趣味物理学-第11章
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这种时钟的构造见图71。它的主要部分是两根长杆Z1 和Z2，两杆都
用特别的合金制成，那种合金有极大的膨胀系数。Z1 杆贴附在齿轮X 的齿
上，当这根杆受热伸长的时候，会把齿轮X 略略推转。Z2 杆却挂在齿轮Y
的齿上，当它在受冷缩短的时候，会把齿轮Y 也向那同一方向转动，这两
个齿轮（X，Y）装在同一根轴W1 上，这轴转动的时候，会把那个大轮带
转，大轮上装有许多勺子。大轮转动的时候，下部的勺子会汲进槽里的水
银，带到上边来，从这里流到左边的一个轮子，这个轮子也装有勺子。左
边轮子上的勺子装满了水银，就会由于重力的作用转动起来，带动绕在K1
轮（K1 和轮子装在同一根轴W2 上）和K2 轮上的链带KK；K2 轮就把时钟的
弹簧带动。
左边轮子上流下来的水银怎么样呢？它会沿着斜槽R1 流回到右边大
轮下面，再给右边大轮上的勺子提升上去。
这样看来，这个机构是应当动起来的，而且只要Z1、Z2 两杆在伸长
或缩短，它就不会停止下来。因此，为了发动这只时钟，只要四周空气的
温度不停地升降就可以。而实际上也正是这样，根本用不到我们操心：四
周空气温度上的随便什么变化，总会引起长杆的胀缩，因此，时钟的发条
就给慢慢地、但是不断地卷紧了。
这种时钟可以叫做“永动机”吗？当然不可以。是的，除非这只时钟
的机构由于磨耗而损坏，否则就会永远走下去，但是它的动力来源却是它
四周空气的热量；是热膨胀的功给这只时钟零碎地贮藏了起来，以便把它
不断消耗在时钟指针的运动上。这只是一架“不花钱”的动力机，因为它
既不需要照料，也没有什么消耗。但是它却并不能够无中生有：它的动力
的最初来源是晒热地面的太阳的热能。
另外一只这一类自己发动的时钟，见图72 和73。这只时钟的主要部
分是甘油，甘油能够随着空气温度的升高而膨胀，利用这一点来提升起一
个小重锤；这个重锤落下的时候把时钟的机构带动。因为甘油只在摄氏零
下30 度才凝固，在零上290 度才沸腾，因此这只时钟可以给城市广场和
别的开阔的地方应用。只要温度的变化达到2 度，就可以使这只时钟走
动。有一只这样的时钟就曾经给试验过，它在一年里面走得非常好，而在
这一年里没有人去动过它一次。
那么，根据上面的原理，造出比较大的动力机，是不是有利呢？初看
这种“不花钱”的动力机应该是非常经济合算的，可惜计算告诉我们的是
另外一个答案：为了把一只普通时钟上的发条旋紧，使它能够
走足一昼夜，大约一共要
71 公斤米的功。这大约等于每秒钟要用600；000
分之一公斤米；我们知道一马力等于每秒75 公斤米，因此，一只时钟的
功率大约等于一马力的45；000；000 分之一。于是，假如我们把前面那只
时钟两根膨胀的长杆或者第二只时钟的附件算是值一分钱，那么，这种发
动机发出一马力需要资本：
1 分×45；000；000=450；000 元。
就是说每一马力的这种发动机需要近五十万元，这对于“不花钱”的发动
机来说，恐怕是太贵些吧。
值得研究的香烟
烟灰缸上放着一支香烟，这支香烟从两端冒出烟来，但是，从纸烟嘴
冒出的烟是向下沉的，另外一端，就是燃着的那一端的烟却是向上冒的。
为什么呢？难道同一支烟的两端，冒出的烟不一样吗？
不错，两端冒出的烟是一样的，但是在燃着的那端，烧热的空气造成
