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趣味力學 版權信息
- ISBN:9787539297910
- 條形碼:9787539297910 ; 978-7-5392-9791-0
- 裝幀:簡裝本
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
趣味力學 本書特色
力學是物理學的一個分支,主要研究物體機械運動中的規律及其應用,是物理學、天文學、工程學等多門學科的基礎。力學的世界妙趣無窮,其中的很多問題不但好玩,也很實用,在學習知識的同時,還能應用到生活中。如起重機、腳手架、高樓、橋梁、輪船航母等我們生活中常見的事物,其設計背后都有力學知識的支撐。
《趣味力學》一書精選了“力學的基本定律”“力和運動”“重力”“圓周運動”等10個方面的力學經典問題,以嚴謹的態度、充滿趣味性的語言一一為孩子們細細講來,不僅幫他們解開各種力學現象背后的謎團,更重要是可以引發他們的深入思考,激發他們學習的興趣。
趣味力學 內容簡介
★全球十大科普讀物之一,世界科普大師的經典著作
★妙趣橫生的內容,精美的手繪插圖,四色全彩印刷,新增小知識點
★在探索中,激發孩子對科學的興趣;在快樂中,滿足孩子的科學好奇心
★給孩子一個彩色的科學世界,也給孩子一個全彩的科學未來
趣味力學 目錄
1 兩個雞蛋相撞中的力學問題 _ 003
2 木馬旅行記 _ 005
3 日常生活中的力學 _ 006
4 船上的決斗 _ 008
5 風洞 _ 010
6 疾馳中的火車如何加水 _ 011
7 怎樣理解慣性定律 _ 013
8 作用力和反作用力 _ 015
9 兩匹馬的作用力 _ 018
10 哪只船先靠碼頭 _ 019
11 步行的人和機車之謎 _
020
12 怪鉛筆現象 _ 022
13 “克服慣性”是怎么回事兒
_ 024
14 火車的運動 _ 025
第二章 力和運動
1 常用的力學公式 _ 029
2 步槍的后坐力 _ 031
3 日常經驗和科學知識 _ 034
4 大炮在月球上的速度 _ 036
5 子彈在海底的射出速度 _ 037
6 移動地球所需的力量 _ 039
7 錯誤的發明道路 _ 042
8 飛行火箭的重心在哪里 _ 044
第三章 重力
1 懸錘和擺證明了什么 _ 049
2 鐘擺在水中擺動的速度 _ 052
3 斜面上的滑動速度 _ 053
4 什么時候“水平”線不水平 _ 055
5 讓車子自動上坡的磁山 _ 059
6 向山上流去的河 _ 060
7 鐵棒的平衡問題 _ 062
第四章 下落和拋擲
1 神奇的七里靴 _ 067
2 好玩的“肉彈” _ 071
3 過危橋的火車 _ 075
4 三顆彈丸的題目 _ 077
5 四塊石頭的題目 _ 079
6 兩塊石頭的題目 _ 080
7 擲球游戲 _ 081
第五章 圓周運動
1 向心力 _ 085
2 **宇宙速度 _ 087
3 固定的人造地球衛星 _ 089
4 增加體重的簡單方法 _ 091
5 不安全的旋轉飛機 _ 094
6 鐵路轉彎的地方 _ 096
7 重力作用下的奇怪道路 _ 098
8 飛行員眼中傾斜的大地 _ 099
9 河流為什么是彎的 _ 102
第六章 碰撞
1 為什么要研究碰撞現象 _ 107
2 碰撞的力學 _ 107
3 皮球的彈性與彈跳高度 _ 110
4 兩個相撞的木槌球 _ 115
5 力從速度而來 _ 117
6 受得住鐵錘錘擊的人 _ 118
第七章 略談強度
1 能否用金屬絲測量海洋的深度 _ 123
2 金屬絲的極限長度 _ 125
