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中华学生百科全书-第240部分
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冲量是力和时间的结合，能量是力与空间的结合，而且我们还知道能量转换
和守恒定律是自然界的普遍规律，用“能量法”可以计算任何复杂的题目。
在这个问题上，伟大的恩格斯曾经在《自然辩证法》中预言：“在自然
科学的任何部门中，甚至在力学中，每当某个地方摆脱了力这个字的时候，
就向前进了一步。”
奇异的弗莱特纳船
1924 年，著名学者及工程师弗莱特纳在一艘快艇上装上两个直径为 3
米、高为 13 米的圆柱体来代替帆，用 6 马力的发动机带动钢铁圆柱体转动，
并用这艘快艇横渡了英国与丹麦之间的北海。人们惊呼它为“无帆的帆船”！
这艘构造奇特的快艇是如何前进的呢？你也许想不到它竟是靠圆柱体转
动来推动快艇前进的。
要讲清这个道理，可以先看一下乒乓球比赛中常见的削球现象。
乒乓球运动员经常把对手打过来的球“削”回去，被“削”的球总是离
开其原始方向而飞向对手意想不到的地方。这是因为运动员给了乒乓球一个
旋转力，使球边旋转边前进。球的旋转使它周围的边界层也开始与球一起旋
转，发生空气旋流。在乒乓球的一侧，水平气流与空气旋流方向相反，使气
流速度减少；在球的另一侧，两种流动方向相同，结果使气流速度增加。所
以球的两侧压力不同，压力差就使球发生偏转。乒乓球运动员就是靠击球产
生不同的旋转方向和控制旋转的强弱，来进行削球、拉弧圈球及抽杀的。实
际上不光乒乓球运动员利用了这一方法，足球及棒球等运动员也常采用这一
技术。
比如踢足球时，如果你用力的方向不通过球心，那么足球就会旋转。如
果足球飞行时是带左旋的，则足球左侧的转向运动与气流方向相反，右侧的
转向运动与气流方向相同，这样就使足球向左拐弯，绕过对方队员或守门员。
反过来，若足球飞行时是带右旋的，则足球就会向右拐弯。
旋转的球仿佛是在自己造成的压力波波峰上飞驰，这个压力波一刻不离
地跟着球前进。弗莱特纳船就是利用了被削球的偏转力原理来推动船航行
的，它靠旋转的圆柱体两侧压力不同产生推进力。决定弗莱特纳船前进推力
的主要因素是圆柱体的旋转，这一推进力的方向和大小与圆柱体旋转方向和
快慢有紧密关系。改变圆柱体的旋转方向和速度，就可以改变船的航行方向
和前进速度，使它像带帆的船一样在水中航行。
推动弗莱特纳船上的圆柱体转动的能量可以从风中获得，圆柱体所消耗
的能量只是从风中获得的能量的 1／5。圆柱体代替船帆，结构简单，不用装 4～
6 根或更多的桅杆，就能够在波涛汹涌的大海中远航。既然装有圆柱体的船
有不少优点，为什么至今还没有得到推广使用呢？这是因为柴油机船更有吸
引力，它在航行中受变化无常的大自然的影响小。而对于帆船和轮船，人类
经过几百年的研制、使用、积累了丰富的宝贵经验。对于一般的木帆船，普
通的小造船场就可以制造，并且又经济又实惠。但是，随着能源危机的不断
加深，也许人类又会转向弗莱特纳船的研究上来。
由弗莱特纳船前进的道理，同学们一定能在日常生活中发现许多类似的
现象。体育运动中所玩的掷飞盘就是其中之一，它与踢足球的道理一样，也
是利用掷出时的左、右旋来控制飞行方向。朋友们经过仔细观察，就会发现
这样的例子还有很多很多。
空中的飞机为什么掉不下来
很早人们就梦想像鸟一样在天空中自由飞翔。人们发现鸟有两种飞行方
式：扑翼飞行和滑翔。最早人们注意到的是鸟的扑翼飞行，想象鸟一样靠翅
膀上下扑动来飞行，结果失败了。后来人们转向学习鸟的滑翔。对于鸟类的
滑翔，很久以来人们一直迷惑不解，外国曾有人认为鸟的肚子里有热气作用，