了上升气流，是它把烟带着上升的；至于从烟嘴出来的烟和空气，已经冷
却了，因此就不会上升，而烟粒本身要比空气重，因此就沉下去了。
在开水里不熔化的冰块
把一小块冰丢到装满水的试管里去，由于冰比水轻，要想不让冰块浮
起，再投进去一粒铅弹、一个铜圆等等去把冰块压在底下；但是不要使冰
跟水完全隔离。现在，把试管放到酒精灯上，使火焰只烧到试管的上部。
不久，水沸腾了，冒出了一股一股的蒸汽。但是，多奇怪呀，试管底部的
那块冰却并没有熔化！我们好象是在表演魔术：冰块在开水里并不熔
化。。
这个谜的解释是这样的。试管底部的水根本没有沸腾，而且仍旧是冷
冰冰的，沸腾的只是上部的水。我们这儿并不是什么“冰块在沸水里”，
而是“冰块在沸水底下”。原来，水受了热膨胀，就变成比较轻的，因此
不会沉到管底，仍旧留在管的上部。水流的循环也只在管的上部进行，没
有影响到下部。至于下部的水，只能经过水的导热作用才受到热，但是，
你知道水的导热度却是很小的啊。
放在冰上还是冰下？
我们烧水的时候，一定把装水的锅子放在火上，不会放到火的旁边。
这样做是完全正确的，因为给火焰烧热了的空气比较轻，从四周向上升
起，绕着水锅的四周升上去。
因此，把水锅放在火上，我们是最有效地利用了火焰的热量。
但是，假如我们想用冰来冷却一个什么物体的时候，要怎样做呢？许
多人根据一向的习惯，把要冷却的物体也放到冰的上面。譬如说，他们把
装有热牛奶的锅子放在冰上面。这样做其实是不适当的，因为冰上面的空
气受到冷却后，就会往下沉，四周的暖空气就来占据冷空气原来的位置。
这样你可以得到一个非常实际的结论：假如你想冷却一些饮料或者食物，
千万不要把它放在冰块的上面，而要把它放在冰块的底下。
让我们再解释得详细些：假如把装水的锅子放在冰块的上面，那么受
到冷却的只有那水的底部，水的别的部分的四周仍旧没有冷却的空气。相
反的，假如把一块冰放在水锅的上方，那么水锅里的水的冷却就会快得
多，因为水的上层冷却以后，就会降到下面去，底下比较暖的水就会升上
来，这样一直到整锅水全部冷却为止①。从另一方面说，冰块四周的冷却
了的空气也要向下沉，绕过那个水锅。
为什么紧闭了窗子还觉得有风？
时常会有这样的情形：房间里的窗子关闭得非常紧密，没有丝毫漏
缝，竟仍旧会觉得有风。这好象很奇怪。但是事实上却没有什么可以奇怪
的。
房间里的空气几乎没有完全安定的时候。房间里面总有一些看不出的
空气流，这种空气流是由于空气的受热或冷却引起的。空气受热，就会变
得比较稀，因此也就变得比较轻；受冷呢，相反的，就会变得比较密，也
就变得比较重。给电灯或炉子烧热了的比较轻的暖空气，会给冷空气挤压
向上升，升到天花板；而靠近冷窗子或墙壁的比较重的冷空气，就要向下
沉，沉到地板上。
关于房间里面的这种空气流，我们可以利用孩子们玩的气球来观察，
在一只气球下面系上一个小物体，使得这个气球不会一直飞到天花板，只
能够飘浮在空中，于是，把这只气球放在熊熊的火炉旁边，它就会受到看
不出的空气流带动，在房间里慢慢地旅行起来。首先从炉子旁边升到天花
板底下，然后飘到窗子旁边，从那里落到地板上，又回到炉子旁边，重新
绕着房间打圈子。
冬天窗子虽然关闭得非常紧密，房间外面的寒气不可能透进里面来，
而我们却仍旧会感觉有风在吹着，特别在脚下更显著，原因就是这样。
神秘的纸片
请你把一张薄纸剪成长方形，按照它的横直两条中线各对折一次。再
