第21章 物理(1)

　　为什么安全帽要做成半球形

　　建筑工地或是矿山里的工人们都要戴安全帽，而安全帽都是做成半球形的；在公路上飞驰的摩托车的骑手们戴的安全头盔也是半球形的。为什么安全帽总是做成半球形的?

　　答案是半球形的安全帽最牢固。一个物体的牢固程度，除了与本身的材料强度有关之外，更重要的在于它的外形，据测定，能经受外来冲力的最好形状是球形等凸曲面，这是因为，凸曲面能把受到的外加压力沿凸曲面分散开来，而且各处的受力比较均匀，这就使半球形壳体具有较大的刚度。

　　以建筑工人所用的安全帽为例，假设有一块砖头从高处落下，正好击中安全帽，由于重力加速度的作用，对安全帽的冲力极大并具有很大的破坏力，但光滑的半球形薄壳却能把集中冲击力沿球面均匀地分散开来，同时，帽内壁的弹性衬垫物又能继续使力得到缓冲，从而使头部因撞击而承受的压强大大减小。据科学测定，安全帽的分散和缓冲作用能使冲击力减少5／6左右，足以使头部得到较好的保护。因而，建筑工地和矿山都严格要求进入施工现场的人戴上安全帽。

　　同样道理，摩托车手的安全帽也可以使在发生交通事故时地面对车手头部的撞击力大大减少，从而减少伤亡。

　　知识点：牢固、材料、外形、刚度

　　为什么有时先看到闪电然后才能听到雷声

　　通常情况，雷雨天气里，闪电总是伴随着雷声，但有时候人们只看到闪电却听不到雷声。这种现象是怎样造成的呢?

　　空气中的声速随气温的升高而增加，声音在较暖和的空气中的传播速度比在较寒冷的空气中快。如果气温是向上递减的，那么，沿水平方向传播的声波，其上面部分就比下面部分传播得慢，因而声波的路径便向上弯曲。由于气温在靠近地面较温暖而越向上越冷，声音的折射就使声音拐弯向上，因而不能沿地面传播得很远，相反，雷声的声波被地面附近较暖和的空气向上折射。超过25千米的范围，由于声音的折射非常厉害，从而向上传播，这样，地面上的人就只能看到闪电而听不到雷声了。

　　下雷阵雨时，我们会发现，总是先看到闪电，然后才听到隆隆的雷声。特别是当闪电离观察者距离很远时，会在闪电闪过一段时间之后，才听到从远处滚滚而来的隐隐的雷声。这是为什么呢?

　　原来，这是由于声音速度远远小于光速的缘故。声音在空气中传播速度为300米／秒，而光速可达到30万千米／秒。这就像是缓慢的乌龟和敏捷的兔子赛跑，当兔子早已跑到终点许久了，乌龟才蹒(pán)跚(shān)爬到。所以，在雷声与闪电的赛跑中，雷声总是要输给闪电。但如果闪电就发生在你身边的话，你可能会在耀眼的闪电使你目眩(xuàn)神迷的瞬间，听到震耳欲聋的霹(pī)雳(lì)声。

　　知识点：声速、折射、光速

　　为什么下雪后环境显得特别寂静

　　下雪后，人们会发现雪不仅使大地显得异常洁净，而且雪后环境显得特别寂静，尽管车辆行人并未比平常减少许多。这是为什么呢?

　　雪刚下时，地面上松软的积雪中有许多小空隙，雪中的小空隙吸收了周围环境中的声音，所以下雪后环境显得特别寂静。这同纤维材料和多孔材料能吸音的原理相同，通过小空隙的声振动不能恢复原状，因而不能正常反射，它的大部分声能转化为热能，当然，这种热能是极小的。

　　当雪被压得比较坚实的时候，这种吸音能力就减弱了。

　　知识点：空隙、声音、吸收、声振动

　　为什么下雪后人们要在雪上洒盐

　　在冬天的北方，每当下了雪，清洁工人会用洒水车向雪面上洒上盐水，目的是使雪融化得快一些。这里面有什么样的科学道理呢?

　　我们知道，在一般情况下，水在0℃时就会结冰，但如果在水里溶解某种物质的话，比如糖或者食盐，水的冰点就会降低，也就是说，加入了这些物质的水在0℃以下还不会结冰。食盐是一种很容易溶解于水的物质，当水变成食盐溶液时，它的冰点就会降到-21．2℃。所以，在雪面上洒上盐水后，当温度在零下十几度时，雪仍会融化。

　　知识点：结冰、冰点、降低、溶水

　　为什么倒啤酒时在杯中会产生大量气泡

　　把啤酒倒进酒杯时，会看到有许多气泡从杯底上升。人们普遍认为，这些气泡原本就存在于啤酒之中。但事实上，二氧化碳是溶解在啤酒里的，并不是以气泡形式存在的。这些二氧化碳是怎样变成气泡的?

　　原来，气泡是在杯底、杯壁产生的。在杯底杯壁表面有缺陷或者有尘埃的地方存在气穴。这些容纳有空气的气穴，为二氧化碳从啤酒溶液中析出提供了一个液面，由于二氧化碳的进入而形成气泡。

　　在气泡上作用着浮力和表面张力。由于二氧化碳比啤酒轻些，浮力拉曳(yè)气泡离开杯壁。但是，啤酒与气体之间的界面处的表面张力，使液面处于紧张状态。由于二氧化碳不断进入气泡，气泡渐渐变大，浮力也随之变大，且最终克服表面张力而使气泡离开杯壁、杯底。气泡漂浮到液面，然后在液面破裂。破裂的原因是：气泡壳层之间的液体在重力作用和壳层内部表面张力相互作用下不断流失，气泡泡壁渐渐变薄，直至从周围的泡沫传来一个偶然的震动，使气泡壳层变薄，直至破裂。

　　知识点：二氧化碳、气泡、浮力、表面张力

　　为什么汽车的后视镜是凸面镜

　　平时你注意到没有，我们坐的汽车，不论是公共汽车还是小汽车，它们的后视镜都是凸(tū)面镜。你知道这是为什么吗?

　　我们知道，平面镜里的虚像和原物大小一样，而凸面镜的成像是正立、缩小的虚像。从凸面镜里能够看到的外界范围要比同样大小的平面镜大，所以汽车驾驶室外侧竖的都是凸面镜，这样司机在倒车时看到的后面的范围会大一些，就会安全一些，不容易碰到人或物体。

　　我们还会看到，在马路拐弯的地方，尤其是拐弯又有障碍物之处，一般都安有一面大的凸面镜，也是同样道理，是为司机提供大的视角范围，以免出交通事故。

　　知识点：平面镜、凸面镜、可视范围

　　为什么拖拉机的前轮小、后轮大

　　常见的拖拉机有履带式和轮式两类，其中要数轮式拖拉机的模样特别怪：它后面的一对轮子要比前轮大，显得很不相称。

　　轮式拖拉机大多在坑坑洼洼、软硬不一的田野里，拖拉各种各样笨重的农业机械。在这种不同于一般的工作环境中，前后轮承担的任务不同，它们的“个子”正是为了适应彼此不一样的特定要求而设计的。前轮在拖拉机手转动方向盘的控制下，随时调整方向，引导拖拉机前进。前轮做得小一些、窄一些，转动时，地面对它的阻力就小，这样不仅操纵灵便，而且节省发动机的动力。后轮做得既宽又大，是因为拖拉机在田地里操作时，必须在后面拖拉着播种机、插秧机、圆盘犁等农业机械。这些机器都是用金属制造的，很重，与拖拉机挂在一起，它们的重量和拖拉机自身的重量合成的重心就落在后轮上。后轮承担的重量比前轮大得多，只有把轮子做得又宽又大，使它与地面的接触面大一些，才能把多承担的重量分散到地面上去，这样，前后轮负担的重量不至于相差得太多，拖拉机在操作时，后轮才不会陷在松软的田地里。

　　知识点：任务、重心、重量

　　为什么火车在钢轨上行驶

　　汽车、无轨电车、自行车等车辆都可以在普通道路上行驶，但是火车却不能，为什么？

　　原来火车在钢轨上行驶是因为以下原因。首先是坚韧的钢轨经受得起火车车身的重压，不会碎裂陷，始终保持光溜平整。其次，火车轮子在钢轨上滚过时，阻力很小，一节满载货物和乘客的车厢，停在钢轨上，只要2个人就能推着它前进。火车行驶时克服的阻力小了，就节省了发动机产生动力的燃料，提高铁路运输的运行效率。再有，列车巨大的重量可以通过钢轨传递给枕木、道砟，再分散到路基上，保护了铁道路基不会坍陷下沉。另外，万里铁道线不论延伸多远，左右两根钢轨之间的轨距都一样。这个轨距也就是火车左右两侧轮子这间的轮距，轮子的轮缘刚好紧紧压住工字型钢轨的顶面和内侧。火车开动后，机车拖着后面的车厢，顺着两条钢轨的方向前进，不会出轨翻车。

　　知识点：重压、阻力、路基、轨距

　　为什么铁轨不直接铺设在地面上

　　铁路的两根钢轨并不是直接铺设在地面上的，而是先把钢轨用道钉钉在枕木上，再把钉上钢轨的枕木架设在覆盖有无数小碎石和矿渣的路基上面。这样的铺设有个很大的优点，就是列车巨大的重量不会通过轮子集中落在轮子与路基接触的极小面积上，而是从轮子传到钢轨，再通过枕木、道砟传到路基上。由于承受重量的接触面一次比一次扩大，便把全部重量分散传播到了整个路基面上，路基受到的平均重量小了，就不会产生高低不平的沉陷。钢轨铺设在稳定平坦的路基上，保证了列车能平稳、高速地行驶。

　　将钢轨和枕木铺设在道砟上还有很多优点：枕木周围填塞了道砟，能防止枕木在列车通过时产生的剧烈震动而前后左右移位；其次，由于道砟并不限制它上面的枕木钢轨上下起伏，便使轨道有了一定程度的弹性，可以减轻列车行驶时的颠簸。另外，因外道砟垫高了轨道，颗粒状的道砟相互间的空隙很多，轨道的通风排水容易，不会积水，轨道下面就能经常优质干燥状态，对钢轨的抗腐防锈很有好处。

　　铁路用的枕木以前都是用粗大的原木加工处理后制成的。木质的枕木容易开裂腐蚀，经常要更换，以致消耗大量优质木材，所以现在都改用预制刚筋水泥压模条取代，不仅坚固耐用，而且铺设方便。

　　知识点：面积、受重、颠簸

　　为什么直升机能停在空中

　　在天空中飞行的飞机，可以根据需要上升、下降或朝左、右转向，惟独不能停在空中不动。这是因为飞机必须向前飞，才能使机翼产生一种向上的升力，来克服地球对飞机的吸引力。如果飞机停下来不向前飞行，那么，机翼的升力立刻消失，飞机会从空中掉下来。

　　直升机是一种外形很特别的飞行器。它除机身有些像飞机外，并没有一对翅膀一样的机翼，只是在机身上面高高竖立一副又长又宽的旋翼，就是依靠这个大风扇一样的旋翼，使直升机既能在空中飞行，也能随时地悬停在半空中。

　　驾驶员开动发动机后，旋翼随即高速旋转产生升力，将机身从地面上垂直抬升至空中。通过操纵旋翼的倾斜角度，直升机便能前进或转向；旋翼转得越快，产生的升力也越大，机身可以越升越高。只要把旋翼转速调节到使旋翼产生的升力恰好等于地球对机身的吸引力，这时直升机就悬停在空中了。

　　由于直升机具有这种特殊的本领，所以它的起飞着陆不需要正规的机场跑道，而且可以进行超低空飞行，用途十分广泛。

　　除了直升机之外，还有一种高速喷气式飞机也具备空中悬停的本领。这种飞机在起飞和着陆时，能把安装在机身两侧的喷气发动机喷口转为朝下方喷气。利用发动机喷出的高速气流产生的反作用力把飞机托起来。驾驶员控制喷气量的大小，飞机也能够悬停在半空中。

　　知识点：飞行器、升力、旋翼

　　为什么棉衣会给人温暖

　　冬季，天寒地冻，气温降低到零摄氏度以下。怕冷的人穿上厚厚的棉衣棉裤，浑身觉得暖和得多了。难道棉衣能产生温暖？不是的。你不妨去拿一支温度计，把它上面指示的当时温度记下来，然后把它严严实实地裹在棉衣里。几小时后，把它拿出来看，温度计上的水银柱一点也没有上升，还是呆在原来的位置。这说明棉衣一点也没有给温度计什么温暖。

　　只有自身能发出热量的东西如太阳、火、暖气机等才能将热量源源不断地传播开来。冬日人们晒太阳、烤火、开暖风机取暖，让这些热源给人们带来阵阵暖意。

　　棉衣不是热源，不可能发出热量。穿棉衣的人感到温暖，实际上是自己身体内产生的热量温暖了自己的身体。这是怎么说的呢？因为棉衣里填衬着棉花，蓬蓬松松的棉花纤维里充满着无数小空洞，空洞中有空气，而空气是一种非常优良的隔热体，它能阻止身体里发出来的热量跑到外面去，这样就保持住了身体的温暖，不觉得冷了。

　　利用棉花不容易传热的特点，夏天街上卖冷饮的小贩，用小棉被包住冰棍、冰淇淋，使外面的热传不进去，就不容易融化。

　　除了棉花以外，其他如丝棉、羊毛绒、羽绒等也具有这种特性，用它们制成的衣服，甚至比棉花的保暖性更好。

　　知识点：热量、空洞、隔热体

　　为什么水落在油锅里会爆裂

　　炒菜熬油时，水落到热油锅里，会有爆裂声伴随着四溅的油花，让人躲闪不及。

　　水落到热油锅里爆裂，跟水和油的沸腾温度有关。水温上升到100℃时沸腾成为水蒸气，而油的沸腾温度在200℃以上。还有一个非常重要的原因，就是水比油重，所以水滴落到热油锅里后，立刻向锅底下沉。由于锅里的热油温度早已超过沸水温度，会使沉到锅底的水滴温度迅速升高沸腾变成水蒸气，体积膨胀1000多倍。水蒸气比油轻，所以要从锅底上升，通过油层表面散发出去。在上升过程中，水蒸气气泡不断推开包围住它的热油，直到突破油层表面后爆裂，发出噼里啪啦的响声。气泡爆裂时，将油层表在的油一起带了出去，这就是四溅的油花。

　　反过来，油滴落到热水锅里不会溅起水花的道理也清楚了：油比水轻，100℃的沸水温度，不能把浮在水面上的油煮沸，所以不可能使油爆裂溅起水花。

　　因此，熬油时，万一因炉火过旺，锅内的油迅速升温而着火燃烧时，千万不能用水浇；往油锅里浇水，水全沉到油层底下，把锅内的油往上抬升，从油锅边上溢出锅外，着火的油在灶台上漫延开来，这时要扑灭它就麻烦了。正确的做法就是立即用锅盖往着火的油锅上一盖，使油与空气隔绝，火便熄灭了，锅内的油照样还能炒菜。

　　知识点：沸腾、温度、蒸气、膨胀、爆裂

　　为什么移动电话没有电话线

　　移动电话俗称“手机”，它与普通电话最大的区别就是不需要连接电话线，可以带着它随便到什么地方，能与市内外，甚至与国外的电话用户通话。

　　实际上移动电话就是一台小型无线电收发信机。按动机上的拨号键后，这个拨号信息就转换成无线电波传送到邻近一个区域中继站。中继站将该信号放大后再发送到移动电话交换总站进行鉴别处理。如果受话方是本地普通电话用户，交换总站就把这个电话号码信息传送给本地普通电信局交换机，接入本地普通电话线路，最后接通受话方的电话；如果受话方也是移动电话用户，移动电话交换总站就接通区域中继站另一个无线电信号通道，用另一个频率的无线电波发送给受话方的移动电话机；要是移动电话用户拨打的是国内或国际长途电话，那么移动电话交换总站就会把住处传送给本地的长途电信局再转发出去，同样能迅速接通国内外任何地方的电话用户。