第7章 有趣的力学(6)
【物理碰碰车】
“橡皮筋定律”
其实橡皮筋的受力情况是有规律可循的，这个规律就是“橡皮筋定律”，不过它的学名叫做“胡克定律”或者“弹性定律”。这个定律是胡克最重要发现之一，也是力学最重要的基本定律之一。胡克定律指出：“在弹性限度内，弹簧的弹力和弹簧的长度变化量成正比。”为了证实这一事实，胡克曾做了大量实验，包括各种材料所构成的各种形状的弹性体。
站在巨人肩膀上的牛顿
现在我们知道了，世界上到处都是疯跑的力，一个不小心，我们就可能和它们撞个满怀。但是，不管它是多么调皮的力，都要听三个老师的话，这三个“老师”就是“牛顿三大定律”，它们是伟大的科学家牛顿发现的，适用于所有的力。
牛顿出生于1643年1月4日，家乡是英格兰林肯郡乡下的一个小村乌尔斯索普。由于早产，新生的牛顿十分瘦小。从五岁开始，牛顿进入公立学校读书。那时的牛顿并不是神童，只是喜欢读书，偏爱一些介绍简单机械模型制作方法的读物，然后自己动手去做一些奇怪的小玩意。12岁的时候，牛顿进入了离家不远的格兰瑟姆中学。他的母亲希望他识字之后就回去安心地做一个农民，但是牛顿却酷爱读书，不想回乡种地。但是最终没有拗过母亲，被带回了家里。回家之后，他常常忘记干活，经常让仆人自己去干活，他则躲到树下看书。不久，这件事情被舅舅发现了，于是在舅舅的帮助下，牛顿又回到了学校，而且成了他们学校最优秀的学生。
1661年6月，他进入了剑桥大学的三一学院。在那里，牛顿接触了笛卡尔等现代哲学家的思想以及伽利略、哥白尼和开普勒等天文学家更先进的理论。1665年，他发现了广义二项式定理，并发展出一套新的数学理论，也就是后来的微积分。在1665年，牛顿获得了学位，而大学则为了预防瘟疫而关闭。此后的两年里，牛顿则在家中研究微积分、光学和万有引力定律。也就是在这期间，那颗著名的苹果砸中了当时最聪明的头脑。
1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，书中阐述了牛顿的三大运动定律，在以后的几百年里，这定律都被视为真理。由于力学上的成就，牛顿得到了国际性的认可，他也赢得了一大群“粉丝”。有人问他是如何想到这么完美的定理时，牛顿谦虚地说：“如果说我取得了一点成就，那也是因为我站在巨人的肩膀上。”
1727年3月31日，伟大的科学家牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，墓志铭是这样写的：“让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在。”从这墓志铭也可以看出，人们对牛顿的崇拜已经到了无以复加的程度。
【物理碰碰车】牛顿的研究趣闻
牛顿对于科学研究非常专心，甚至到了痴情的地步。有一次牛顿煮鸡蛋，一边看书一边干活，糊里糊涂中竟然把一块怀表扔进了锅里。
另外一次，牛顿请人吃饭，准备好饭菜后，自己却钻进了研究室，朋友等了半天不见人影，于是吃完就不辞而别了，牛顿出来时发现桌上只有残羹冷饭，说道：“原来我已经吃过了。”说完就回去继续进行研究。
“坟墓怪事”中的力学秘密
坟墓中安放的球竟然自己发生了移动，这件事情实在太诡异了！莫非真的有灵魂在作怪？当然不是。那是怎么回事呢？我们跟着柯南道尔去破解这个谜案吧！
柯南道尔是《福尔摩斯探案集》的作者，不仅小说的主人公福尔摩斯是一个断案如神的大侦探，柯南道尔本身也是一个见多识广的推理专家。
有一次，柯南道尔去英国北部旅行，一位男爵夫人找到他，希望他能帮自己解开一个五年未解之谜。
“五年前，我丈夫去世了。他生前最爱打高尔夫，嘱咐我给他造一个像高尔夫球那样的坟墓，我照做了。墓是朝南的，墓地是一块很大的长方形石面，石面上有一个浅浅的坑，坑里放着一个直径80厘米的大理石球，球上朝南的一面雕刻了一个十字架。墓地四周有高高的铁栅栏，根本没人能进去。”男爵夫人说。
“然后呢……”柯南道尔追问道。
“自从我丈夫去世，我每年冬天都去法国南部度假，那里冬天比较暖和，我心情也会好一点。但每年春天回来扫墓的时候，都会发现大理石球的南面向下转了一点。现在十字架都有一部分被压到了下面。这个现象只发生在冬季，其他季节没有。到底是谁滚动了大理石球呢？还是说我丈夫的灵魂要出来，想和我一起去法国南部过冬呢？”
柯南道尔与男爵夫人进入墓地去查看。那石面上的浅坑里存着一些水，周围长满了苔藓。柯南道尔估计那大理石球应该有5吨重，应该没人能撬动它。难道真的是她丈夫灵魂的力量吗？作为推理专家，柯南道尔可不会相信这样的解释。
这时，柯南道尔的目光又落到浅坑的积水上。他忽然找到了解谜的“钥匙”：“夫人，那不是灵魂的力量，而是冰和水的力量。这里冬天的夜晚温度在0℃以下，浅坑里的积水要结冰，而冰的体积要比水的体积大。到了白天，由于阳光照射，球南面的冰会融化，而球北面受不到阳光照射，冰不会发生改变。这时，球两边的受力就不再平衡了。南边没有冰的支持力，它就会向南滚动。这样一冬天积累起来，球就会转动得比较明显了。”
困扰了男爵夫人５年的谜题就这样被解开了。
当作用在一个物体上的力能够彼此抵消的时候，这个物体所受的力就是平衡的，此时物体不会移动，平衡被打破之后，物体就会运动起来。其实很多怪事都并不奇怪，我们要学着从科学的角度破解怪事谜案。
【物理碰碰车】
牛顿第一定律
牛顿第一定律是这样说的：任何一个物体在不受任何外力或者所受的力是平衡力的话，它总是能够保持静止状态或者匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变这种状态为止。
故事中的大理石球开始的时候就是处于受力平衡状态，夜晚的时候南北两面的冰给它相同的支持力，二者抵消，所以大理石球受力平衡。当南面的冰融化，平衡状态就被打破，大理石球在北面的冰的支持力下就改变了原有的状态。
思考一下，假设我们有一个玩具小车，它的速度非常快，把它放到完全没有摩擦的水平面上，它会怎样运动下去呢？
你打了我还是我打了你
牛顿的力学三大定律是物理学中著名的定律也是最难理解的就是第三大定律：作用力与反作用力。牛顿第三定律说作用力永远等于反作用力，举例来说，当我推了你一下的同时，你也给了我一个同样大小的推力。
前苏联的“切留斯金”号曾去北极考察，但是他们却在那里遭遇了沉船的事故，所幸最终这些人都被飞行员救了回来。不过，这个例子倒是很好的作用力与反作用力样本。当时，北极巨大的浮冰紧紧地挤压着“切留斯金”号的船身，船舷受到北极浮冰强大的压力，与此同时，浮冰对船身施加同样大小的反作用力。冰块体积巨大，所以能够抵挡船舷的压力，当时“切留斯金”号的船身却经受不了这么大的反作用力，于是在强大的压力下破碎了。如果这船的船身是实心的，可能还可以抵挡一阵，但是空心的船身最终造成了惨剧。
牛顿的这个定律同样适用于自落体运动。我们就用落地的苹果为例。由于地球引力，苹果落到地上，而事实上，苹果对地球同样有引力，而且这个引力与地球引力大小相等 。尽管两力大小相等，但两个力作用产生的加速度却有着天壤之别。苹果下落的加速度大约有10米/秒，而地球的质量是苹果的无数倍，所以地球向苹果移动的距离几乎可以忽略不计。也就是说，在苹果落在地球上的同时，地球也落在了苹果上，但是地球下落的距离被我们忽略了，所以我们说苹果落到地上，而不说地球落到了苹果上。
【物理碰碰车】
制作一个小火箭
想要火箭升空，首先我们需要找一个空旷的地方，以免误伤他人。然后准备好一个矿泉水瓶子、一个酒瓶木塞、自行车的打气筒、气针和钉子。
下面，让我们一起来感受作用力和反作用力的魅力！
1.把钉子插进酒精木塞中，然后再拔出来。
2.将气针塞进钉子拔出后留下的洞里。
3.在矿泉水瓶中加入大约1/5的水，把木塞堵在瓶口处。
4.把气针的另一端和自行车的打气筒连接起来。
5.把矿泉水瓶倒放在一个适当的发射平台上，保证它不会倒下。
6.用自行车打气筒向着矿泉水瓶中打气，然后你就可以静静地期待火箭升空的激动时刻啦！
惯性带你飞出地球去：物体的惯性
惯性是个什么东西
生活中，我们常常会听说惯性这个词，那么究竟什么是惯性呢？下面这个故事会给我们一点启发。
魔术师站在台上，请了一位观众上去作见证。桌子上放着一堆装水的杯子，杯子下面铺着一张桌布。魔术师请观众睁大眼睛，然后猛地抽出了桌布，没错那些杯子不仅没有倒，而是一个个原封不动地呆在那里，似乎被看不见的“胶水”粘住了！
其实，那根本不是什么胶水，也不是什么魔法，而是因为物体具有惯性，所以才会出现这种情况。那么究竟什么是惯性呢？物体保持其原来运动状态的性质就是惯性。而一切物体在没有受到外力作用的时候，总能保持匀速直线运动状态或者静止状态，除非有外力迫使它改变这种状态，这就是惯性定律，也是前面提到的牛顿第一定律。
惯性就像物体内的一双手，在外力试图改变物体状态时，它总是尽力抓住物体，让它保持原来的状态，直到最终败下阵来。
桌布被抽出而杯子没有动，这就是惯性使杯子继续保持静止的。我们身边的一切物体，包括我们自己在内，都具有惯性，这听起来很不可思议，但是确实真真切切存在于我们身边的物理知识。
比如，当我们坐车的时候，当汽车向左拐的时候，我们的身体向右倾就是因为惯性。此时随着车的运动，我们的脚已经有了向左转的趋势，但是上半身依然保持着原来的状态，所以相对于车来说，我们的身体就会向右倾斜。
说到这里，你是不是想到了平时被绊倒的经历，也是惯性在搞鬼哦！不过，你可不要埋怨惯性，因为它虽然有时会让你摔跟头。但它同时也能让你把铅球扔得更远，让纸飞机飞得更远……实际上，惯性的作用非常大，从汪汪乱叫的小狗到宇宙飞船，大家都离不开惯性呢！
【物理碰碰车】
火车上起跳后的落点
如果你在火车车厢里用力往上跳，你猜你最终会落在哪里？有的人可能会觉得落下后，应该落在比原先所站之处向后的地方，因为车厢往前运动着，而人的却没有向前运动。
事实上，你站在哪里，就会落在哪里。因为车厢虽然往前运动，但是人在惯性的作用下，也会跟着往前运动，人往前运动的速度就是火车运行的速度。那么，无论人站在车厢的哪个部位往上跳，都会落在原地。
挖出惯性的小秘密
“惯性”是物理学中很常见的一个名词，但是它也是最难理解的名词之一。一遇到难解的词语，人们总会陷入这样那样的误区中。有关惯性的误区主要有以下几个：
1运动的物体有惯性，静止的物体没有惯性。这种观点是错误的。实际上，所有物体，无论处于什么状态、什么时间都具有惯性。其实这也很容易理解，运动的物体保持运动，也就是反抗静止，这是一种惯性。同样地，静止的物体保持静止状态，抵抗运动，也是惯性。
2速度大的物体惯性大。运动速度大的汽车比速度小的汽车更难立即停下来，所以人们觉得速度大的物体惯性大。如果这个结论成立的话，那么我们可以推测“速度小的物体惯性小，速度为零的物体没有惯性”，显然这和上面所说的“所有物体都具有惯性”的说法相矛盾。
3“惯性”就是“惯性定律”。惯性定律就是“牛顿第一定律”，它是说任何物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性；在不受任何外力作用的情况下，一个物体总能保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有作用在它身上的外力迫使它改变这种状态为止。因此惯性不过是物体本身固有的一种属性，它跟物体受不受外力无关。
4惯性是一种特殊的力。运动中的汽车关闭发动机后，仍会向前行驶一小段距离。有些人认为是惯性力使车能继续前行。因为物体的运动需要力来维持。事实上，如果物体所受的所有外力突然同一时间消失，物体不会停下来，而是会以外力消失时的速度继续做匀速直线运动，这就是惯性的作用。这时候，已经没有力作用在车子上，当然也就不存在“惯性力”的说法。
分辨清楚惯性与其他物理概念之间的区别之后，相信我们就不会说出“受到惯性力”或者“惯性消失了”之类不科学的话了。
【物理碰碰车】
月球上有惯性吗？
我们说到物体的惯性只与其质量有关，质量不消失，惯性也就一直存在。在月球上，物体的质量并没有改变，所以它们依然具有惯性。
月球表面的引力只有地球的1/6，所以一个特别重的包到月球上就会变得只有地球上的六分之一重。但是，即使宇航员感觉不到背包的沉重，他走路的时候也会小心翼翼。因为背包的质量没有发生改变，所以它依然具有很大的惯性。宇航员突然停下来的话，在惯性作用下，背包会带着人继续向前走，宇航员就会向前摔倒。
跳车是个技术活
遇到危险情况要跳车的话，往哪个方向跳比较安全呢？我们来听听专业人士怎么说。