科普-中华学生百科全书-第443章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
所以，提出“能”的概念是非常正确的，符合自然界的客观规律。像实
际生活中我们经常遇到的“冲量”、“能量”都不是简单的“力”的概念，
冲量是力和时间的结合，能量是力与空间的结合，而且我们还知道能量转换
和守恒定律是自然界的普遍规律，用“能量法”可以计算任何复杂的题目。
在这个问题上，伟大的恩格斯曾经在《自然辩证法》中预言：“在自然
科学的任何部门中，甚至在力学中，每当某个地方摆脱了力这个字的时候，
就向前进了一步。”
奇异的弗莱特纳船
1924 年，著名学者及工程师弗莱特纳在一艘快艇上装上两个直径为 3
米、高为 13 米的圆柱体来代替帆，用 6 马力的发动机带动钢铁圆柱体转动，
并用这艘快艇横渡了英国与丹麦之间的北海。人们惊呼它为“无帆的帆船”！
这艘构造奇特的快艇是如何前进的呢？你也许想不到它竟是靠圆柱体转
动来推动快艇前进的。
要讲清这个道理，可以先看一下乒乓球比赛中常见的削球现象。
乒乓球运动员经常把对手打过来的球“削”回去，被“削”的球总是离
开其原始方向而飞向对手意想不到的地方。这是因为运动员给了乒乓球一个
旋转力，使球边旋转边前进。球的旋转使它周围的边界层也开始与球一起旋
转，发生空气旋流。在乒乓球的一侧，水平气流与空气旋流方向相反，使气
流速度减少；在球的另一侧，两种流动方向相同，结果使气流速度增加。所
以球的两侧压力不同，压力差就使球发生偏转。乒乓球运动员就是靠击球产
生不同的旋转方向和控制旋转的强弱，来进行削球、拉弧圈球及抽杀的。实
际上不光乒乓球运动员利用了这一方法，足球及棒球等运动员也常采用这一
技术。
比如踢足球时，如果你用力的方向不通过球心，那么足球就会旋转。如
果足球飞行时是带左旋的，则足球左侧的转向运动与气流方向相反，右侧的
转向运动与气流方向相同，这样就使足球向左拐弯，绕过对方队员或守门员。
反过来，若足球飞行时是带右旋的，则足球就会向右拐弯。
旋转的球仿佛是在自己造成的压力波波峰上飞驰，这个压力波一刻不离
地跟着球前进。弗莱特纳船就是利用了被削球的偏转力原理来推动船航行
的，它靠旋转的圆柱体两侧压力不同产生推进力。决定弗莱特纳船前进推力
的主要因素是圆柱体的旋转，这一推进力的方向和大小与圆柱体旋转方向和
快慢有紧密关系。改变圆柱体的旋转方向和速度，就可以改变船的航行方向
和前进速度，使它像带帆的船一样在水中航行。
推动弗莱特纳船上的圆柱体转动的能量可以从风中获得，圆柱体所消耗
的能量只是从风中获得的能量的 1／5。圆柱体代替船帆，结构简单，不用装 4～
6 根或更多的桅杆，就能够在波涛汹涌的大海中远航。既然装有圆柱体的船
有不少优点，为什么至今还没有得到推广使用呢？这是因为柴油机船更有吸
引力，它在航行中受变化无常的大自然的影响小。而对于帆船和轮船，人类
经过几百年的研制、使用、积累了丰富的宝贵经验。对于一般的木帆船，普
通的小造船场就可以制造，并且又经济又实惠。但是，随着能源危机的不断
加深，也许人类又会转向弗莱特纳船的研究上来。
由弗莱特纳船前进的道理，同学们一定能在日常生活中发现许多类似的
现象。体育运动中所玩的掷飞盘就是其中之一，它与踢足球的道理一样，也
是利用掷出时的左、右旋来控制飞行方向。朋友们经过仔细观察，就会发现
这样的例子还有很多很多。
空中的飞机为什么掉不下来
很早人们就梦想像鸟一样在天空中自由飞翔。人们发现鸟有两种飞行方
式：扑翼飞行和滑翔。最早人们注意到的是鸟的扑翼飞行，想象鸟一样靠翅
膀上下扑动来飞行，结果失败了。后来人们转向学习鸟的滑翔。对于鸟类的
滑翔，很久以来人们一直迷惑不解，外国曾有人认为鸟的肚子里有热气作用，
而中国晋朝一个叫葛洪的人在仔细观察老鹰在飞行后，解释说，老鹰伸直两
翅，并不扑动，反能盘旋飞行，且越飞越高，是因为上升气流的缘故。基于
鸟类滑翔的原理，人们造出了滑翔机和早期的飞机。
现在我们知道飞机能够在高空中飞行不落，是因为受到一个升力作用，
而使飞机获得升力的主要部件是机翼。但是飞机是如何得到这一升力的呢？
为了解释这个问题，我们先做一个简单的实验：
将一个乒乓球放置于一个倒扣的漏斗内，先用一块纸板托住漏斗口。这
时用吸尘器从漏斗窄口向里吹气，并拿走纸板，此时乒乓球却掉不下来。这
就是“升力”托住了球体。因为空气流过球与漏斗壁间窄缝时的流速大于流
出漏斗口时的流速，所以漏斗宽口处的压力大于漏斗窄口处的压力，它克服
了乒乓球的重力，使球支持着不落下去，即流速增加，压强降低，这在物理
学上叫做伯努利原理。
飞机获得升力的情况和上面的实验相似，只是这时还要考虑到机翼周围
存在着的空气的环流。这种环流在飞机的飞行中迭加到经过机翼的平移气流
上。在机翼上部，环流的方向与平移气流的方向相同，迭加结果使空气流的
速度增加；在机翼下部，环流的方向与平移气流的方向相反，因而空气流速
度减少。可以看出机翼上方的气流速度大于下方的，上面的流线较密，下面
的流线较疏。根据伯努利原理，机翼上方的压强减少，下方的压强增大，形
成了一个向上稍微偏后的总压力 Q。把 Q 分为水平与竖直方向上的两个分力 f
及 F，其中 F 就是飞机机翼受到的向上升力，它使飞机上升或保持飞机悬浮
在空中；f 分力是阻止飞机前进的正面阻力。
对上述现象也可以用牛顿定律作一个定性的解释。气流对机翼有向上的
升力，那么机翼对气流就有向下的反作用力，这样一来就使气流向下偏斜。
当气流经过机翼时，在竖直方向上的动量分量就有一个改变量，由于机翼对
气流有向下的作用力，因而机翼也得到一个向上的升力。这和前面所说的结
果一致。
所以飞机机翼受到的总压力 Q 的大小和气流的速度有关。气流速度越
大，Q 也就越大。另外，Q 还与机翼的形状和迎面气流冲向翼面的仰角 a 有关。
飞机在飞行时，受到升力 F、重力 P、推进器的前进力 F1 和阻力 f 的作
用。要使飞机能正常飞机，应保证升力足够大、阻力最小。经过长期的实践
与观察，人们发现把机翼前缘做成圆形而后部做成尖锐形状，并且使机翼上
部稍微凸起，便可以使飞机少受旋涡的影响，即受到的阻力较小。因此人们
逐步改善机翼的形状，采用流线形机翼。
实践证明，在其他条件相同时，飞行的速度越快，机翼产生的升力也越
大；机翼截面积越大，升力越大。对于低速飞行的运输机，就要有较大的机
翼，以获得足够大的升力。对高速飞行的飞机，机翼太长使产生的阻力增大，
此时应采用小机翼。所以针对不同飞行速度的要求，要采用不同的机翼及不
同的截面形状。
不论哪一种截面形状的机翼，在一定范围内增大仰角 a，都可以提高升
力。飞机起飞的速度越小，为了增大升力，就要抬起机头，靠增大机翼的仰
角来增加升力。但仰角增大时，阻力也会增大，同时在机翼上面所形成的涡
流区会越来越大，这时机翼受到的升力也会减小。所以在一般飞行中，机翼
的仰角是有一定范围的，如果超出了这个范围，不但不能增加升力，反而会
引起失速现象，会使飞机掉下来。
一般飞机必须同空气有相对运动，机翼才可以产生升力。但另有一种飞
机，它具有停在空中不动的本事。这就是直升机。直升机在军事和民用中都
发挥着重大作用，它可以用于在交通不便地区运送物资、抢救伤病员、摄影，
还可用于测绘地表、护林防火等。
直升机机翼和空气没有相对运动，升力应该不存在，为什么它能在空中
突然停住不动而又不掉下来呢？
原来直升机的升力是由在它头顶上旋转的机翼所产生的。当直升机在空
中的时候，它的旋翼仍然在不停地转动，产生一个同直升机重力大小相等方
向相反的升力。因此，直升机就能不前进也不后退、不升高也不降低，稳稳
地停在空中执行任务。
鸟的翅膀长在哪儿
不知中学生们是否仔细观察过，鸟的翅膀长在鸟身上的什么部位。是背
上，还是腹部，还是在其他什么地方？为什么？能不能从物理学的观点来分
析、解释一下。
如果人们稍加注意，就会发现鸟的翅膀是长在背部而不是腹部。因为当
鸟飞行时，它的翅膀要产生升力，升力要克服鸟的自身重力，才能停留或翱
翔在天空中，不至于坠落下来。鸟的翅膀长在背部，鸟的重心自然在下部。
这样升力和重力产生对位，才是稳定的平稳。如果鸟的翅膀长在腹部，升力
和重力形成对压的格局，必然使鸟翻转或处于不稳定的平衡状态。所以，鸟
的翅膀是长在背部而不是腹部。
热胀冷缩与热缩冷胀
爱打乒乓球的人都知道，不小心把乒乓球弄瘪了，没有关系，用开水烫
烫就会使瘪的地方鼓起来。大概许多人都知道这其中的奥秘，这是由于乒乓
球里的空气热后体积膨胀，把原来瘪的地方顶起来，乒乓球就修复好了。气
体不仅有受热膨胀的特性，而且遇冷还会收缩呢，这就是平常人们所说的热
胀冷缩。
自然界中许许多多的物体都具有热胀冷缩的性质，物体的这种性质给人
们的生活带来了许多方便，也带来了一些麻烦。比如，往自行车的车把上套
塑料套时，先用热水烫一下塑料套，再往车把上套，由于热膨胀，就比较容
易地将塑料套套上车把。过一会儿，塑料套遇冷收缩，就能紧紧地套在车把
上了。而烧开水时，水壶里的水如果灌得太满，受热后体积膨胀，水会从壶
里溢出。因此就要想办法防止热胀冷缩造成的危害。比如：夏天架电线时要
架得松一些，以防止冬天电线遇冷收缩时绷断；冬天铺设铁轨时，铁轨间要
留有一定的空隙，也是为了防止夏天铁轨受热膨胀使衔接处凸起来，容易发
生火车出轨事故；为了使桥梁有膨胀和收缩的余地，在桥梁上同样也要设置
伸缩缝，以防止发生翘曲；夏天不要把自己内胎的气打得太足，防止空气受
热膨胀，使内胎爆裂，也是同样的道理。
尽管大部分物体具有热胀冷缩的性质，但是不同材料的物体热胀冷缩的
程度不相同。物体的这种性质在生活中给我们提供了帮助，把煮热的鸡蛋放
在冷水中泡一泡，由于蛋壳和鸡蛋白的收缩程度不一样，就可以使两者脱离，
剥的时候也就很容易了。在相同条件下，气体膨胀得最多，液体膨胀得较多，
固体膨胀得最少。知道了这个道理，对人们的生产和生活都是很有用的。在
建筑上，广泛采用的钢筋混凝土，就是选用热胀冷缩程度差不多的钢材和混
凝土材料，才能保证建筑物的牢固性。
在我们的生活中，物体热胀冷缩的例子数不胜数
