力学的三条基本定律

[俄]雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼

站在科学巨人的肩膀上回顾历史长河，去探索更多未知的奥秘。

一、旅行的绝招

17世纪的法国有一位风趣的作家叫西拉诺·德·贝尔热拉克，他写了一部名为《月国史话》的讽刺小说，其中提到一件似乎是他亲身经历过的怪事。有一天，他在做物理实验时竟同实验用的玻璃瓶一起鬼使神差似的飞上了天。几个小时之后他落到地面上，惊奇地发现，他脚下已不是自己的祖国法国了，也不是欧洲，而是北美洲大陆上的加拿大！然而这位法国作家却认为，如此这般地飞越了大西洋，虽然出乎意料，却在情理之中。他的理由是，当他不由自主地升离地球表面时，我们这颗行星依然在从西向东旋转;所以他着陆的地点就不是法国，而是美洲大陆了。

这似乎是一个省钱省力又简单易行的旅行绝招！只要升到地球上空并停留几分钟，就完全可以在遥远西方的一个什么地方着陆。不用辛辛苦苦地跋山涉水，只需要悬在空中静等，地球就会自动地把旅行者送到目的地。

遗憾的是，这个奇异的招数不过是个幻想。第一，我们在升空以后。其实仍然没有脱离地球的控制范围：那是我们悬在大气层里，仍受着随地球自转而运动的大气层的制约。空气（更确切地说是下层较为密实的空气）连同空气中的一切，如云、飞机、飞行的鸟儿和昆虫等等，是随着地球一起转动的。假如空气不是随地球转动的话，站在地球上的我们，就会经常受到强劲大风的骚扰，与之相比任何可怕的飓风不过是小巫见大巫。要知道，我们静止地站在流动的空气中和我们在静止的空气中做运动都会感受到同样大的风力。摩托车运动员在以100千米/时的速度行驶时会感受到迎面而来的强大风力，尽管那是个全然无风的天气。

这是第一个理由。第二，即使我们升到了最高的大气层或者地球上空根本就没有这个大气层，这个不花一文的旅行招数也仍然无济于事。那是因为，我们虽然离开了旋转地球的表面，但实际上由于惯性的作用依然以原来的速度，即我们脚下地球自转的速度运动着。我们重新降落到地面时，是不会离开原升空点的。同样，我们在疾驶的火车内跳起，还会落回到原地。诚然，我们升空后由于惯性是（沿切线）做直线运动的，而我们脚下的地球是做弧线运动的;然而由于时间很短，由此所造成的差别可以忽略不计。

二、从飞机上投信

设想您乘坐在一家在空中快速飞行的飞机里。下方就是你熟悉的地方。马上就要飞到您朋友住宅的上空了。“给他带去一个问候该多好啊”，您突然起了这样一个念头。于是，您飞快地写了一个便条，把它绑在一个重物上，当飞机恰好飞到这所住宅上空时把重物抛下。您确信，重物自然会落到朋友的宅院里。可是，尽管您投得很准，重物却绝不会命中目标！

您观察重物从飞机上下落的情形，就会发现一种奇怪的现象：重物下落时仍跟在机体下方，它好像沿着系在飞机上的一条无形的线向下滑动。重物会落到既定目标前方很远的地方。

我们这里碰到的还是那条使贝尔热拉克推荐的令人心仪的旅行招数难以实现的惯性定律。当重物还在飞机上时，是同飞机一起运动的。您虽然后来把它抛下飞机，但它在下落时并没有失去原来的速度，仍在空中沿着原来的方向运动。这时，垂直和水平两种运动复合在一起，结果重物仍跟在飞机下面（当然飞机不能改变飞行的方向和速度），并沿着一条曲线下落。重物飞行的轨迹就像沿水平方向抛出的物体，有如水平方向射出的枪弹，从出膛到落地的飞行轨迹是一条弧线。

需要指出，上面的说法只是在没有空气阻力的情况下才能够成立。但实际上这种阻力随时存在着，它阻碍着重物垂直和水平方向的运动。因而重物不会总跟在飞机的正下方，而是落在它后面一些。

如果飞机飞行的高度和速度很大，重物偏离垂直线的角度就会很明显。飞机在无风的天气里，以时速180千米在1000米的高度飞行，从飞机上抛下的重物会落到垂直落地前方700米的地方。

在这段时间内，重物水平方向位移的距离为：

三、无需停车的火车站

火车站的站台是静止不动的，站在那里的您要跳上从站台边飞驰而过的列车当然是难以做到的。然而您想象一下，假如脚下的站台是活动的，而且活动的方向和速度同列车相同，那么您再去登车还会困难吗？不会有什么困难了：您会安安稳稳地上车，与登上一辆停靠的火车毫无二致。假如您和火车朝着同一方向，以同样速度运动，那么火车相对您就处于完全静止的状态。固然，车轮在飞转，但您会觉得它们是在原地转动。严格地说，我们通常认为不动的一切物体（如停在车站上的列车），其实都在同我们一起随地球绕着太阳转动;可我们实际上没有考虑这个因素，因为这种运动对我们并没有一点妨碍。

如此说来，完全可以设想建造一种这样的站台：火车到站时不用停靠，仍保持原来的速度前进，而乘客可以顺利地通过它上下车。

在展览会上往往就有类似的设备，这使观众得以快速而方便地参观陈列在广阔区域中的展品。展览会广场的出入口由道轨连接起来，这条铁路就像往返环行的传送带，列车开过时无需停车，参观者就可随时随地地上下车。

上图就是这种设备的示意图。在出入口的站台上各安装一个转盘。两个转盘外围有根缆索把两个站台连接起来，在缆索上挂着列车车厢。现在我们就看看转盘运转时的情况。这时列车车厢就会以转盘边缘运转的速度运行，乘客便可以安全地从转盘上进入车厢，或从车厢下到转盘上。乘客走出车厢后，踏上转盘，走向转盘中央，再登上天桥，就可以出站了。最后一步是轻而易举的，因为转盘中央的圆半径很小，因而圆周速度也很小。

车辆不用一次又一次地停靠，可节约时间和能量。以城市的电车为例，有大部分时间和约三分之二的能量消耗在电车离站时加速和进站时减速上。

火车站不设专门的活动站台，也可以使乘客在列车照常行驶的情况下上下车。我们可以做这样的设计：一列疾驶的列车从普通的车站经过，我们要把新来的乘客送上这列不停靠的快车。可以先让他们登上停在与快车并排轨道上的另一列车，而后开动这列列车，使其速度达到快车的速度。当两列火车并排行驶时，它们之間就处于相对静止状态。这时只需用踏板连接起两列火车的车厢，乘客就可平安地从普车走上快车。这样，列车就不用在车站停靠了。

四、活动式人行道

还有一种设施也是根据相对运动的原理设计的，它就是展览会上曾展出的“活动式人行道”。这种设施首先出现在1893年芝加哥举办的一个展览会上，1900年的巴黎世界博览会也继之展出了这种设施。下图是它的示意图。您看到的是五条并排的环形人行道，它们靠各自的动力机械运行，而且速度各不相同。

最外圈的那条，运行速度相当慢，只有5千米/时，相当于平常的步行速度，要走上这条缓慢运行的人行道并不困难。它的内侧是第二条人行道，其运行速度为10千米/时。如果直接从静止的街道上跳上这条人行道，那是危险的。然而实际上，以10千米/时的速度运行的第二条人行道相对于以5千米/时的速度运行的第一条人行道而言，其速度不过相当于5千米/时。因而，从第一条人行道跨到第二条人行道，同从街道上跨到第一条人行道一样容易。第三条人行道的运行速度为15千米/时，从第二条人行道跨到它上面，当然也不困难。以此类推，从第三条人行道跨到以20千米/时速度运行的第四条人行道，从第四条人行道跨到以25千米/时速度运行的第五条人行道同样是容易的。第五条人行道把乘客送到目的地：而后又从第五条人行道顺序逐条地跨到第一条人行道上，再从那里回到街道上。

五、一条费解的定律

在力学三条基本定律中，大概要数被称为牛顿第三定律的作用和反作用定律最为让人费解了。大家都知道它，甚至在某些情况下也会应用它，却很少有人能完全明白地理解它。也许您这位读者能一下子就懂得它的，而我应该承认，从初识这条原理起，十年之后才彻底地弄懂了它。

我曾同各色人等谈论过这条定律，也不止一次地认定，许多人在承认它正确的同时仍持保留态度。他们说，这条定律对于静止的物体而言，当然是正确的，但当它用来说明运动物体的相互作用时，他们就犯疑惑了……这条定律称，作用永远等于反作用。这就是说，如果马向前拉车，那么车也以同样大的力向后拉马。这时马应原地不动才是，可为什么车还是向前走呢？既然两种力是相等的，它们为什么没有相互抵消呢？

人们对于这条定律产生的疑感通常就是这样。如此说来，这条定律错了吗？不，它完全正确;只是我们没能正确地理解它。两个力没有抵消，不过是因为它们施加到了不同的物体上：一个施加到车上，另一个施加到马上。两个力同样大，这没错，可是，难道同样大的两个力只能产生同样的作用吗？难道用同样大的两个力必定会使任何物体得到同样大的加速度吗？难道力对物体的作用与物体本身和该物体的反作用力无关吗？

考虑到这些，自然会明白，为什么马能拉着车走，尽管车也以相等的力向后拖马。作用于车的力和作用于马的力时时刻刻都是相等的：然而，车是在车轮上进行自由位移的，而马却是蹬着地面，因此车显然会朝着马拉的方向行驶。请再这样设想一下：假如车对马的拉力不產生反作用，那么……也就用不着马来拉了，因为哪怕些微的力就可以使车行驶了。车必须由马来拉，就是为了克服车的反作用力。

如果把表述这条定律的通俗表达“作用等于反作用”改为比如“作用力等于反作用力”，就比较容易理解了，产生的疑感也就少了。因为这里相等的只是力，而作用（如果像人们通常那样把“力的作用”理解为物体的位置移动）则是不等同的，因为力是施加到不同的物体上的。

当北极的冰紧挤住“切留斯金”号船身的时候，它的船舷受到北极浮冰的强烈挤压，船舷又以同样大小的力挤压浮冰。硕大的冰块能抵抗住船舷的压力，而虽是钢质却不是实心的船身却经受不住强大的压力，于是就破碎了。于是发生了惨剧。

这个定律在落体运动中也起作用。苹果之所以落到地上，是因为地球对它的引力，而同时苹果对地球也有同样大小的引力。严格地说，苹果和地球互为落体，不过下落的速度各不相同。由于两个相等的相互引力，苹果得到的加速度约为每秒钟10米，而地球的质量比苹果大多少倍，其加速度就比苹果小多少倍。地球的质量比苹果大得难以计数，因而地球向苹果方向的位移距离微乎其微，实际上可以略去不计。也正因为如此，我们说苹果落到地上，而不说“苹果和地球彼此相向地落下”。

六、为什么火箭能飞起来？

甚至一些不乏物理学知识的人也常常会对火箭飞行的原理作出完全错误的解释，他们称，火箭之所以能飞行，是因为内装的火药在燃烧时产生了气体，而气体又推动了空气。

过去人们就是这样认为的（火箭式飞行器的发明距今已很久远了）。然而，假如火箭在真空里飞行，那么它飞行的状况比在有空气的空间里不但毫不逊色，而且更好。火箭运动的真正原因并不在于此。俄国革命的民意党人、参加过刺杀沙皇亚历山大二世的基巴里契奇在临死前完成的一本关于发明飞行器的笔记中对此有非常的简明的叙述。他是这样描写军用火箭的构造的：