而中国晋朝一个叫葛洪的人在仔细观察老鹰在飞行后，解释说，老鹰伸直两
翅，并不扑动，反能盘旋飞行，且越飞越高，是因为上升气流的缘故。基于
鸟类滑翔的原理，人们造出了滑翔机和早期的飞机。
现在我们知道飞机能够在高空中飞行不落，是因为受到一个升力作用，
而使飞机获得升力的主要部件是机翼。但是飞机是如何得到这一升力的呢？
为了解释这个问题，我们先做一个简单的实验：
将一个乒乓球放置于一个倒扣的漏斗内，先用一块纸板托住漏斗口。这
时用吸尘器从漏斗窄口向里吹气，并拿走纸板，此时乒乓球却掉不下来。这
就是“升力”托住了球体。因为空气流过球与漏斗壁间窄缝时的流速大于流
出漏斗口时的流速，所以漏斗宽口处的压力大于漏斗窄口处的压力，它克服
了乒乓球的重力，使球支持着不落下去，即流速增加，压强降低，这在物理
学上叫做伯努利原理。
飞机获得升力的情况和上面的实验相似，只是这时还要考虑到机翼周围
存在着的空气的环流。这种环流在飞机的飞行中迭加到经过机翼的平移气流
上。在机翼上部，环流的方向与平移气流的方向相同，迭加结果使空气流的
速度增加；在机翼下部，环流的方向与平移气流的方向相反，因而空气流速
度减少。可以看出机翼上方的气流速度大于下方的，上面的流线较密，下面
的流线较疏。根据伯努利原理，机翼上方的压强减少，下方的压强增大，形
成了一个向上稍微偏后的总压力 Q。把 Q 分为水平与竖直方向上的两个分力 f
及 F，其中 F 就是飞机机翼受到的向上升力，它使飞机上升或保持飞机悬浮
在空中；f 分力是阻止飞机前进的正面阻力。
对上述现象也可以用牛顿定律作一个定性的解释。气流对机翼有向上的
升力，那么机翼对气流就有向下的反作用力，这样一来就使气流向下偏斜。
当气流经过机翼时，在竖直方向上的动量分量就有一个改变量，由于机翼对
气流有向下的作用力，因而机翼也得到一个向上的升力。这和前面所说的结
果一致。
所以飞机机翼受到的总压力 Q 的大小和气流的速度有关。气流速度越
大，Q 也就越大。另外，Q 还与机翼的形状和迎面气流冲向翼面的仰角 a 有关。
飞机在飞行时，受到升力 F、重力 P、推进器的前进力 F1 和阻力 f 的作
用。要使飞机能正常飞机，应保证升力足够大、阻力最小。经过长期的实践
与观察，人们发现把机翼前缘做成圆形而后部做成尖锐形状，并且使机翼上
部稍微凸起，便可以使飞机少受旋涡的影响，即受到的阻力较小。因此人们
逐步改善机翼的形状，采用流线形机翼。
实践证明，在其他条件相同时，飞行的速度越快，机翼产生的升力也越
大；机翼截面积越大，升力越大。对于低速飞行的运输机，就要有较大的机
翼，以获得足够大的升力。对高速飞行的飞机，机翼太长使产生的阻力增大，
此时应采用小机翼。所以针对不同飞行速度的要求，要采用不同的机翼及不
同的截面形状。
不论哪一种截面形状的机翼，在一定范围内增大仰角 a，都可以提高升
力。飞机起飞的速度越小，为了增大升力，就要抬起机头，靠增大机翼的仰
角来增加升力。但仰角增大时，阻力也会增大，同时在机翼上面所形成的涡
流区会越来越大，这时机翼受到的升力也会减小。所以在一般飞行中，机翼
的仰角是有一定范围的，如果超出了这个范围，不但不能增加升力，反而会
引起失速现象，会使飞机掉下来。
一般飞机必须同空气有相对运动，机翼才可以产生升力。但另有一种飞
机，它具有停在空中不动的本事。这就是直升机。直升机在军事和民用中都
发挥着重大作用，它可以用于在交通不便地区运送物资、抢救伤病员、摄影，
还可用于测绘地表、护林防火等。
直升机机翼和空气没有相对运动，升力应该不存在，为什么它能在空中
突然停住不动而又不掉下来呢？
原来直升机的升力是由在它头顶上旋转的机翼所产生的。当直升机在空
中的时候，它的旋翼仍然在不停地转动，产生一个同直升机重力大小相等方
向相反的升力。因此，直升机就能不前进也不后退、不升高也不降低，稳稳
地停在空中执行任务。
鸟的翅膀长在哪儿
不知中学生们是否仔细观察过，鸟的翅膀长在鸟身上的什么部位。是背
上，还是腹部，还是在其他什么地方？为什么？能不能从物理学的观点来分
析、解释一下。
如果人们稍加注意，就会发现鸟的翅膀是长在背部而不是腹部。因为当
鸟飞行时，它的翅膀要产生升力，升力要克服鸟的自身重力，才能停留或翱
翔在天空中，不至于坠落下来。鸟的翅膀长在背部，鸟的重心自然在下部。
这样升力和重力产生对位，才是稳定的平稳。如果鸟的翅膀长在腹部，升力
和重力形成对压的格局，必然使鸟翻转或处于不稳定的平衡状态。所以，鸟
的翅膀是长在背部而不是腹部。
热胀冷缩与热缩冷胀
爱打乒乓球的人都知道，不小心把乒乓球弄瘪了，没有关系，用开水烫
烫就会使瘪的地方鼓起来。大概许多人都知道这其中的奥秘，这是由于乒乓
球里的空气热后体积膨胀，把原来瘪的地方顶起来，乒乓球就修复好了。气
体不仅有受热膨胀的特性，而且遇冷还会收缩呢，这就是平常人们所说的热
胀冷缩。
自然界中许许多多的物体都具有热胀冷缩的性质，物体的这种性质给人
们的生活带来了许多方便，也带来了一些麻烦。比如，往自行车的车把上套
塑料套时，先用热水烫一下塑料套，再往车把上套，由于热膨胀，就比较容
易地将塑料套套上车把。过一会儿，塑料套遇冷收缩，就能紧紧地套在车把
上了。而烧开水时，水壶里的水如果灌得太满，受热后体积膨胀，水会从壶
里溢出。因此就要想办法防止热胀冷缩造成的危害。比如：夏天架电线时要
架得松一些，以防止冬天电线遇冷收缩时绷断；冬天铺设铁轨时，铁轨间要
留有一定的空隙，也是为了防止夏天铁轨受热膨胀使衔接处凸起来，容易发
生火车出轨事故；为了使桥梁有膨胀和收缩的余地，在桥梁上同样也要设置
伸缩缝，以防止发生翘曲；夏天不要把自己内胎的气打得太足，防止空气受
热膨胀，使内胎爆裂，也是同样的道理。
尽管大部分物体具有热胀冷缩的性质，但是不同材料的物体热胀冷缩的
程度不相同。物体的这种性质在生活中给我们提供了帮助，把煮热的鸡蛋放
在冷水中泡一泡，由于蛋壳和鸡蛋白的收缩程度不一样，就可以使两者脱离，
剥的时候也就很容易了。在相同条件下，气体膨胀得最多，液体膨胀得较多，
固体膨胀得最少。知道了这个道理，对人们的生产和生活都是很有用的。在
建筑上，广泛采用的钢筋混凝土，就是选用热胀冷缩程度差不多的钢材和混
凝土材料，才能保证建筑物的牢固性。
在我们的生活中，物体热胀冷缩的例子数不胜数，但并不是所有的物体
都是热胀冷缩的。比如夏天我们为了快速冰镇一下啤酒，可以将啤酒放在冰
箱冷冻室中，但如果时间太长，啤酒瓶就会炸裂。这是由于在玻璃瓶冷缩的
同时，啤酒中的水结冰后体积膨胀所造成。这与烧水时水受热膨胀的情况恰
好相反，如何解释这种现象呢？
自然界中有少数物质的脾气很古怪，它们不是热胀冷缩，而是热缩冷胀，
也叫反常膨胀。温度 4℃以下的水就具有这种非同寻常的特性。水在 4℃时的
密度最大，体积最小。温度逐渐下降时，它的体积反而在逐渐增大，结成 0
℃的冰时，它的体积不是缩小而是胀大，大约比原来要增大 1／10。
由于 4℃的水密度最大，所以在北方寒冷的冬天里，河面结了厚厚的一
层冰，但在冰层的下面，水温总保持在 4℃左右，这为水中生物提供了生存
的良好环境。
水的这种反常膨胀的特性可以为人们所利用，如别具风味的冻豆腐菜，
就是使豆腐中的水结冰后，体积膨胀把豆腐中原来的小孔撑大。当冰融化后，
水从一个一个的小孔中流出来，豆腐里就留下了无数个小孔，整块豆腐呈泡
沫塑料状，这样，冰豆腐经过烹调后，小孔里盛满了汤汁，吃起来味道就非
常鲜美。
我国人民很早就知道并利用了水的这种反常膨胀特性来开采石料。寒冷
的冬季，往石缝中注上水，等水冻成冰后，由于体积膨胀，就把石头撑得四
分五裂，这样开采起来就既省力又能提高效率。
但是水的反常膨胀有时也给人们的生活带来了一些麻烦。比如在冬天，
室外的自来水管常常会由于管中的水结冰而被撑裂；汽车司机在冬天的晚上
收车后，常常要把水箱里的水放掉，以防止水箱冻裂。因此，北方的冬季特
别要做好保暖防冻措施。
另外，某些固态物质也存在着反常膨胀现象，“铅”就是其中的一种，
人们正是利用了它的这种特性（凝固后膨胀）而使铅字更清晰的。
冬冷夏热的房子
每当走到街上，在便道上经常看到许多用角铁、铁皮或铁板建造的铁房
子。有些集贸市场也常有这种构造的铁房子。
铁房子建造方便，既坚固、外表也很漂亮，又可以移动、搬迁。但从物
理学的角度看，它却有一个很大的缺点，就是冬冷夏热。你知道这是为什么
吗？
因为铁的热传导率很大，故在冬天室内的热量很快就会通过铁“墙壁”
传导出去，这样就使室内气温较低，不利于保暖；而夏天时，外界温度比室
内高，热量很容易经铁皮墙传导到室内，使室内温度升高，变得像外面一样
炎热。
因此，铁皮房子冬冷夏热不宜推广。
棉被的巧用
一提起棉被，小朋友们马上联想到冬天用来盖在身上睡觉用。其实棉被
还有许多巧用。
冷饮防化。用棉被包好冰糕等冷饮食品，能防止外界的热传导到冷饮箱
内，从而使冷冻食品能保持低温，不会融化。
安全救火。如不慎发生汽油或柴油起火，千万不能用水去扑灭。可以用
浸水的棉被去覆盖，这样会使燃油与空气隔绝，得不到氧气助燃而自行熄灭。
作战防护品。战争爆发的，如果身边没有更好的防护品，由于棉絮具有
一定的缓冲作用，对于速度较小的弹片或其他速度较小的飞行物，棉被有一
定的防护作用。在房屋中或作战坑道中，还可将棉被盖在老人或小孩的身
上。……
淘气的暖瓶塞
我家的暖瓶塞真是不听话。当灌满水时，它老是“滋滋”叫，等你不注
意的时候，它又“蹦”的一下跳起来，落到地上。你把它捡起来，重新塞在
瓶口上，它更不“老实”，按下去就弹出来，真让人生气。可是，到第二天
早上再用暖瓶倒水时，想不到它又缩进瓶口，紧紧地拔不出来，好象瓶内有
东西拉着它似的。你知道我家的暖瓶塞为什么这样不听话吗？
产生这些现象的原因，主要是暖瓶胆的真空夹层不好了。比如：瓶胆镀
的水银层脱落，这样防止热辐射的能力差了；或者瓶胆下面的抽真空的封口
破了，夹层不再是真空，热传导的能力增强了；另外一个原因是软木塞子磨
损变小或者漏气等等。
当刚刚沸腾的水灌入这种暖瓶里时，水蒸气继续大量地蒸发，由于软木
塞磨损，所以软木塞和瓶口处的摩擦力减小，并且还有漏气的地方。于是，
水蒸气通过瓶塞和瓶口的缝隙，发出“滋滋”的响声。摩擦力不够，又使塞
子被水蒸气压力冲出来。
如果当水用掉一半以后，暖瓶里上部开始积存大量的热空气。由于暖瓶
保温性能不好，这部分气体在夜间就变冷，随之压强变小，小于大气压强，
瓶塞在外界大气压强的作用下，塞子被往里压，一直到瓶口径细小部位阻止
它进一步往里缩去。这时，外部大气压强仍然大于暖瓶内部的压强。外、内
压力之差，迫使瓶塞很难拔出来。只有巧妙地旋转瓶塞，使气流能有机会流
向暖瓶内部，使得瓶内外的压强相等，才可以将暖瓶塞取下来。
你遇到过上述情况吗？如果碰上了，不妨也试一试。
鸡蛋的魔术
观看魔术表演时，经常能见到魔术师手持一个完整的带壳的鸡蛋，一转
眼功夫就放进一个瓶口比鸡蛋略细的瓶子里，鸡蛋在瓶中完好无损。这是怎
么回事呢？难道鸡蛋能变小吗？
其实，是魔术师利用物理方法，迅速、巧妙地让鸡蛋进入瓶子中的。使
鸡蛋进入瓶口略细的瓶子有两种方法：
其一：把一小团棉纱蘸上点酒精，点燃后放进准备好的空瓶中，等棉纱
快要燃烧完时，将鸡蛋扣压在空瓶的口颈上，让它的四周均匀接触瓶口，不
留任何缝隙。这时，由于瓶内热空气变冷，压强降低，瓶子外部的大气压强
