种风暴相比，最糟糕的飓风也如同和风一般（飓风或龙卷风的风速是40米/秒或144千米/ 小时，而在圣彼得堡的纬度，地球将载着我们以230米/秒或828千米/ 小时的速度在空气中穿行）。

无论是我们静止，空气流动，还是空气静止，我们运动，都没有什么区别，在这两种情况下，我们所感受到的风力是相同的。假若有人骑自行车以100千米/小时的速度前行，即使是在平静无风的天气里，也得顶风行进。即使我们能够升到大气层的顶端，或者如果地球根本没有大气层，我们也无法采用贝尔热哈克所描述的那种简便的旅行方式。实际上，当我们离开旋转的地球表面时，我们将继续以相同的速度——地球在我们脚下移动的速度——在惯性的作用下继续移动。再次回到地球上时，我们会发现自己还在之前的位置。这就像是在行驶的火车车厢内跳跃，离地和落脚的位置是相同的。诚然，我们在惯性力的作用下（沿切线）做直线运动，我们脚下的地球是在追踪一条弧线，但在较

小的时间间隔内，这一点可以完全被忽略。

阿基米德真的能撬动地球吗

“给我一个支点，我能撬起地球！”传说这是古希腊著名物理学家阿基米德的豪言壮语。普鲁塔克曾在其著作中描述道：“有一次，阿基米德给他的亲戚和朋友叙拉古国王希伦写了一封信。他在信上说，如果给他一个支点，他能撬动任何重物。他对这一理论已经达到了自负的程度。他还妄言道，如果有另一个地球，他就能在另一个地球上撬动我们栖居的地球。”

阿基米德认为，如果他有一根杠杆，即使以最弱的力量也能撬动最重的物体。我们只需要将力施加在杠杆的长力臂上，而让短力臂来撬动重物。因此，他相信只靠双手按压一根长长的杠杆的力臂，就能轻易地抬起很重的物体，哪怕这个物体的质量等同于地球（为避免歧义，我们把“撬动地球”理解为在地球表面撬动一个质量相当于地球的物体）。

不过我认为，如果这位伟大的科学家知道地球具有多么巨大的质量的话，绝对不敢再妄出豪言。让我们设想一下，如果阿基米德真的找到了另一个地球作为支点，而且，他能奇迹般地制作出一根长长的杠杆。那么，请你们猜测一下，如果把跟地球同质量的重物抬高1 厘米，需要花费多长时间？答案是至少需要3000万年！

天文学家已经知道了地球的质量。如果我们称一下与地球质量相同的重物，那么它的重量大概是：6000000000000000000000吨

假设一个人在不借助外力的情况下，能够举起60千克的重物，那么为了“抬起地球”，就必须准备一根超长的杠杆，它的长力臂必须是短力臂的100000000000000000000000倍。

我们可以很容易地计算出， 如果要将短力臂抬高1厘米， 杠杆的另一端需要在浩渺的宇宙中划出一条长达1000000000000000000千米的弧线。如果阿基米德打算将地球抬高1 厘米，那么他就需要越过巨大的距离来按压杠杆，这会耗费他多少时间呢？

假设阿基米德可以在1 秒内将60千克的重物抬高1 米（几乎等同于一匹马的力量），他将地球抬起1 厘米，就要1000000000000000000000秒，也就是3000万年！哪怕阿基米德一辈子都在按压杠杆，他把地球抬起的高度也远不及一根纤细的发丝。

尽管阿基米德机智过人，但他也无法想出什么手段来明显地缩短按压杠杆的时间。因为根据力学黄金定律，如果一种机器的力有所缺损，它的位移就会增加。换句话说，就算阿基米德能以30万千米/ 秒的速度（大自然中最快的速度——光速）按压杠杆，他也需要花费千万年的时间，才能将地球撬起1厘米。

与哥伦布不同的竖鸡蛋方法

哥伦布曾提出过一个著名的问题——如何将鸡蛋竖起来。他的解决方式非常简单，那就是将鸡蛋的一头敲破（顺便说一句，这则广为流传的故事其实并不是真实的，据说有人将很久之前的故事放在了哥伦布身上，故事原本的主人公是意大利建筑师布鲁内莱斯基，他建造了佛罗伦萨大教堂的巨大穹顶，他曾说“我建造的穹顶就像这颗鸡蛋一样，能依靠一个尖尖的点支撑而屹立不倒 ”）。

事实上，哥伦布的解决方案是完全错误的。当哥伦布敲破鸡蛋时，他就改变了鸡蛋的形状，这意味着竖立的鸡蛋不再是鸡蛋，而是变成了其他的东西。问题的核心正在于鸡蛋的形状。一旦形状改变，我们就是在用另一种物体替代鸡蛋，因此哥伦布的答案并不是问题的正解。

我们还有一个办法，可以在不改变鸡蛋形状的情况下，利用陀螺原理来解答这位大航海家的问题。只需使鸡蛋围绕长轴旋转，无论是鸡蛋的尖头还是圆头朝下，鸡蛋都能坚持一段时间不倒下，图27向我们展示了操作方法。有一点需要提示诸位读者，做这个实验用到的鸡蛋必须是煮熟的。这在哥伦布的故事里并非无迹可循，因为他在提出这个问题时，随手从餐桌上拿起了一个鸡蛋，我想餐桌上的鸡蛋不可能是生的。如果用生鸡蛋的话，就无法使它旋转竖立，因为生鸡蛋的内部全是液体，蛋液会阻碍生鸡蛋的旋转。顺带一提，许多家庭主妇都靠这个方法来辨别鸡蛋的生熟。

鱼鳔的作用

对鱼来说，鱼鳔起到什么样的作用呢？人们通常认为，当鱼想要从水底浮上水面时，就会鼓起鱼鳔，增加鱼身的体积，使排开的水的重量超过自身的重量，在浮力的作用下，鱼就会上升到水面。当鱼不想再上升，或者想下沉到水底时，那它就会缩紧鱼鳔，减少鱼身的体积和排开的水的重量，根据浮力定律，它会再次下沉到水底，人们关于鱼鳔的这种笼统的概念可以追溯到17世纪——1685 年，佛罗伦萨科学院的伯雷利教授首次提出了这一理论。在此后的200多年中，没有人对此抱有怀疑，因此它被写入了每一本教科书中。直到最近，科学家们经过研究调查后发现，这个理论完全不成立。

鱼鳔无疑可以帮助鱼在水中浮沉，被切除鱼鳔的鱼只有拼命地摆动鱼鳍才能在水面上漂浮，一旦鱼鳍停止摆动，它就会像一颗石头一样沉到水底。

那么鱼鳔真正的作用是什么呢？事实上，它的作用非常有限，它只能帮助鱼停留在一定的深度，在这个深度的水里，鱼排开的水的重量与它本身的重量相等。当鱼摆动鱼鳍让自身下沉到更深的地方时，周围强大的水压就会压缩鱼身及鱼鳔，这时，鱼排出的水的重量就会小于它本身的重量，因此鱼开始下沉，它下沉的深度越深，承受的水压就越大，每下沉10米，水的压力就增加一个大气压，鱼的身体就会被压缩得越来越小，下沉的速度也就越来越快。

当鱼脱离平衡状态，摆动鱼鳍向上游动时，也会出现同样的现象，只不过方向是相反的。这时周围的水压减小，鱼鳔膨胀了起来（之前鱼鳔里的气压与周围的水压是均衡的），鱼的体积增加，因此开始向上浮动。鱼上浮的高度越高，鱼身的体积就膨胀得越大，上升的速度也就越快。鱼无法通过“压缩鱼鳔”的方式来实现沉浮，因为鱼鳔壁没有肌肉组织。

我们可以通过以下的实验证明，鱼是通过被动的方式扩大和缩小身体体积的。我们把一条用氯仿麻醉过的鲤鱼放

入一个装满水的密封容器里，让容器内保持和天然水池一定深度的压力相近的高压。这时，鱼会翻着肚皮一动不动地漂在水面上。如果我们把它稍稍按到水中，它会再次浮上水面。如果我们把它按到靠近容器底部的位置，它就会沉到水底，但如果我们将它按到这两个位置的中间，它就可以保持一个平衡的状态，既不会下沉，也不会上浮。回想一下刚刚讲过的鱼鳔的被动胀缩，你就会明白这是怎么一回事了。

因此，和人们普遍持有的认知相反，鱼不能自由地胀缩自己的鱼鳔，鱼的体积只能随着外部压力的增减而被动地发生变化——这也符合玻意耳- 马略特定律。事实上，这种体积的变化会对鱼造成伤害，因为它会迫使鱼以越来越快的速度上浮或下沉，换句话说，只有在鱼一动不动的情况下，鱼鳔才能维持鱼的平衡，而这种平衡是不稳定的。渔夫观察到的情况印证了我们的观点：他们在深水中捕鱼时，常常看到鱼从鱼钩或渔网挣脱，但这些鱼并没有潜回到深水中，而是会飞快地浮上水面，有些鱼的鱼鳔甚至从嘴里凸了出来。

这就是鱼鳔真正的作用，不过我们探讨的是鱼鳔在鱼上浮和下沉的过程中起到的作用，除此之外，鱼鳔是否还有其他作用呢？其实到目前为止，我们对鱼鳔的功能仍然知之甚少，只对它在流体静力学方面发挥的作用做出了合理的解释。

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