3 *強韌的材料 _ 126
4 頭發有多么強韌 _ 127
5 自行車架為什么用空心管 _ 129
6 七根樹枝的力學原理 _ 131
第八章 功·功率·能
1 關于“功的單位”的一些知識 _ 137
2 怎樣產生 1 千克力米的功 _ 138
3 怎樣計算功 _ 139
4 宇宙火箭的運行速度 _ 140
5 第二宇宙速度 _ 146
6 第三宇宙速度 _ 147
7 拖拉機的速度與牽引力 _ 148
8 活體發動機和機械發動機 _ 149
9 一百只兔子和一只大象 _ 151
10 人類的“機器奴隸” _
152
11 不老實的稱貨法 _ 157
12 難倒亞里士多德的力學問題
_ 158
13 易碎物品的包裝 _ 160
14 捕獸機關的能量從哪里來 _
162
15 自動機械的能源問題 _
164
16 摩擦取火 _ 166
17 被硫酸溶解掉的彈簧的能 _
170
第九章 摩擦和介質阻力
1 從雪山上滑下 _ 175
2 關掉發動機后汽車還能行多遠 _ 176
3 為什么馬車的前輪要小一些 _ 177
4 機車和輪船的能量用在什么地方 _ 178
5 被河水沖走的石塊 _ 179
6 雨滴的速度 _ 182
7 物體下落之謎 _ 186
8 船重與順流而下的速度 _ 188
9 舵是怎樣操縱船只的 _ 190
10 什么情況下雨水落得更多一些
_ 192
第十章 生物世界里的力學
1 格列佛和巨人國 _ 199
2 河馬為什么笨重不靈敏 _ 200
3 動物體型中的力學定律 _ 202
4 巨獸必然滅絕的命運 _ 203
5 跳蚤和袋鼠哪一個更能跳 _ 204
6 哪一個更能飛 _ 206
7 怎樣從高處落下不受傷 _ 208
8 樹木為什么不能長高到天上去 _ 209
9 伽利略著作中的生物力學 _ 211
趣味力學 節選
1 兩個雞蛋相撞中的力學問題
取兩個硬度、大小基本一樣的雞蛋,左右手各拿一個,然后用一手中的雞蛋向另一手中的雞蛋撞去(圖 1)。注意,這里兩個雞蛋碰撞的部位也基本一致,那么你猜哪一個手里的雞蛋會被撞破呢? 圖 1 哪個雞蛋會撞破? 這是美國《科學和發明》雜志中曾刊登過的一個問題,雜志也肯定地給出了答案: 通過多次試驗發現,被撞破的多是主動去撞的雞蛋,也即處于“運動狀態”下的那個雞蛋。
為什么會這樣呢?雜志給出了解釋:“蛋殼的外形呈拱形①,當兩個雞蛋發生碰撞的時候,保持不動的雞蛋,其壓力會作用于外殼,并得到加強,這是因為拱形物體對外來壓力的承受力很強。不過,與靜止的拱形物體相比,處于運動中的拱形物體,所承受的壓力是完全不同的。在這個試驗中,運動中的雞蛋,不僅承受著外在的壓力——來自于靜止雞蛋相撞的壓力,還有來自內部的壓力——雞蛋蛋液由內朝外運動的壓力。對這種來自內部的壓力,拱形物體的承受度,要遠低于對外部壓力的承受度,更何況是雙管齊下的情況,所以,撞破的就總是運動中的雞蛋了?!?
當這個問題出現在列寧格勒(現俄羅斯圣彼得堡)的報紙上后,各種稀奇的答案紛至沓來。
很多人認為被撞碎的一定是主動去撞的雞蛋;但也有一些人覺得,主動去撞的雞蛋會是完好無損的那個。他們給出的理由看上去似乎都各有道理,但事實上卻都是錯誤的。因為他們的大前提——說主動去撞的雞蛋是運動的,而被撞的雞蛋是靜止的——這一論點本身就是錯誤的。我們不能過分強調雞蛋的運動與否,因為不論是主動去撞的還是被撞的雞蛋,兩者之間并沒什么不同,用什么標準來確定雞蛋的動與不動呢?
如果是從地球上來說,那我們知道,地球本身也是在不斷運動的,而且它的運動呈現為十幾種不同的方式。不管是主動去撞的,還是被撞的,都會存在多種不同的運動方式,誰能說兩者哪一個運動得更快呢?