把纸展开，你一定知道，两条折痕的交点就是这张长方纸片的重心。现在，
把这张纸片放到一根竖立着的针的针尖上，使针尖恰好顶着这一点。
这张纸片会在针尖上保持平衡，因为针是顶在它的重心上。这张纸片
如果受到一阵微风吹动，就会很快旋转起来。
起初，这个小玩意还看不到什么神秘的现象。现在你把手放到这张纸
片旁边，象图76 的样子；注意手要轻轻移过去，不要让手移动时候的风
把纸片吹落。奇怪的现象发生了：纸片旋转起来，起初还慢，渐渐快起来
了。可是如果你把手悄悄地拿开，纸片立刻就会停止旋转；把手移近，纸
片又旋转起来。
这个谜一般的旋转现象，在前一世纪七十年代里，曾经有过一个时期
使许多人认为人体有某种超自然的能力。信奉神秘教的人们，就认为这个
实验恰好证实了他们的“人体能够发出神秘力量”的模糊的学说。但是实
际上这一件事情的原因非常自然而且简单：下部的空气给你的手掌温暖了
就向上升起，它碰到纸片，纸片就旋转起来，就象放在灯上的纸条卷会转
动一样，因为纸片曾经折过，就造出了略略的倾斜。
细心的人在做这个实验的时候，一定会发现这个纸片总是按着一个方
① 石英器皿对于化学实验室还有一个好处，就是很难熔化：它只在摄氏1700 度才软化。
向旋转，它总是从手腕那边向手指那边转过去。这一点，解释起来也很容
易。人手各部分的温度是不同的：手指端上的温度总比掌心低；因此，接
近掌心的地方，就会造成比较强的上升气流，它对纸片所加的力量也比手
指那边大①。
皮袄会给你温暖吗？
假如有人一定要你相信，说皮袄根本一点也不会给人温暖，你要怎样
表示呢？你一定会以为这个人是在跟你开玩笑。但是，假如他用一连串的
实验来证明他的话呢？譬如说吧，你可以做这样一个实验。拿一只温度
计，把温度记下来，然后把它裹在皮袄里。几小时以后，把它拿出来。你
会看到，温度计上的温度连半度也没有增加：原来是多少度，现在还是多
少度。这就是皮袄不会给人温暖的一个证明。而且，你甚至可以证明皮袄
竟会把一个物体冷却。拿一盆冰裹在皮袄里，另外拿一盆冰放在桌子上。
等到桌子上的冰熔化完之后，打开皮袄看看：那冰几乎还没有开始熔化。
那么，这不是说明皮袄不但不会把冰加热，而且还在让它继续冷却，使它
的熔化减慢吗？
你还有什么说的呢？你能够推翻这个说法吗？你没有办法推翻的。皮
袄确实不会给人温暖，不会把热送给穿皮袄的人。电灯会给人温暖，炉子
会给人温暖，人体会给人温暖，因为这些东西都是热源。但是皮袄却一点
也不会给人温暖。它不会把自己的热交给别人，它只会阻止我们身体的热
量跑到外面去。温血动物的身体是一个热源，他们穿起皮袄来会感到温
暖，正是因为这个缘故。至于温度计，它本身并不产生热，因此，即使把
它裹在皮袄里，它的温度也仍旧不变。冰呢，裹在皮袄里会更长久的保持
它原来的低温，因为皮袄是一种不良导热体，是它阻止了房间里比较暖的
空气的热量传到里面去。
在这个意义上，冬天下的雪，也会跟皮袄一样地保持大地的温暖；雪
花和一切粉末状的物体一样，是不良导热体，因此，它阻止热量从它所覆
盖的地面上散失出去。用温度计测量有雪覆盖的土壤的温度，知道它常常
要比没有雪覆盖的土壤的温度高出摄氏10 度左右。雪的这种保温作用，
是农民最熟悉的。
所以，对于“皮袄会给我们温暖吗”这个问题，正确的答案应该是，
皮袄只会帮助我们自己给自己温暖。如果把话说得更恰当一些，可以说是
我们给皮袄温暖，而不是皮袄给我们温暖。
我们脚底下是什么季节？
