趣味物理学-第7章
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只大轮子。
但是这一次还是跟方才那一次的情形一样。
“会不会是忘记把摩擦作用计算在内了？”
“摩擦作用计算在内的。。摩擦算什么？这不是摩擦的问题，而
是。。有时候这轮子仿佛高兴起来，可是后来又忽然。。发脾气，倔强起
来——这就又完了。假如这只轮子是用真正的材料做的那就好了，可是，
你看，只是些东拼西凑来的板。”
当然，这儿问题并不在“发脾气”，也并不在没有使用“真正的材料”，
而是在于这架机械的基本思想是不正确的。轮子虽然旋转了几转，但是这
只是因为发明家推动才转的，等到外加的能量给摩擦消耗完了，就不可避
免地要停止下来。
蓄能器
对于永恒运动，如果只从外表上观察，很容易发生极大的错误认识。
这一点，可以用所谓“蓄能器”来做一个最好的说明。1920 年有一位发
明家创造了新型风力发电站，装着一种便宜的“惯性”蓄能器，这种惯性
蓄能器有跟飞轮相象的构造。这是一块大圆盘，能够在滚珠轴承上绕着竖
轴旋转，圆盘装在一只壳子里面，壳子里抽去了空气。只要你想法使它转
到每分钟20，000 转的高速度，这个圆盘就会在连续十五昼夜里不停地转
着！如果粗心的观察的人只看到圆盘的竖轴没有外面能量加进去也会不停
地旋转，那么他真会认为永恒运动已经实现了。
“见怪不怪”
许多人迷恋在“永动机”的创造里面，得到了非常悲惨的结局。我知
道有一位工人，为了试制一架“永动机”的模型，用完了他的收入和全部
积蓄，最后变成了一贫如洗。他成了那不可实现的幻想的牺牲者。但是他
虽然衣衫褴褛，整天饿着肚子，却仍旧向人家要求帮助他去制造已经是“一
定会动”的“最后模型”。说起来是很沉痛的，这个人所以失掉了一切，
完全是因为对于物理学基本知识知道得还不够。
有趣的是，找寻“永动机”固然是永远没有结果的，反过来，对于这
个不可能的事情的深入了解，却时常会引出许多很好的发现。
十六世纪末年十七世纪初年，荷兰著名学者斯台文发现了斜面上力量
平衡的定律，他发现这个定律的方法，正可以做上面一段话的最好说明。
这位数学家应该享受比他享受到的更大的名声，因为他有许多重大的贡献
是我们现在还继续利用的：他发明了小数，在代数学里最早应用了指数，
发现了流体静力学定律，这定律后来又给帕斯卡重新发现。
他发现这个斜面上力量平衡定律，并没有用到力的平行四边形法则，
就只是靠这儿复制出来的那幅图。在一个三棱体上架着一串球，球一共十
四个，都是一样大小的。这一串球会怎么样呢？那下面挂下来的部分，不
成问题，是会自己平衡的，但是还有上面的两部分，会不会平衡呢？换句
话说，右边的两个球跟左边的四个球会不会平衡？当然会的，如果说不
会，那么这串球就会自动不停地从右向左移动，因为一个球滑下以后就有
另一个球来补充，平衡也就永远不可能得到了。但是，我们既然知道这样
架着的一串球完全不会自己移动，那么，右边的两个球就自然跟左边的四
个球平衡。你看，初看这好象是一件怪事：两个球的拉力竟跟四个球的相
等。
从这个看似奇怪的现象，斯台文发现了力学上一个重要的定律。他是
这样来思考的：这一串球的两段——一段长一段短——重量不相等：长的
一段跟短的一段重量的比值，恰好是斜面长的一边跟短的一边长度的比
值。从这里得出一个结论，就是用绳连在一起的两个重物搁在两个斜面
上，只要两个重物的重量跟这两个斜面的长度成正比，它们就可以保持平
衡。
有时候两个斜面里短的一个恰好是竖直的，于是我们就得到力学上的
一个有名定律：要维持斜面上的一个物体不动，一定要在竖直面的方向上
加一个力量，这个力量跟物体重量的比等于这个斜面的高度跟它的长度的
比。
这样，从“永动机”不可能存在这一个思想出发，竟完成了力学上的
一件重要发现。
第五章液体和气体的性质
两把咖啡壶的题目
在你面前是两把同样粗的咖啡壶：一把比较高，一把比较低。哪一把
能够盛得更多些呢？
许多人一定不加思索地说，高的那把要比低的盛得更多些。但是，假
如你把液体倒到高壶里去，只能够把液体盛到壶嘴的水平面，再多就要溢
出来了。现在两把壶的壶嘴是一样高的，因此低壶能够盛的液体量，跟高
壶完全相同。
这道理非常简单：咖啡壶和壶嘴就象一具连通器，虽说壶里的液体要
比壶嘴里的液体重得多，但是里面的液面还是应该在相同的水平面上。假
如壶嘴太低的话，那么你就不可能把壶注满，因为液体会从壶嘴溢出去。
一般说来，各种水壶的壶嘴都要做到比壶顶略高，使它即使在略略倾斜的
时候也不会泻出。
古人不知道的事情
现代的罗马居民到今天还在使用着古人所修造的水道：古代罗马的奴
隶把水道修造得真是坚固。
关于领导这个工程的罗马工程师的知识却不能这样说：很明显，他们
对于物理学的基本知识还很不够。请看从古书复制出来的图46。你看，
罗马的水道不是装在地下，而是装在地上，高高架设在石柱上的。他们为
什么要这样做呢？难道象现在这样用管子埋到地下去不更省事吗？当然
更省事，但是那时候的罗马工程师对于连通器的原理只有极模糊的认识。
他们恐怕用长管子连接起来的各个水池里，水面会不在同一水平面上。假
如把管子沿着高低不平的地面埋下去，那么在有的地段上，管里的水就得
向上流，——而古代的罗马人却怕水不会向上流。因此，他们一般常把全
段水管装成平匀往下倾斜的（为了做到这一点，时常要使管子绕个大弯，
或者要用高高的拱形支柱）。古代罗马的一条水道叫阿克瓦·马尔齐亚的，
全长100 公里，但是水道两端之间的直线距离，却只有这个数目的一半。
只是因为不懂物理学的基本定律，竟多造了50 公里长的石头工程！
液体会向。。上压！
关于液体会向下加压力，压向容器的底部，会向侧面加压力，压向容
器的壁，那即使没有学过物理学的人，也都知道得非常清楚。但是，液体
还会向上加压力，这一点却有许多人没有想到。其实只要用一只普通煤油
灯的灯罩，就可以帮助我们认识这种压力确实存在。用厚纸板剪一个圆
片，要比灯罩口略大一些。把它复在灯罩口上，倒转来放到水里去，象图
47 所示。为了使那圆纸片不会从灯罩上脱落，可以用条细线穿在圆纸片
中心，通过灯罩引到上面来，用手拉着线，或者，也可以直接用手指在底
下托着纸片。等到这个灯罩渐渐沉到水底下一定的深度，这个圆纸片就会
自己留在灯罩口上，不必再用线拉住它或者用手指托住它：现在托着它的
已经是容器里的水了，是水从下向上向圆纸片在加着压力了。
你甚至可以测出这个向上压力的大小。这很简单，只要小心地慢慢把
水注到灯罩里去，等到灯罩里的水面接近灯罩外容器里的水面，这个圆纸
片就会跌落下去。这就是说，纸片底下的液体向上所加的压力，恰好给纸
片上面那个水柱的下压力平衡了，这个水柱的高度等于纸片沉在水面以下
的深度。这就是液体对于一切浸在液体里面的物体所作用的压力的定律。