如果是從運動和靜止的特征上來說,那就算是看遍所有的天文學書籍,恐怕也無法準確預測兩個雞蛋的結局——因為天空中每一個可見的星星,都是運動的,它們所在的整個銀河系,相對其他星系而言,同樣也都是運動的。
瞧,兩個雞蛋,便將我們帶向了深奧的宇宙學,而問題也還遠遠沒有解決。當然,這種說法并不確切,因為問題畢竟向解決的方向靠近了——它讓我們明了一個真理: 不就某一相對物體而言,單獨去談論一個物體的運動,是完全沒有意義的。就單一的物體來說,沒有運動與否之說;運動,至少得是兩個物體之間的對比,或是靠近,或是遠離。上文中兩個雞蛋的相撞是在相同的運動狀態進行的,它們在相互靠近——對于它們的運動,我們只能確定這一點。至于相撞后可能出現的結果,卻并不在于我們把哪個看成是主動去撞的一方,哪個又是被撞的一方而產生不同。②
300 多年前,伽利略已經提出了靜止與勻速運動的相對性,也即眾所周知的力學相對論。這里提醒大家,不要與愛因斯坦的相對論混淆,愛因斯坦的相對論是在 20 世紀初才出現的,況且他的相對論也是在伽利略相對論的基礎上發展起來的。 注 釋
①世界上許多著名建筑都喜歡以拱形來修建,如羅馬式建筑、中國古橋等,原因就在于拱形的承載力更強。因為拱形建筑兩側的拱腳,不僅可以分擔中心點的壓力,將其導向地面,同時還能向中心提供反作用力,增強了拱形結構的承載力。
②這里還涉及一個重要的問題,下一節我們會做詳細介紹,這里先簡單說一下: 相撞的兩個物體,與外界并非完全隔離的。比如,雞蛋主動撞擊時的快速運動,會使空氣壓力對它所產生的破壞力,超過撞擊對它所產生的破壞力。哪怕去撞的雞蛋在半路上突然停下來,蛋液也會對蛋殼產生內在的力。 2 木馬旅行記
從上一節內容,我們可以得出這樣一個結論: 一個物體呈勻速直線運動的狀態,和一個物體靜止而其四周環境朝與它相反的方向做勻速直線運動,這兩者之間是沒有任何區別的。不管是“物體是勻速運動的”,還是“物體靜止而周圍環境是勻速相反運動的”,這兩者從根本上來說,其實是一回事。但是,更嚴格地來說,這兩種說法本身都是不嚴謹的。更準確的說法應是: 物體和周圍環境在彼此做著相對的運動。
這一點,即使是現代學習力學或者物理學的人都未必能完全認識到。但是,300 多年前一位并沒有讀過伽利略著作的人——塞萬提斯,也即名著《堂吉訶德》的作者,卻不僅已經熟知了這一點,甚至還把他的認識見解滲透到了他的作品中。也因此,我們得以欣賞到了那位光榮的騎士和他的侍從騎木馬旅行的精彩片段。
騎木馬前,他們向堂吉訶德解釋說:
“大勇士瑪朗布魯諾親口擔保,他只為了比劍,請騎士盡管放心前去應約。如果騎士有侍從,可以讓侍從騎在馬屁股上。這匹馬的脖子上有個機關,只需輕輕扭動一下,它就會從空中直接送他們到瑪朗布魯諾。但是你們得蒙上眼睛,不然飛得太高頭會暈的,當聽到馬嘶鳴的聲音時,就表示已經到達目的地了,那個時候才能睜開雙眼?!?
于是,堂吉訶德和他的侍從桑丘騎上了木馬,并蒙上了雙眼,一切準備就緒后,堂吉訶德扭動了開關。
旁邊的人立刻行動起來,讓騎士和侍從相信他們果然像“射出的箭一樣快”地在空中疾馳了。
“我敢發誓,”堂吉訶德對侍從桑丘說,“我從來都沒有坐過這么平穩的坐騎,就像不曾走過一步似的。親愛的朋友,不用害怕,事情進展得很順利?!薄笆前?!”桑丘回答說,“我感覺到風很大,就好像是有一千個風箱正對著我們吹?!?
事實也確實如此,旁邊有幾個大風箱正在對著他們鼓風呢!
塞萬提斯書中所描寫的木馬,實際上就是今天各種游戲場所或者公園里,供人們消遣娛樂的各種木馬游戲的原始形式。其實,無論是木馬,還是類似的其他游戲,都是根據靜止和勻速運動不可能從機械效果上完全被分辨出的原理研發而來的。 3 日常生活中的力學
許多人已經習慣把靜止和運動看作是對立的兩面,就跟天和地、水和火的對立一樣。在這種認知的影響下,當他們在火車上過夜時,絲毫不用去關心火車是靜止著的,還是疾馳著的。與此同時,在理論上,他們卻又堅信疾馳的火車不可能是靜止不動的,而火車下面的鐵軌、大地和周圍環境也不可能是在朝相反的方向運動著的。
那么,對這一說法,火車司機又是怎么看待的呢?
愛因斯坦對此進行論述時說:“火車司機會否定這一說法。因為他認為燃燒和潤滑的目的是讓機車運動,而不是周圍的環境。他工作的結果就是運動,而進行運動的應該是機車。”
表面看來,火車司機的觀點是非常有道理的,幾乎具有決定性的說服力。但是,我們不妨這樣設想一下: 有一條沿著赤道鋪設的鐵軌,上面有輛火車正在朝西方行進,正好跟地球自轉的方向相反。此時,周圍的環境都是與火車迎面相對而過,火車內的燃料只能保證火車不被四周環境帶向后方,或者也可以說,是讓火車盡量落在四周環境向東方運動的后方。
如果司機想讓火車脫離這種狀態,不參與到地球的自轉中,他就得讓火車的疾馳速度達到 2 000 千米 / 小時①。
現實中,他是找不到這樣的火車的。換成噴氣式飛機,倒是還可以達到這個速度②。
在火車進行持續的勻速運動時,是不可能確定火車和周圍的環境,到底誰處于運動的狀態,而誰又處于靜止的狀態?,F實的物質世界構造決定了,在任何一個瞬間,都不可能絕對解決這個問題: 究竟是靜止的還是勻速運動的。人們只能研究一個物體跟另外一個物體之間的相對勻速運動,即使觀察這個現象的人參與到勻速運動中去,也不能影響到被觀察的現象及其自身的定律。 注 釋
①即使到了今天,火車的速度仍然無法超出地球的自轉速度。2010 年,中國高鐵研發出的“和諧號”380A,軌道實驗速度*高為 486.1 千米 / 小時,而速度更高的 CIT500 型試驗速度達到 605 千米 / 小時;目前地球上跑得*快的汽車,極限速度為 431 千米 / 小時。
②美國宇航局在 1976 年發射的太陽神 2 號探測器,是迄今為止人類發射的飛行速度*快的人造天體,其飛行速度約 25 萬千米 / 小時;2004 年研制的 X-43A 高超音速飛行器的飛行速度達到了 11 760 千米 / 小時,相當于聲音速度的 9.6 倍。 4 船上的決斗
在多數情況下,人們在實際生活中是用不到相對論的。但凡事也總有例外?,F在我們不妨假設一下,在一艘行駛的船上,兩個射手面對面站立著,用槍瞄準對方射去(圖 2)。我們的問題是,在這種情況下,兩個射手所擁有的條件是否完全一樣呢?那個背向船頭的射手是否會抱怨說,他射出的子彈要比對方的子彈飛得慢一些呢? 圖 2 誰的子彈先射到對手身上? 因為,相對于海面來說,逆行方向飛出的子彈要比船體靜止時射出的子彈慢,而朝著船行方向射出的子彈則要快一些。然而這并不能影響到射手們所處的相同條件,因為朝船尾方向射去的子彈,它的目標也迎面而來。因此在船做勻速運行時,目標迎面而來的速度,恰好補償了子彈本身所減少的速度;而射向船頭的子彈則要追趕它的目標,因為它的目標正在離開子彈,并且離開的速度跟子彈所增加的速度相等。
*終結果是,兩顆子彈跟它們各自的目標相對來說,在行進的船上和在靜止的船上,兩者運動是一樣的。
當然,這種現象得在特定的條件下成立,那就是要在依直線勻速行進的船上才可以。
這里可以引用伽利略所著的*早闡述經典相對論的書(幾乎把它的主人帶上宗教裁判所的火堆上燒死的一本書)中一段話來說明:
“假設你把自己和朋友關在一個大船甲板下的大房間里,此時大船正在做勻速運動,那么你們就不可能立刻判斷出船是在運動著,還是靜止著。假如你們在那個房間里跳遠的話,你們跳出的距離跟在靜止的船上跳出的距離會是一樣的。你們不會因為船在運動,在跳向船尾時就跳得遠,也不會在跳向船頭時就跳得近——雖然在向船尾跳躍時,有一瞬間,你的全身都在空中,而此時你腳下的船正向著你所跳的相反方向運動。如果你丟擲一個東西給你的朋友,從船尾扔向船頭的力氣不會比從船頭扔向船尾所花費的力氣更大……船上的蒼蠅四處亂飛,并不會專門在船尾那邊停留?!?
為了讓經典相對論更容易為人理解,可以用一句話來加以概括說明:“在某一個體系中進行的運動特性,并不會因為這個體系是靜止的,還是做著勻速直線運動,而有所不同。”
趣味力學 作者簡介
雅科夫•伊西達洛維奇•別萊利曼(1882—1942)
出生于俄國格羅德省別洛斯托克市,是享譽世界的科普作家、趣味科學的奠基人。17歲時,別萊利曼就開始在報刊上發表文章。1909年大學畢業后,開始全力從事科普寫作和教育工作。
在別萊利曼的筆下,原本枯燥難懂的科學問題,變得妙趣橫生、趣味十足,很容易引發青少年對科學的興趣。他的許多作品被翻譯成數十種語言,重印幾十個版本,暢銷不衰,對世界科普事業作出了非凡貢獻。
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