当地面上已经是夏天的时候，地底下，譬如说地面以下3 米的地方，
正是一个什么季节呢？
你以为那儿也同样是夏天吗？错了！地面上的季节和地底下的季节，
并不象我们平常所想象的那样以为它们是相同的，实际上它们根本不相
①
在这种情形下，清水只会冷却到摄氏4 度（这时候它的密度最大），而不会冷却到0 度；但是在实际生
活上，一般也并没有必要把饮料冷却到0 度。
同。土壤是很难导热的。比方说在列宁格勒，即使在最严寒的冬天日子里，
装在地面以下2 米深的自来水管就不会冻裂。地面以上温度的变化，要很
久才能够传到地面下很深的土壤，土壤层越深的，这个落后的时间也越
久。举例来说，在列宁格勒州斯卢茨克地方做的直接测量就告诉我们，在
3 米深的地方，一年里面最暖时间的到来要比地面上迟76 天，而最冷时
间的到来要迟108 天。这就是说，假如地面上最热一天是七月二十五日，
那么在3 米深的地下，最热一天要等到十月九日才到来！假如地面上最冷
一天是一月十五日，那么在3 米深的地下，最冷一天要在五月间才到来！
至于更深的地方，这个落后的时间也就更长。
向土壤进入越深，温度的变化不但要在时间上落后，而且还逐渐减
弱，到了某一个深度，还完全停止了变化。在这地方，成年成世纪地都只
有同一个固定不变的温度，这就是那个地方的所谓全年平均温度。巴黎天
文台的地窖里，在28 米深的地方有一只温度计，这只温度计还是拉瓦锡
放在那里的，已经近二百年了，在这样长的一段时间里，这只温度计指出
的温度竟一点也没有变过，始终是同一的温度（摄氏11．7 度）。
所以，在我们脚底下的土壤里，从来没有跟我们这儿同样的季节。当
我们这里已经是冬天的时候，3 米深的地方还只是秋天——还不是地面上
有过的那样秋天，而是温度减低更缓和的秋天；而当我们这里到了夏天的
时候，地底下还在过着冬天严寒的尽头呢。
这件事情，对于研究地下动物（例如金龟子的幼虫）和植物地下部分
的生活条件，是非常重要的。譬如，各种树木根部细胞的繁殖所以在天冷
季节进行，根部的所谓形成组织所以几乎在整个温暖季节里停止活动，恰
跟地面上树干的情形相反，根据上面所说的，我们也就不应该有什么奇
怪。
纸制的锅子
请看图77：鸡蛋放在纸锅里煮着！“纸要立刻烧起来，水就会把火
浇熄的，”你一定会这样说。但是，请你先拿厚纸和铁丝做一个纸锅来实
验一下。你就会相信，你的纸锅一点也不会给火烧坏。原因是，水在开口
的（不是密闭的）容器里面，只能煮到沸腾的温度，就是摄氏100 度；锅
里煮着的热容量相当大的水，吸收了纸的多余的热量，不让纸热到比100
度高多少，就是不使它达到能够燃着的温度（更切实些的实验，是用小纸
盒来做的，纸盒形状象图78 所示）。因此，虽然火焰不断舐着纸锅，纸
并不会起火燃烧。
不小心的人会把空壶放到炉子上，因此使壶底的焊锡熔化了，这个叫
人懊丧的经验也属于同一类的现象。这原因很明显，焊锡比较容易熔解，
只有水贴近它的时候才会使它不受到过高的温度。同样，有焊接部分的锅
子也不可以不放水就直接放在火上。在马克沁式的机关枪上，正是利用水
防止了枪筒的熔化。
你还可以做这样的一个实验，把一块锡块放在卡片纸做的纸盒里来熔
化，只要使火焰恰好舐着锡块和纸盒接触的地方，那么，由于锡块是一个
比较好的导热体，就会很快地从纸上把热量吸过去，不让纸的温度升到比
锡的熔点就是摄氏335 度高得太多。这样的温度还不会使纸烧着。
下面的一个实验也很容易做�
