第4章 有趣的力学(3)
英国的Speedo公司是非常有名的进行泳衣研究的公司。为了让自己成为业界的龙头老大，他们从1992年开始就对泳衣材料进行了革新。不过各国的运动员都认为游泳的成绩与泳衣并没有多大关系，主要是自己的技术水平。直到2000年的悉尼奥运会上，索普凭借着Speedo公司的“鲨鱼皮一代”拿下了三金两银，各国对这种新面料泳衣的热情才达到了高潮。2004年的雅典奥运会上，鲨鱼皮二代更是出尽风头，前后有47名运动员披着“鲨鱼皮”前去领奖。2007年，鲨鱼皮三代投入使用之后，21项世界纪录就被打破了。2008年北京奥运会之前，Speedo公司推出了“鲨鱼皮四代”，50多个国家的运动员纷纷解除了与原有赞助商的合约，钻进了“鲨鱼皮”中。
那么如此神奇的鲨鱼皮是如何设计出来的呢？Speedo公司利用了庞大的运动员名单，扫描了400多名顶尖运动员的体型制作了阻力实验的模型。测试了上百种面料之后，公司的研究者最终确定了鲨鱼皮的材料——LZR Panel。
穿着这种材料的衣服的运动员比穿着普通泳衣的快4%。这是因为这种材料能够对运动员进行塑形，减少水对运动员的阻力。这种泳衣材料有超强的弹性，可以把身体上阻力比较大的地方收紧，将运动员的体型塑造成所受阻力更小的样子。
不过也有科学家对这种神奇的泳衣提出了质疑，认为这种泳衣分析不够全面，只考虑了在水中滑行阶段的阻力，却忽略了运动员的技术。这些科学家认为这种泳衣过于追求身体的流线型，对运动员的肌肉会产生压力，让运动员的技术产生变形，这也会影响运动员的成绩。根据这些科学家的研究，他们认为裸泳才是减少阻力最好的方法。
不过，谁能让裸体的人去参加正式的比赛呢？究竟是“鲨鱼皮”厉害还是裸泳速度更快就很难找到答案了。即使人们接受了裸泳比赛，那么身体上的毛发是不是会对成绩产生影响呢？长头发的人会不会比较吃亏？不过，你可以停止这种联想了，因为大家是不会让运动员裸体出现在赛场上的，所以泳衣的科技研发战争一定会越来越激烈。
【物理碰碰车】
泳衣贵族——鲨鱼皮
一套鲨鱼皮的售价高达600美金。穿着的时候也非常费劲，在有专人帮忙的情况下还需要40分钟才能穿好。而且这种泳衣的寿命特别短，最多穿六次就“报废”了。
不管它是不是真的能够减少水对运动员的阻力，至少它能够让运动员在心理上产生自信心，这一点也是比赛的时候不可忽视的。
泡出来的真理：有关浮力的故事
曹冲的池塘和阿基米德的浴缸
相信大家都听说过曹冲称象的故事。那是东汉末年的时候，曹操自封为魏国丞相，实力较弱的孙权为了讨好曹操，送给曹操一头大象，曹操非常高兴，同时也产生了一个疑问，“这大象如此庞大，它究竟有多重呢？”他把自己的疑问告诉了手下的人。大臣们纷纷献计，有的说造一杆大秤，还有些人说可以把大象宰成许多块再上秤称。曹操对他们的建议都很不满意。
这时候曹操的小儿子曹冲说到：“我倒是有个办法。”这个曹冲从小就聪明过人。五六岁的时后，就像成年人一样稳重聪明。曹操听到曹冲有办法，连连询问。曹冲接着说：“把大象领到一条船上，然后记下水面在船帮上的位置，随后把大象领下去，再把石头、铁块都装到船上直到船下沉到有记号的位置。把这些石头、铁块的重量加在一起就知道大象的重量了。”
众臣听完，都拍手称赞曹冲聪明过人，曹操命人按这种思路称象，果然知道了大象的重量。
下面，我们再来看个浴缸的故事。叙拉古国的国王希罗让一个名匠用纯金做了一个王冠，国王很满意。不过很快，流言蜚语传进了国王的耳朵里，大家都说王冠不是纯金的，金匠偷了王冠的金子。国王用秤一称，重量没少。国王因此指责那些背后议论的人，这时候有人辩解：“陛下息怒，说不定金匠是用相同重量的银子顶上了偷走的金子呢？”最后国王把这个难题交给了王国中最聪明的人阿基米德。阿基米德思索了很多天之后仍然没有头绪。有一天，他忙完工作去洗澡。当他把腿迈进浴缸的时候，目光突然落在了不断外溢的水上。突然，他激动地冲出了浴缸，嘴里大声喊着：“我找到方法啦！”原来阿基米德发现物体放进水里以后，会排出和它的体积同样多的水，于是拿着与王冠重量相同的纯金放进水中，看它排出多少水来，然后又拿出与王冠重量相同的一块银放入水中，看它排出多少水。由于银的密度小，同样重量下，体积比较大，所以排出的水要比金排出的多。然后他又将王冠放入水中，看它排出了多少水。结果，排出的水量介于同等重量的金和银之间，所以可以确定金匠偷了金子。
其实曹冲称象的故事和阿基米德破案的故事都是利用了浮力原理。浸入液体或气体中的物体都会受到液体或气体向上托的力，这个力就是浮力，方向向上。当然，物体还受到重力的作用，此时这两个力的方向相反，此时，这两个力就会相互打架！当物体所受的浮力大于重力时，就会上浮；小于重力时，就会下沉；两者一样的时候，物体就会静止在液体或者气体中。
当大象站到船上，船停止下沉的时候，浮力和重力相等；此时，与船空着的时候相比，船因为站上了大象而受到更多的浮力，这浮力就等于排开的水的重量，也就是说，这些水的重量就是大象的重量；把大象移下船后装入石头和铁块时所受的浮力，道理与前面相同。
看了这段分析，你能否自己分析一下阿基米德在浴缸的受力情况呢？
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伟大的科学家阿基米德
阿基米德是古希腊伟大的数学家和物理学家，出生在西西里岛的叙拉古国。他曾经在当时的文化中心亚历山大跟随欧几里得的学生学习，回国之后也与亚历山大的学者保持着紧密的联系，因此他通常被认为是“亚历山大学派”的成员。
阿基米德除了发现了浮力定律，还对数学中的几何问题有深入的研究。《论球与圆柱》是他的得意杰作。另外，他从几个定义和公理出发，推出了关于球体与圆柱体面积和体积等50多个相关原理。后人对阿基米德的数学贡献评价非常高，常把他和牛顿、高斯并称为有史以来三个最伟大的数学家。
死海不死的秘密
亚洲的西部有一个被称作“地球肚脐”的地方，它是地球陆地表面的最低点，水面约低于海面400米，这个地方就是“死海”。不过，死海却是以“不死”出名的。
很久以前，“死海”周围的国家经常处于战乱中。战争中的俘虏有两种命运，身体强壮的就被留下给战胜国当奴隶，而身体差的就只有死路一条了。在一次战斗中，大获全胜一方的将军准备把决定处死的俘虏全部扔进“死海”中淹死。让人吃惊的事情发生了，那些俘虏被扔进死海后，总是浮在海面上，就是不沉入海里。
这位将军很生气，下令在俘虏身上都绑上大石头，然后再往海里扔。将军心想，这回他们死定了。但是结果却让周围的人都大跌眼镜，那些俘虏依然浮在海面上，没有被淹死。看到这种情况，那位将军认为这是上帝的旨意，上帝不希望俘虏被处死。将军害怕违背上帝的旨意，就把那些俘虏都放了。
事情过了很多年以后，人们终于发现了死海的秘密，发现那根本就不是上帝的“旨意”，而是物理的“旨意”。科学家研究发现死海的含盐量高达23%~25%。有人计算过，在这片区域内的盐够四十亿人吃吃两千年。由于湖水的含盐量高，所以死海的密度很大，湖水的比重已经远远超过了人体的比重，浮力大得惊人，所以被扔进湖里的俘虏根本不会沉入水底。在这里，即使不会游泳的人也不会被淹死。
既然人都淹不死，那这片湖为什么得名“死海”呢？这是因为这里湖水太咸，不但湖里没有鱼虾等小动物，连湖边都没有植物生长，鸟儿也不会飞到这里来喝水，整个湖区看起来死气沉沉，没有一点生气，“死海”这个名字正是由此而来。
那死海是如何形成的呢？死海实际上不是“海”，而是一个湖泊，它的源头是约旦河。约旦河水流经这里的时候，由于天气炎热，水分多数被蒸发了，水中所含的矿物质则沉积下来，久而久之，这里的湖水变得越来越稠，密度也越来越大，最终变成了“不死”的死海。
如今，这里已经变成了旅游胜地，不过来这里游泳依然要小心。虽然不会被淹死，但是“伤口上撒盐”的滋味也不怎么好受。这里的海水很浓，平时微小到无法察觉的小伤口在这里也会产生强烈的灼烧感。当然，如果你能忍受这种痛苦，经过死海盐浴之后，这些伤口愈合也会比别人更快。
当然，享受这种奇妙的海中漂浮感觉还是要趁早，因为也许过不了多久死海就可能因为过量蒸发而消失了。
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中国的“死海”
其实，“死海不死”的物理原理非常简单，就是漂在湖面的人的重力小于湖水对这个人施加的浮力，因此人会漂在上面不下沉。那么，我们是不是也可以自己制造一片“死海”呢？
四川省遂宁市的大英县就有这么一个人造的“死海”。15000年前，大英县是一个古盐湖盆地，因此盐卤资源极其丰富，地下蕴藏的盐卤量可以开采上百年。中国的“死海”就充分利用了这得天独厚的条件。
中国的“死海”分为两部分，一部分是室外，一部分是室内，让游客一年四季都可以享受海中漂浮的悠闲感觉。
潜艇和鱼鳔的故事
潜水艇是一种很先进的武器，能够随心所欲地上浮和下潜。可能有人会很遗憾地说：“我都没有见过潜水艇，真可惜！”不要伤心了，有一种潜水艇大家都见过，它就是——鱼。
大多数鱼类都有鱼鳔，鱼鳔可以改变鱼的浮潜状况。当鱼需要浮起来的时候，它的鱼鳔就会充气鼓起，此时鱼的身体就能够排出更多的水，这样就可以实现鱼类从水底升到水面的目的。反之，鱼鳔收缩，体积减小，鱼排开的水少了，鱼体也就自然下沉了。
第一个受到鱼鳔启发画出潜艇想象图的是著名的画家达·芬奇，但是真正的“潜艇之父”却是一个名叫德雷布尔的荷兰物理学家。1620年，居住在英国的德雷布尔建成了世界上第一艘潜艇，但是它可不是我们现在常见的铁家伙，而是一艘木制的潜艇。它的骨架就是一个木框，外面蒙着涂有油脂的牛皮。这潜水艇的两侧底部开有孔洞，桨板能够从孔座中伸出来。艇内有12名划桨手，通过滑动船桨，小艇可以在水中前进。这艘木制潜艇内部设有可以搭载乘客的舱室，还备有特殊液体来吸收二氧化碳，放出氧气。他建造了三艘这样的潜艇，人们把它们称为“隐蔽的鳗鱼”。这些“隐蔽的鳗鱼”能在水下4米深的地方潜行好几个小时。当时英国伦敦还举行了展览会，德雷布尔也被称为“潜艇之父”。这最初的潜水艇就是根据水仓进水放水来控制船的沉浮的，当然，这种潜水艇也不能潜进很深的水里。
现在，凭借人类的智慧，潜水艇已经可以潜入水下一万米的地方了。不过，即使是如此先进的潜水艇，它所应用的原理依然是鱼鳔调节鱼类浮沉的原理。
【物理碰碰车】
没鳔的鱼只能拼命摆鳍
自然界还有些鱼没有鱼鳔，它们的沉浮只能依靠摆鳍来改变排水量，实现上浮。一旦鱼鳍不动，鱼就会马上沉入水底。不过，当鱼通过摆鳍下沉到深水区之后，鱼体将会受到水的巨大压力，鳍会很难张开，所以排水体积会进一步减小，此时它们只能通过拼命摆鳍来保证自己的平衡，调节身体的浮沉。
科学家通过鱼鳔的浮潜原理发明了潜水艇，那么知道了鱼鳍也能调节浮沉之后，你能不能开动脑筋设计一款新的潜水艇呢？
铁家伙也想“水上漂”
什么？铁块也想享受一下在水面上飘荡的悠闲？不可能吧？铁块扔进水里马上就会沉底的，其实，只要改变一下形状，铁块就能够轻松地漂在水面上。那么铁块要怎么变形才可以呢？
你一定见过轮船吧？有没有想过为什么这样的庞然大物能够漂在水上不下沉呢？铁比水沉，一块小石头掉进水里都会很快沉下去，何况是这么大的铁船呢？其实，这与船的内部结构有关！轮船并不是铁块，它的内部都是被挖空的。也就是说，船本身的重量比船体排开的水的重量轻，此时船所受的浮力大于重力，所以就能漂在水面上了。不管是多么重的铁块，只要满足了它所受的浮力大于重力的条件，这铁块就能够练成“水上漂”的神功。
别小看这漂在的水中的铁块，它在英国崛起的过程中可是起到了不可替代的作用呢！在拿破仑时代，法国是欧洲的霸主。当时，就有人曾经向拿破仑建议用金属制造轮船，以便占领海上航线。但是，拿破仑对这个建议不屑一顾，甚至傲慢地对建议者说：“金属怎么可能漂在水上？你一定是在做梦吧！”可是没用多久，英国就斥巨资建成了用金属制成的轮船，这样的轮船显然要比木质的轮船结实很多，不仅有利于海上运输，对于夺取海上的军事霸权也能起到重要的作用。果然，不久之后，英国就成了赫赫有名的海上霸主。而此时的拿破仑，只能望洋兴叹，怪自己没学好物理了！