第5章 有趣的力学(4)
【物理碰碰车】
沉没的巨轮——泰坦尼克号
《泰坦尼克号》这部电影感动了中国一代人，但是这艘巨轮沉没，与冰山的撞击是最直接的因素，不过它“受伤”与船体的钢板也有很大关系。上个世纪90年代，很多科学家对这艘船的船体钢板进行了研究发现这些钢板夹杂了很多可以降低钢板硬度的硫磺，这让船体的钢板变得十分脆弱。脆弱的船体被冰山撞破，大量海水涌入，此时泰坦尼克号所受的重力远远大于浮力，最终成为死伤人数最多，最让人悲痛的海难之一。
寻找热气球中的浮力
人们使用热气球进行旅行之前，都会用绳子把热气球拴在地面上，这是因为热气球所受到的浮力大于它的重力，如果不用绳子给它施加额外的拉力，它一定不会乖乖地呆在半空中，肯定会冲到天空中去。
热气球最早是中国人发明的，孔明灯就是一种简易的热气球。传闻这种灯是诸葛亮发明的，用来传递军事讯号。
而欧洲人到了18世纪才向天空中释放了第一个热气球。十八世纪时，法国的造纸商蒙戈菲尔兄弟受到了碎纸屑在炉火中不断升起的启发，用纸袋聚集热气，最终使纸袋成功向上飘升。
1783年6月，蒙戈菲尔兄弟在里昂安诺内广场做了一个公开表演，一个很大的模拟气球升空。这个气球是用糊纸的布做成的，布的接缝处用扣子相连。两兄弟在气球下面点火，最后气球慢慢升了起来，飞行了1.5英里。这就是热气球的前身。最先乘坐热气球的旅客是一只小鸭子、一只公鸡和一只山羊。同年11月21日，兄弟俩又在巴黎进行了第一次载人空中航行，这次飞行持续了25分钟，最后落在意大利的广场附近。
发展到现在，热气球已经成了一项很受欢迎的运动方式。1982年美国著名刊物《福布斯》杂志的创始人福布斯先生驾驶着热气球，带着摩托车来到中国。这次旅行让他完成了驾驶热气球到世界上每个国家的愿望。
热气球由球囊、压力舱和加热装置构成。球囊是不透气的；压力舱则是一个密封性极好的空间，这个空间能为飞行员提供适宜的温度、压力和空气环境，当然如果只是短途低空飞行，压力舱也可以用一个大筐代替；加热装置是热气球的心脏，能一直保持燃烧，即使被风吹，也不会熄灭。热气球的升降与球内的气温有关，气温高，气球所受的重力小于浮力，气球上升；当球体的浮力小于重力时，气球就开始缓慢下降。因此，气球的上升与下降都要依靠运动员调整火源的大小。
【物理碰碰车】
底部透明的热气球
2010年的国际热气球节上，一个乘坐舱的地板完全透明的热气球引起人们的注意。在这个热气球上，旅客可以透过脚底的玻璃来观看脚下的风景。乘坐这样的热气球会有什么样的感受呢？
这个热气球的发明者兼驾驶者克里斯蒂安·布朗表示，乘坐热气球的时候，从边缘看地面就已经很不安了，何况这景色现在出现在脚下。在这次热气球节上，他说：“我最先听到的都是人们惊奇的呼声，但是随着高度的增加，人们都发出了恐惧的尖叫。”
听了这个介绍，你是不是对透明底的热气球很感兴趣呢？有没有勇气去尝试一下？
压力山大的水和气：水压和气压的故事
拉不开的两个半球
有两个空心的半球，把它们合成一个完整的球形，然后让你把这两个半球拉开，你能做到吗？也许你会说：“这太简单了！我可是个大力士呢！”其实，只要做一点小小的手脚，就算你有八匹马那么大的力气，你也拉不开这两个半球。
17世纪的时候，德国有一个热爱科学的市长，名叫奥托·冯·格里克，他决定在自己任职的马德堡广场做一个有趣的实验，邀请市民们前来观看。
实验者准备了两个空心的铜半球，将两个铜半球合在一起，抽去里面的空气，然后两边都套
上四匹马，让八匹马同时向两边用力地拉。看到这一幕，周围观看实验的人不禁哑然失笑，八匹马拉两个铜半球，这个实验是让大家打发闲暇时间的吗？
但是结局却大大出乎人们的意料，不管八匹马怎么用力拉，两个铜半球都紧紧地贴在一起。随着实验的进行，实验者逐渐增加了两边的马匹数量。最后，实验者一共用了十六匹强壮的马向两边使劲拉，才最终将两个半球拉开。