有名的阿基米德原理告诉我们的，物体在液体里重量的“损失”，也是从
这里产生的。
如果找到几种罩口大小相同但是形状不同的灯罩，你就可以再做一次
实验，来证明另外一个有关液体的定律，就是液体对于容器底部所加的压
力，只跟底部面积和水面高度有关，却跟容器的形状无关。这可以这样来
证明：按方才所说的实验方法用形状不同的灯罩来一次一次的做，每次把
灯罩浸到一样深度（事先可以在灯罩的同样高度上用纸粘一条标志）。那
么，你就可以看到，每次当灯罩里的水面达到了同样高度，那纸片就会跌
落下去。这就是说，各种形状容器里的水柱，只要它们的底面积和高度相
同，它们的压力也相同。请注意，这儿重要的只是高度而不是长度，因为
比较长的、倾斜的水柱和比较短的竖直的水柱，如果水面高度相等，它们
对于器底的压力（在相等的底面积上）也完全相等。
哪一边比较重？
天平的一只盘上放着盛满清水的水桶。另一只盘上放一只一模一样的
水桶，也同样盛满清水，只是水上浮着一块木块。天平的哪一边要向下落
呢？
我曾经把这个问题问过许多人，得到不同的答案。有些人说有木块的
那一边一定向下落，因为“桶里除水之外还多了一块木块”。另外一些人
却提出相反的意见，他们认为应该是没有木块的那一边落下去，“因为水
比木块更重”。
但是，这两种答案没有一种正确：两边应该是一样重的。在第二桶里，
固然水要比第一桶里少一些，因为那块浮着的木块要排挤掉一些水。但
是，根据浮体定律，一切浮起的物体，会用它浸在水里的部分排出跟这物
体同重量的水。因此，两边的重量是应该相等的。
现在请你解答另外一个问题。我把半杯水放在天平的一只盘上，旁边
还放一个小砝码。在另一只盘上加砝码使两边平衡。现在，我把杯子旁边
那个砝码投进那杯水里。这架天平要起什么变化吗？
根据阿基米德原理，这个砝码在水里是要比在水外轻些的，这样说
来，那只放着杯子的天平盘就应该向上升起了，但实际上呢，整个天平仍
旧是保持平衡的，这又怎样解释呢？
原来砝码丢进杯里以后，排出了一部分的水，被排的水升高到原来的
水面以上；因此增加了压向杯底的压力，这样杯底就受到了跟砝码所失重
量相等的附加压力。
液体的天然形状
我们平常都认为液体没有一定固有的形状。这种想法其实是不正确
的。所有液体的天然形状都是球形。可是一般因为有重力作用妨碍它保持
这个形状，因此，如果它不是盛在容器里，就会变成薄层流散开去，如果
盛在容器里就会变成跟容器一样的形状。一些液体如果停留在另一种比重
相同的液体里，那么，按照阿基米德原理，它要“失去”它的重量：它就
仿佛一点没有重量，重力对它不起一点作用，——那时候这个液体才显出
了固有的天然的球形。
橄榄油在水里会浮起，但是在酒精里却要沉落。因此可以用水和酒精
混合成一种稀酒精液，使这油在这稀酒精液里既不沉落，也不浮起。用一
只注射器把少许橄榄油注进这稀酒精液里，我们会看到一个奇怪的现象，
这一些油竟凝成一个很大的球形的油滴，既不沉落，也不浮起，静静地悬
在那里①。做这个实验的时候，一定要有耐心而且要仔细地动作，——否
则的话，得到的会不是一滴大的，而是分散成比较小的几滴。当然，得到
一些小油滴也还是很有趣味的。
可是，我们的实验还要继续做下去。把一根细长的木条或金属丝通过
这个油滴的中心，把它旋转起来。这个油滴也会跟着旋转起来。（假如在
做这个实验的时候，能够把一片渍油的硬纸小圆片装在旋转轴上，使它能
够整个放在圆球里面的话，那么结果就会更加美满。）圆球受到旋转的影
响，开始变扁，几秒钟以后，会甩出一个圆环来。这个圆环分裂成许多小
滴，每一小滴都变成球形，继续绕中央油滴旋转。
这个有意思的实验，最早是比利时的一位物理学家普拉图做出的。我
们现在说的就是普拉图的实验方法。但是，这个实验可以做得更加方便却
同样有意思。这方法是这样的：“用清水把一只小玻璃杯冲洗干净，装上
橄榄油，放到另外一只大玻璃杯的底上；然后仔细把酒精注到大玻璃杯
里，使小杯整个浸在酒精里。然后，用一只汤匙小心地沿着大杯的杯壁添
进一些水去。于是，小杯里的橄榄油面就逐渐向上凸起来；等到注进去的
水已经相当多的时候，小杯里的橄榄油就完全从杯里升了起来，变成一个
相当大的圆球，悬在酒精和水的混合液里。”
手头没有酒精的时候，这个实验可以用苯胺代橄榄油来做。苯胺是一
种液体，在平常温度比水重，但是在摄氏75—85 度的时候却比水轻。因
此，只要把水加热，就可以使苯胺悬在水里，这时候苯胺也成球形。如果
要在平常的温度里做这个实验，可以用食盐水代替清水，苯胺会悬在适当
浓度的食盐水里①。
为什么铅弹是圆形的？
方才我们说过，一切液体，只要不受到重力作用，就会显出它的天然
形状——球形。假如我们回忆到前面说过的自由落下的物体没有重量这一
点，并且假定在落下的最初瞬间，我们能够把空气的阻力忽略不计的话①，
① 这儿要应用到所谓“力矩定律”。
① 为了使油滴的球形不会歪曲，实验应该在有平壁的容器里进行。
① 也可以用对甲苯——一种暗红色的液体；对甲苯在摄氏24 度时候的密度跟盐水的密度相仿，可以把对甲
那么我们就会想象到，这个落下的液体一定也会是球形的。事实上，落下
的雨滴的确是球形的。铅弹实际上就是冷凝了的熔融铅滴，它的制法也就
是利用这一个道理，熔化的铅滴从高塔上落下来落到冷水里，凝固成正确
的球形。
这样做成的铅弹，叫做“高塔法”铅弹，因为是从一座高塔的顶上落
下来制造的。所谓高塔是一个45 米高的金属建筑，顶上装着熔铅炉，在
下面是一个大水槽。制成的铅弹要再经过拣选加工。熔解的铅液实际上还
在落下的路上就已经凝固了，水槽不过是用来减轻落下时候的撞击，以免
损坏它的球形。（直径超过6 毫米的铅弹却是用另外一种方法造成——把
金属丝切成小段，然后一段一段地辗压成球形。）
“没底”的酒杯
你已经把水注满到杯子的边上，杯子里完全装满了水。在杯子旁边有
一些大头针。或许，杯子里还可能找得出一点点地方来安放一二枚大头针
吧？试试看。
请你把大头针一枚一枚投进杯子里去，数着你投进去的数目。投大头
针的时候要谨慎小心：要小心地把针尖放进水里，然后轻轻把手放开，不
让有一点震动，也不加一点压力。你默默地数着：一枚，两枚，三枚，已
经有三枚落到杯子底上了，——可是水面并没有变动。十枚，二十枚，三
十枚了，杯里的水并没有溢出。五十枚，六十枚，七十枚。。已经是整整
一百枚大头针丢在杯底了，可是杯里的水仍旧没有溢出一点来。而且，还
不只是没有水溢出来，甚至看不到水面有显著高出杯口的情形。再加多些
大头针看看。二百枚，三百枚，四百枚大头针已经沉到杯底了，可是，仍
旧没有一滴水从杯口溢出来；只是现在已经可以看到水面比杯口略略高起
一些了。原来，这个奇怪现象的解答正在水面高起这一点。玻璃只要略沾
些油污，便很难沾水；在我们杯口的边上，也跟一切常用的器具一样，难
免由于人手的接触留�
