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第三章圓周運動 3.8在“魔”球里

來源:百度文庫 2010-08-31 14:27:02

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第三章圓周運動 3.8在“魔”球里

  有一個公園,為了供游人消遣,建造了一個極有趣而且有教育意義的轉盤。那是一個旋轉著的球形屋子。來到這里的人都會感到一種異常的感覺,這種感覺我想恐怕只有在夢里或者在神怪故事里才可能有。

  先讓我講一下站在轉得很快的圓形平臺上的人所得到的感覺。旋轉運動要把人拋向外面去;你站的地方離中心越遠,使你傾斜和把你向外拉的力量就越大。如果閉上眼睛,你就似乎覺得并不是站在水平的臺面上,而是站在一個斜面上,并且很難使身體保持平衡。為什么會這樣?看一下這時候有哪些力量作用在你身上,就會明白。旋轉運動把我們的身體向外拉,而重力把我們的身體向下拉。這兩個力量按照平行四邊形規則合在一起,使我們受到一個向下傾斜的合力。平臺轉得越快,這個合成運動也就越大,傾斜度也越大。

  現在設想這個平臺的邊緣是向上彎的,并且你是站在這個傾斜的邊緣上。如果平臺不動,你在這種地方就站不住腳,要溜滑或者甚至會跌倒。如果平臺是在旋轉的,那就是另外一回事了。這時候,在一定的速度下,這個傾斜面對你就會象是一個水平面,因為那兩個作用在你身上的力的合力所指的方向也是傾斜的,并且恰好同平臺的傾斜的邊緣成直角①。

  如果旋轉著的平臺是這樣的一個曲面,它的表面在一定的速度下處處都跟合力垂直,那末站在平臺上所有這些點上的人,都會覺得自己是站在水平的平面上。用數學可以計算出,這樣的曲面是一種特別的幾何體拋物體的面。如果把一個裝著半杯水的玻璃杯,繞著一個豎直軸很快地旋轉,就可以得到這樣的表面:這時候玻璃杯邊上的水高了起來,中心的水低了下去,于是它的表面就成了拋物面。

  如果不用水,而是在玻璃杯里盛上一些熔化了的蠟,不斷旋轉杯子,直到杯里的蠟凝結成固體為止,那時候這個凝結成的表面就會是一個很精確的拋物面。這樣的表面在一定的旋轉速度里,對于重的物體就好象是一個水平面:放在它上面的任一點上的小球,都會留在那里,不會滾下來。

  現在就很容易理解“魔”球的構造了。

  “魔”球的底是一個很大的可以旋轉的臺,它的面正是一個拋物面。臺的下面隱藏著機件,使它旋轉得非常平穩。雖然這樣,如果不使周圍的物體跟著人一起移動,臺上的人還是會覺得頭暈的。為了使臺上的人感覺不出自己是在運動,就得在這個旋轉臺的外面,罩一個用不透明的玻璃做的大球,并且讓大球跟臺轉得一樣快。

  這個名字叫做“魔”球的轉盤的構造就是這樣。你要是站在這個“魔”球里面的臺上,你會有怎樣的感覺呢?它一旋轉,在你腳下的地面就成了水平的。不管你是站在這個臺的曲面上哪一點臺軸附近(在這里臺面的確是水平的)也好,臺的邊緣(這里是45°的斜坡)也好,你都會覺得它是水平的。在你的眼睛里,這個臺很明顯是個曲面,可是你肌肉卻感到你是站在平坦的地方。

  兩種感覺彼此發生著非常顯著的矛盾。如果你從臺的這一邊走向臺的那一邊,你就似乎覺得整個大球好象跟一個肥皂泡一樣輕,跟著你身體的重量往那一邊移它就往那一邊側:因為在所有的各點上,你都覺得自己是站在水平面上。而斜著站在臺上的別人的位置,在你看來,就一定顯得極不平常:你會覺得這人簡直象蒼蠅一樣在墻上走。

  如果把水潑在這個球的地面上,水就會沿著球的曲面散開來,鋪成薄薄的一層。在球里的人會覺得這里的水象是站在自己面前的一堵斜墻。

  普通的重力規律在這個奇異的球里好象是失去效力了。而我們也好象是到了一個童話里的奇妙的世界里……

  在空中用極高速度盤旋的飛機里的飛行員也會感受到同樣的感覺。舉例來說,如果他用每小時200公里的速度沿著一個半徑是500米的曲線飛行,那末,他一定似乎覺得地面是微微傾斜著,成了16°的斜坡①。

  為了進行科學觀察工作,曾經建造了一個和這相似的旋轉實驗室。這是一間圓柱形的屋子,直徑是3米,旋轉速度是每秒鐘50轉。因為實驗室的地板是平的,所以在它旋轉的時候,靠墻站著的觀察的人似乎覺得屋子是向后斜著,因此他本人也不得不半倚在斜墻上。

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