看到这种情况，人们都感到十分不解，纷纷询问原因。此时，市长做出了解释：“地球周围有厚厚的大气层，大气层产生的气压大得惊人。平时大家没有感觉到大气压的存在是因为呼吸使人体内也有压力，体内的压力与外界的大气压刚好相等，彼此抵消了。但是，铜半球里的空气被抽空以后，要拉开两个半球，就等于是和大气压拔河了。十六匹马的力量才能赢得与大气压的拔河比赛，大家可以想象大气压是多么强大！”
听完市长的这番话，周围围观的市民都不禁感叹大气压的强大和市长的聪明才智。
你能想到我们的生活中有哪些物品利用了大气所产生的压力吗？
【物理碰碰车】
粘钩与大气压
不知道你有没有使用过粘钩？你挂的粘钩能够坚持多久不掉下来呢？如果想要延长它的“服役时间”，建议你在使用粘钩前把墙壁清理得越干净越好。
为什么要提出这样的建议呢？回想一下拿掉粘钩的过程，你是不是先让粘钩的一角离开墙面，然后再用力拉下粘钩呢？其实你是借助了那些趁机钻进去的空气的力量来拿下粘钩的。如果是垂直用力，那你也是在与大气拔河！
同样，如果不想让粘钩掉下来的话，大家反其道而行之就可以了。墙面与粘胶没有空气的话，粘钩就会被大气压紧紧压在墙上，很难掉下来。
起义的二氧化碳
喝完可乐，是不是总有气体从肚子里往外窜呢？这些气体就是二氧化碳！平时，它们藏在水里面，进入肚子之后，它们就从水里跑出来，同时带走我们体内的一些热气。这就是喝完可乐之后总是感觉很凉爽的原因。不过，你一定想不到，如果二氧化碳“起义造反”，你有可能变成一颗人体炸弹，“嘭”地一声就消失了！
1842年，世界上第一条过江隧道诞生，它长达459米，从英国泰晤河河底穿过，对于两岸的沟通起到了巨大的作用。
隧道通车的那天，建筑者们在隧道里举行了一个小型宴会，他们喝了很多香槟来庆祝隧道通车。奇怪的是，人们打开瓶盖的时候，冒出的香槟不是像往常一样往上喷，喝在嘴里的酒味道似乎也跟往常不一样。不过，大家的心情都很激动，所以并没有在意这样的小事情。
宴会结束的时候，喝了大量香槟酒的客人从隧道里走向地面的时候，肚子突然非常不舒服，外套被肚子撑得圆鼓鼓的，喝进去的酒在肚子里翻江倒海，似乎马上就要从耳朵里、鼻孔里喷涌而出。有些比较聪明的人意识到是肚子里的香槟酒不对劲，于是劝大家回到隧道深处休息，等到食物消化之后再走出去。
后来，其中一位跟他的物理学家好友提到这件事时，那位物理学家说：“幸亏你们回到了地面以下，要是强行走上来，后果不堪设想。”
原来，香槟酒和汽水等清凉饮料中都溶解有大量的二氧化碳气体，常温常压下，二氧化碳是一种无色无味的气体。不过，二氧化碳并不能被肠胃吸收，所以很快就会从口腔里跑出来。不过，二氧化碳并不情愿被关在水里，所以必须对它施加压力。压力越大，溶解的二氧化碳越多，然后盖紧汽水的瓶盖，二氧化碳就被牢牢地关在里面了。打开瓶盖的一瞬间，压力骤减，二氧化碳气体争先恐后地冲出来，夹带着汽水或酒就形成了泡沫。
不过，地底下的大气压力要比地面高，所以跑出来的气体要少一些，留在酒里的气体会多一些。在这样的环境中喝酒，人们喝进肚子里面的就会比正常时要多。当建筑师们走上地面的时候，由于气压减少，二氧化碳气体会从酒中挣脱出来，一时排不出去，就会把肚子撑得滚圆，使人非常难受。如果行动很迅速，喝的酒还很多的话，肚子可能会被胀破。
当他们重新返回地下的时候，气压增大，二氧化碳气体又被压进肚子里面，不再继续往外跑，人就又能够忍受了。不过，总在地底下待着也不是办法，最好就是用极缓慢的速度从地底下走上来，让二氧化碳气体慢慢地排出体外。
【物理碰碰车】
高原反应与大气压
“高原反应”这个词我们都不陌生，生活在平原上的人去西藏之后很容易出现“高原反应”，有些适应力差的人甚至爬稍高的山时都会出现“高原反应”。那么高原反应与大气压之间有什么关系呢？
科学家研究证实，海拔高度越高，大气越稀薄，大气压自然就会变小。大多数人生活在平原上，所以适应平原上的气压。突然登到高处，气压突然降低，人体内的气压值大于外界气压值。为了维持身体内外的平衡，人体内的气压也会变小，此时氧气无法满足身体的需要，身体会因此产生一系列不适，这就是高原反应。
看上去很美的潜水运动
可爱的小丑鱼，漂亮的海葵和珊瑚，湛蓝的海水，以及在身边游来游去的不知名的小鱼，水下的景色是不是让你心生向往，很想亲自一探究竟？不过，潜水运动可不像看上去那么美好，要享受到那样的美景，所付出的代价也不小呢！
2010年4月25日，29岁的新西兰小伙儿威廉？特卢布里奇没有借助水肺、脚蹼等辅助装备，仅用一口气下潜到116米深的大西洋海底，并安全浮出水面，总历时4分零9秒。特卢布里奇因此创造了徒手下潜最深的世界纪录，再加上他之前创造的9项潜水世界纪录，他毫无疑问地当选“世界潜水全能王”！
当天，威廉穿着一身表面表面涂着硅胶的潜水服，利用自身重量以蛙泳姿势赤脚向水下游去。由于水越深压力越大，水温也越来越低，他的双脚在潜水过程中几乎处于麻醉状态。当他回到水面的时候，整个人都处于高度不适的状态。
2009年4月，37岁的“海豚女郎”莎拉？坎贝尔仅用一口气潜到了大西洋的96米深处，历时历时3分36秒，打破了自己的记录。而一周后，她挑战100米深度时，却险些在水中丧命。2002年10月，法国著名女子潜水选手奥德蕾？梅斯特则在潜水过程中不幸遇难。
这种种的不适甚至不幸都是水压引起的。同空气的重量能够产生气压一样，潜水时，水对身体的压力也很大。水深每增加10米，水压就增加一个大气压。也就是说，当潜水者潜游到10米深的地方，他的身体就承受着两个大气压的压力。以后深度每增加10米，就增加一个大气压。
这么大的压力会让身体机能出现很多问题。当潜水深度超过60米的时候，巨大的水压使得大量的氮气溶于血液中，此时人的身体很容易出现 “氮气麻醉”症状，整个人就像喝醉了酒一样。另外，由于水压的增大，运动员的肺部也会慢慢收缩，当下潜到100米以下的时候，肺泡完全收缩，变成一个橙子般大小，此时不能进行气体交换，心跳会缩减到每分钟20下。所以，如果没有经过专业训练，还是不要贸然尝试深海潜水为妙。
【物理碰碰车】
第二危险的运动——自由潜水
海中潜水可以分为三种：轻装备潜水、重装备潜水和自由潜水三种。其中轻装备潜水是海岛游的时候可以尝试的潜水类型，但是其他两种，只有你考取了潜水资格证之后才可以挑战。自由潜水是难度最大的一种，就是在不携带水肺的情况下尽可能潜入深海中的短时间闭气潜水运动。故事中所提到的几个人都是自由潜水者。至于这种潜水者在水中停留的时间长短，与个人的闭气能力有着密不可分的关系。由于需要面超大的水压，容易产生缺氧症以及其他很影响身体机能的症状，“自由潜水”被美国《福布斯》杂志评为世界上第二危险的运动，仅次于高楼跳伞。
海底一万米的压力世界
不携带换气装置的自由潜水运动非常危险，那么乘坐潜水艇到达海洋深处是否具很安全呢？下面的探险故事也许能告诉你答案。
“挑战者深渊”位于西太平洋关岛附近的马里亚纳海沟，是地球上最深的地方。“挑战者深渊”深度达到11000米，即使把珠穆朗玛峰扔进这个地方，峰顶距离海面还有2000米。这个地方的压力是海洋表面压力的1100倍。别说自由潜水，就是潜艇，在面对这样的极端环境时也可能会失灵。
1960，两位冒险家雅克·皮卡和唐·沃尔什驾驶着瑞士制造的潜艇“里雅斯特号”进行了第一次“挑战者深渊”的载人下潜。这个潜水器就像一个直径为两米的钢球，悬挂在一个巨型油罐下面。他们下潜了9个小时，但是只停留了20分钟，测量到的下潜深度是10916米。
35年后，日本的遥控潜艇“海沟号”出现在“挑战者深渊”，创下10911米的无人探测的深度记录。它拍到了很多生物照片，包括海参、蠕虫等。2003年的时候，“海沟号”与水面船只相连的缆绳突然断裂，“海沟号”潜艇因此神秘地失踪了。也许它静静躺在海沟最深的地方，也许它承受不住海底的巨大压力，已经变成碎片。
正如“海沟号”所记录的那样，在海底一万米的地方，那里并不是一个毫无生机的寒冷世界。那里生活着很多不为我们所知的生物，它们的存在给海底带去了勃勃的生机。现在，科学家对马里亚纳海沟的生物非常感兴趣，如果能够揭开这些生物的抗压之谜，也许不久之后我们就能够造出类似的抗压潜艇。那时候，乘坐潜艇去地球上最深的地方也许只是我们假期的一个旅游项目而已。