第2章 有趣的力学(1)

逃不掉的星球：万有引力和重力

是什么让苹果“ 亲吻”牛顿

在1666年夏天的一个傍晚，在英格兰林肯州一个叫做“乌尔斯索普”的小地方，一位年轻人走进了母亲家的花园里，他坐到了一棵苹果树下，开始埋头读书。正当他翻动书页的时候，头上的树枝开始晃动起来，终于，史上最著名的苹果掉了下来，砸到了牛顿的头上。牛顿心想：“这苹果为什么要垂直落到地上呢？为什么不往天空中或者斜上方飞去呢？”冥思苦想之后，牛顿提出了“万有引力定律”。

看到这里，我们也许会认为牛顿发现“万有引力定律”是一个偶然，觉得他真是一个幸运的家伙。那颗苹果如果砸到别人头上，也许就是别人发现万有引力了。

不过，历史不能倒退，而且牛顿发现万有引力也并不是偶然，而是机会找到了有准备的头脑。在牛顿正式提出万有引力之前，为了研究这个定律，年轻的牛顿已经花了整整7年的时间。牛顿23岁的时候，一场可怕的瘟疫在伦敦蔓延着，为了防止学生受到传染，剑桥大学让学生全部回家休息。牛顿因此而回到了自己的家乡。那时候，他最喜欢在傍晚的时候坐在家门口看孩子们做投石器的游戏中。这些孩子把一块小石头放进稍大的石器中，然后用力打转，紧接着把石头抛得远远。但是石器里面的小石子并不会被抛出来。有时候，孩子们也会突发奇想，把牛奶放进石器中，奇怪的是牛奶也不会洒出来。

“是什么力量让石子和牛奶都不飞出来的？”牛顿陷入了深深的思考中，他从日落想到了月亮、地球和茫茫的宇宙。他认为一定存在一种力让这些物体呆在固定的位置。此时他的头脑中已经有了“引力”的萌芽。那颗苹果落地的时候，牛顿终于明白世间万物都存在着引力，这种引力是“万有”的，而苹果落地就是因为地球对苹果的引力。

经过仔细的计算和推测，牛顿提出了举世闻名的“万有引力定律”，奠定了理论天文学和力学的基础，同时这个定律也彻底毁灭了天上地下不同的宗教思想，让人类的思想有了一次质的飞跃！

【物理碰碰车】

苹果真的“亲吻”牛顿了吗

讲到苹果与牛顿的故事，大家听到最多的版本一定是苹果砸在了牛顿的头上。但是学界却对此持怀疑态度，有些人认为苹果根本没有砸到牛顿，甚至有人认为根本不存在苹果落地这件事。

那么事实的真相是什么呢？牛顿的亲朋好友所写的传记中都证实了苹果落地的故事，不过这苹果并没有落到牛顿的头上，而是在落地的过程中恰巧被牛顿看见了。不论事实如何，这颗苹果都为“万有引力定律”的提出做出了伟大的贡献。

月亮为什么没掉下来

看了苹果落地的故事，大家可能会产生这样一个问题：“既然地球与苹果之间存在引力，最终苹果掉了下来。那地球和月球之间不是也有引力吗，月亮为什么没有掉下来呢？”

天文小组的成员姗姗也产生了这样的疑惑，于是她带着这个问题找到了天文台的刘老师。刘老师听完她的问题笑着说：“牛顿的万有引力定律可不是针对地球的，它是针对时间万物的。根据这个定律，自然界中的任何两个物体间都是相互吸引的，吸引力的大小与这两个物体的质量乘积成正比，与它们距离的二次方成反比。也就是说，自然界中任意两个物体间都存在吸引，这个吸引力就是万有引力。”

说到这里，刘老师给姗姗拿了一根短绳，绳子一端系了一个橡胶球，“你把它抡起来试试。”看到姗姗把橡胶球转起来之后，刘老师说：“是不是感觉到橡胶球想要从手里飞出去？”姗姗点了点头。“这个想要飞出去的力就是离心力，下面咱们去看看月亮为什么不会掉下来。”

刘老师带姗姗来到太阳系模型前。她指着月亮说：“你看，月亮受到地球的引力，也就是重力，它的方向是竖直向下的，就是说重力拼命想把月球拉到地面上来。但是就像你刚才感觉到的，做圆周运动的物体也会产生离心力，离心力又想带着月亮飞出去，这两个力刚好抵消，所以月亮只好在轨道上乖乖绕行了。”

姗姗恍然大悟，刘老师又接着说：“19世纪时候，奥地利的天文学家奥波塞尔就根据自己掌握的月球运行规律计算出了从1208年到2163年间的8000次日食和5200次月食。迄今为止，他预测的20世纪的日食和月食都已经被准时观察到，误差不超过1秒。这表明月球的运行是很稳定的，我们也就不用担心月亮会突然从天上掉下来了。”

尽管月球已经稳定运转了上千年，但是我们还是不能断言月亮运行的轨道永远不会改变，因为月亮不仅受到地球引力的影响，它与其他天体之间也有引力作用。这些引力合在一起，有可能会让月亮越来越靠近地球，最后导致月亮落在地球上；当然，月亮也可能在其他引力的作用下脱离地球，不过这个过程也许要好几亿年。

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如果月亮向地球飞来

如果月亮真的向地球飞来，地球能招架得住吗？会不会地球直接就被毁灭了呢？

其实，这取决月球的构成物质。地球的直径是13000千米，月亮的直径则是3500千米，月亮靠近地球时，地球将以巨大的吸引力吸引月亮靠近地球的那一部分，而背离地球的那一部分受到的引力相对要小很多。如果构成月亮的物质不太坚固，月亮会在地球的引力中“粉身碎骨”，碎片将会变成环绕地球的光带。如果构成月球的物质很坚固，那么我们最好祈祷月亮永远乖乖地绕地运行，不要向地球进攻。

让人忽高忽低的石板

地球对所有的物品都有引力作用，但是这世界上依然有一些现象无法通过地球的引力来解释。美国的加利福尼亚州就有一个很奇怪的地方，这个地方的重力与其他地方有很大差别，所以又被称为“神秘点”。

“神秘点”位于圣塔克斯镇，从旧金山乘车沿公路南下，经过几个小时车程之后就能到达这个小镇的中心，再过5分钟就可以到达位于该镇近郊的“神秘点”。“神秘点”现在是一个著名旅游景点，如果你到那里去的话会发现游人很多。

这个景点最有趣的异常现象就是“比身高”。“神秘点”有两块看起来很普通的石板，石板长50厘米、宽20厘米，间隔约40厘米。当两个身高差异比较大的人分别站在两块石板上时，你会看到这样奇异的情景：本来个子高的人比原来个子矮的人矮很多。当两个人从石板上走下来的时候，他们的身高又恢复正常。如果两人互换位置，个子高的人又变高了。旁观者看得清清楚楚，石板居然能让人的身高忽高忽低。这在大家看来简直不可思议，是大家眼花了，还是这个石板一边高一边低？

如果用水平测量仪来测量，仪器上呈现的是水平状态。而且当两人站在石板上时，有人拿皮尺测量两人的身高。无论他们站在哪个位置，测量出来的身高都等同。如果说人站在石板上，身高会伸缩，难道皮尺也能伸缩吗？

身高伸缩的神奇现象已经让科学家束手无策了，可是“神秘点”还有更多的未解之谜。

这里所有的树木都是向一方生长，连处在神秘点中心位置上的小木屋也完全倚靠在旁边的树木上，树和房子就像一对连体婴般。当人们走到小木屋前面的空地上时，每个人都会不由自主地斜立，好像随时都有可能跌倒，但他们斜立着反而十分稳当。

这个小木屋的天花板上有很多破洞，人们甚至可以从中看到奇形怪状的大树飞向天空。在小屋的另一间空房里，悬挂着一个直径大约25厘米、厚约5厘米的铁球，这个铁球很重。但是一根小拇指轻轻一动就能将它推到一边。但要将它往反方向推，可能两只手的力气都推不动。

这个神秘屋有一面墙壁上凸出了一块木板，这木板是一个小斜坡。但是让小球滚下这块木板时，球却呆在原地一动不动。如果人们用手将小球推向到坡较低的一端，小球滚到一半的时候就会被某种神奇的力量牵回来，还会滚回原地。不管怎么推，用多大的力推，结果都是一样，。

飞行在“神秘点”上空的飞机也会受到磁场干扰而脱离航线，小鸟飞到这里则会像绕晕了一样掉到地上。更不可思议的是，神秘屋的狭窄入口处有一个坡，这坡向地下倾斜30°，抬脚进去之后，人们就会感到有股强大的力量将身体往里拉，即使抱着身旁的柱子，也会被拉近小屋的重力点。

由于这里重力异常，人只要在里面呆几分钟，就会产生恶心反胃的感觉，就像晕车、晕船一样。不需要任何支撑，人就可以在里面的墙上行走，就好像墙壁那边有巨大的引力把人稳稳地吸在墙上。

综合以上现象，如身高的伸缩、球自动向上滚动、人在墙壁上走、铁球难以推动等，总之，这个神秘点充满着诡异的事情，而且这些想象都违背了物理定律。唯一可以确定的是这个地方的重力是异常的，与其他地方的物体受到的地心引力的不同，它们可能是受另外一种神奇的力的吸引。但这究竟是什么样的力，又是如何发生作用的，则是科学家想要解开的谜。

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可能改写世界的重力异常现象

除了“神秘点”的重力异常之外，还有一种重力异常发生在日全食前后。此时重力仪显示的数据会突然降低。

这些重力异常现象用牛顿的万有引力定律以及爱因斯坦的广义相对论都很难解释。因此人们都在猜测，会不会还有其他不知道的力。科学家认为，如果能够找到这个力，那么万有引力定律将被修正或改写，与之相关的宇宙起源等一系列理论都将被修正。不过，这个力是否存在还是未知数，因此暂时不用担心我们所学知识的正确性。

“偷”鱼的重力

利比里亚的商人卡特都要疯了！他从挪威买了2万吨鱼，希望运回利比里亚的时候能够卖个好价钱。但是当鱼被运回来的时候，经过称量他发现，2万吨鱼足足少了50吨，这究

竟是怎么回事？是鱼贩缺斤少两了，还是鱼体内蒸发出去50吨的水分？

不过，真相让所有人大吃一惊：鱼是被“偷走”的，而“偷”鱼的贼竟然是地球重力！

没手没脚的重力是怎么偷鱼的呢？要知道，重力并不固定。在地球上，重力随着纬度的升高而增大，纬度越高重力越大。因此，南极和北极的重力最大，赤道的重力最小。这样一来，事情就清楚了：挪威靠近北极，纬度高，重力大；而利比里亚靠近赤道，纬度低，重力小。因此，这两个地方称出的鱼重力当然不同了。对于这样一个“偷鱼贼”，商人卡特除了疯狂大吼之外想不出任何其他的办法来发泄自己的怒气！

当然，也有些人因为不同地方的重力差异大赚了一笔。曾经有个骗子，他经常去赤道附近的国家买东西，然后把买来的东西卖给两极的居民。不过骗子要想成功赚钱，必须使用在赤道制造的弹簧秤，否则就达不到增加货物重量的目的。虽然看起来数值不是很大，但如果运输的货物很重的话，这些收入还是很可观的。

虽然骗子的行为不值得认同，但是他善于思考的精神还是值得提倡的。他成功运用了“同一个物体的重力离赤道越远就会越大”这个原理。经过测算，物体在赤道上的重量要比它在两极时的重量轻约1/290。

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快速“减重”的小动作

生活中常见的体重计就是利用重力来称量体重的。同样的体重计测量体重的时候会因为人体的小动作而显示出不同的数值。

当你弯腰的时候，上半身肌肉弯曲，同时牵动下半身，此时体重计上显示的数值会变小。反之，一旦你站直了，重心的位置发生了改变，体重计的读数就会明显增加。

有些非常敏感的体重计对于挥手臂、低头这样的小动作都能感应得到。当人举起手臂的时候，与肩膀连接的肌肉会把整个人向下压，重心下移，此时体重计的读数会变大。那么请你思考一下，当我们低头的时候，体重计的读数会怎样变化呢？

惊悚刺激的“自由落体”

你有没有去游乐场玩过“自由落体”呢？是不是升到最高空突然往下落的那一刻非常没有安全感？身体一下子变轻了，仿佛向一个无底深渊跌下去。这种感觉就是失重带来的刺激。除了去游乐场，我们还可以在其他的地方体验到失重的感觉吗？当然，而且在一个很常见的地方就可以。

某一天，从乡下来的表弟到城里过周末，雯雯原计划带着表弟去游乐场玩个痛快。不巧的是，周末下起了大雨，雯雯只好放弃了这个计划。看着表弟失望的眼神，她有些内疚。突然，物理老师给他们讲解“失重”那一课的场景出现在眼前，雯雯拉起表弟的手说：“走！姐姐带你去玩自由落体！”表弟有些费解，轻声说：“今天下大雨，游乐场不开门啊！”“走吧，姐姐给你个与众不同的自由落体！”

说着，雯雯拉着表弟来到了电梯口。“闭上眼睛，自由落体要开始啦！”表弟听话地闭上了眼睛，就在电梯开动的一刹那，表弟紧紧拉住了雯雯的手，还发出了一声惊叫。到了一楼，雯雯叫表弟睁开眼睛，“怎么样，是不是很刺激啊？电梯和自由落体的原理其实是一样的呢！”

原来，当我们步入电梯，让电梯下行时，身体会有一种被抬起来的感觉，那一瞬间我们似乎完全感受不到自己的体重，不过这种感觉持续的时间不会很长。你感受不到自己体重的那一刻，就是在体验失重的奇妙。