大于瓶内气体的压强，于是形成一个向瓶内的压力，正好把直径略大于瓶口
的鸡蛋压进瓶口内。不过，要想从瓶内再把鸡蛋完好无损地倒出来，可就没
这么容易了。
其二：事先把鸡蛋泡在醋内，使蛋壳的石灰质变软，但颜色、形状仍然
没有变化。这时，可以把鸡蛋拉成椭圆形放进玻璃瓶内。等放进去后，鸡蛋
又恢复了原来的形状。
人类生活与大气压强
生活在地球上的人类，无时无刻不受到大气压强的作用，就像潜水员潜
入海底要受到海水的压强一样。那么，大气压强和我们的日常生活有什么关
系呢？现仅举几例来说明这个问题。
古代，人们利用大气压制造了大气压抽水机。最简单的抽水机只需要一
个两端开口的铁筒和一个与筒内壁密切配合的活塞就制成了。它的工作原理
和注射器的工作原理是一样的，都是利用大气压强把液体吸入管中。注射器
在吸药液前将活塞推到下端，然后将针头插入药液瓶中，当活塞被提起来时，
管内前端的气体极少，压强相当小。药瓶中的药液在大气压的作用下，被压
进针管中。
现在，人们经常用吸管吸各种饮料、小聪聪母液、人参蜂王浆等口服营
养液，给钢笔灌墨水，农业灌溉中常用的“虹吸现象”，新型墙壁上的挂衣
钩等等很多方面都是巧妙地利用了大气压强，为人类生产、生活、学习和科
学研究服务。
想一想，你身边有应用大气压强的实例吗？人们经常应用拔火罐的方法
来给人治腿痛。这是不是也应用了大气压强呢？
大气压的发现
大气压强的发现跟抽水机的使用是紧密相连的。
在古代，人们已经会用吸取式抽水机抽水了。那时人们用“自然害怕真
空”的说法，解释水在抽水机中随活塞上升的现象。而对这种现象的真正原
因——大气压强的作用，是不知道的。
1640 年，随着生产的发展，在意大利的繁华商业城市佛罗伦萨，人们想
用抽水机抽出深度在 10 米以上的矿坑中的水。结果发现，水只能吸到大约
10 米的高度。技师们想尽了各种办法，使活塞跟筒壁紧密配合，但仍然不能
使水升得更高。
技师们向当时的大科学家伽利略求教，伽利略因年老多病，不能仔细考
察和研究这个问题。但是，他指出：如果水在抽水机中能升高 10 米，那么，
比水轻的油，应该升得更高。比水重得多的水银，上升的高度应该比 10 米少
得多。
伽利略去世后，他的学生托里拆利继续研究这个问题。他用玻璃管代替
不透明的金属圆筒，用水银代替水作实验。实验结果，跟导师伽利略的预料
完全相符。水银在玻璃管中上升的高度，只有水上升高度的 1／14 左右。在托
里拆利实验中，玻璃管内水银的上方就是真空。这说明自然界是可以产生真
空的，自然害怕真空的说法并不成立。
托里拆利的实验，不仅揭示了大气压的存在，而且测出了大气压的大小。
在大气压的作用下，水在抽水机中上升的最大高度大约为 10 米左右。
“钻”冰取火
冰一般存在于 0℃以下的环境中，给人以寒冷的感觉，可以用它来冷却
食物或制成冷饮，如冰镇汽水、冰镇啤酒之类。但冰还可以用来引火、取暖，
你大概就不知道吧！
用“冰”取火，这绝不是天方夜谭，也不是梦想。早在 18 世纪，人们就
开始探索用冰取火的方法。法国著名的科幻小说家儒勒·凡尔纳在他的小说
《哈特拉斯船员历险记》中，就有用冰取火的描写。南极考察队的队员们，
在丢失火种的情况下，他们面对寒冷和饥饿的威胁，开动脑筋，终于用“冰”
重新取得了火种。
人们常听说钻木取火，而用冰是如何来取火的呢？这就涉及到物理中几
何光学的原理了。光通过两种媒质的界面时，要发生折射。凸透镜（会聚透
镜）是一种光学元件，它对光有会聚作用。让一束平行光通过凸透镜，光线
会聚焦成点，即平行光聚焦法，并且使热量集中到焦点上。如果在焦点处放
些易燃物质，易燃品就会燃起来。
“钻冰”取火，就是利用凸透镜对光的会聚作用�
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