将密实的火药装入一头封闭、一头敞口的白铁圆筒中，圆筒中轴留有空洞。火药先从空洞的表面燃烧，而后分时段逐次引燃其他密实的火药;燃烧时形成的气体产生向四周的压力;气体向两侧的压力互相抵消，对火药筒底部的压力却由于没有相反的压力而未被抵消（因为在反方向上有释放口），正是这个朝向底部的力推动着火箭前进。

火箭发射的原理和大炮一样：炮弹向前飞而炮车向后移，您想，手枪和各种热兵器都有“后座力”。假如把炮车悬挂起来，不让它有任何支撑，它在发射后会向后运动，运动速度与炮弹飞出的速度之比等于炮弹重量与炮车重量之比。儒勒·凡尔纳的幻想小说《底朝上》中有个美洲人，竟幻想利用大炮强劲的后座力实现一个宏愿——“矫正地轴”。

火箭就是另类的大炮，它发射的是火药燃烧形成的气体，而并非炮弹。中国转轮式焰火升空利用的也是这个原理。这种转轮上装有一根火药管，火药燃烧产生的气体向一个方向喷出，于是与火药管相连的轮子就向相反方向旋转。其实它就是变相的常见物理仪器“西格纳尔氏轮”。这里值得一提的事，在轮船发明之前，曾经设计过一种机船，它的工作原理也如上述。其尾部装有强劲的压水泵，它把船里储存的水压到船外，船就向前行驶了。这个设计（设计人是列姆济）未能付诸实践，然而这对轮船的发明颇有助益，轮船的发明者富尔敦就是受了这个设计的启发。

我们还知道，古希腊亚历山大城的希罗在公元二世纪发明的最古老的蒸汽机依据的原理是：汽锅中的蒸汽通过管道进入一个安装在水平轴上的球体里，而后从球体上两个曲柄管喷出，产生把两个曲柄管向相反方向推动的力，使球体转动。遗憾的是，希罗发明的这种蒸汽机在古代只是作为有趣的玩具使用，因为当时奴隶的劳动太过低廉，无须使用机器。不过这个原理的技术价值却未被弃置，喷气涡轮机的制造就应用了这个原理。

七、乘坐火箭到星球上去

飞离地球到无边无际的宇宙去旅行，从地球飞向月球，从一个行星飞到另一个行星，难道还有比这更令人神往的吗？这类题材的幻想小说多不胜数！它们的作者个个都勾起我们漫游宇宙的憧憬！写《小麦加》的伏尔泰，写《月球旅行记》《赫克托耳·赛尔瓦达克》的儒勒·凡尔纳，写《第一批月球居民》的威尔斯和后继的许多科幻作品的作者都曾描写过令人心旷神怡的宇宙旅行。宇宙旅行成了人们的一种向往。难道这种由来已久的幻想就不能实现？难道小说中那些精妙设计的、令人心仪又可信的情节就不能变为现实？关于星际旅行的幻想式设计，我们留待以后再谈，现在先见识一下已故苏联科学家齐奥尔科夫斯基设计的第一艘宇宙飞船。乘坐飞机能飞上月球吗？当然不能，因为飞机是靠推动空气飞行的，而地球和月球之间并没有空气。在宇宙空间里，没有“星际飞机”可借助的支撑介质。因而需设计出一种无须任何支撑物就能驾驶的飞行器。

我们已介绍过类似炮弹的玩具炮仗。那么也可以制造一种巨型的炮仗呀，在里面开设特别的房间，装载上人、食品、储气罐和其他必需品。这样的话坐在里面的人就可以携带着大量燃料，而且能够随意控制爆炸气体的喷射方向。这就是真正的、可以驾驶的宇宙飞船了。我们乘坐它可以在宇宙空间遨游，飞往月球和各个星球。这种飞船的乘客操纵着燃料爆炸的程序，在不伤害身体的情况下逐渐加大飞船的速度。想在某个星球降落时，就可以改变飞行方向，逐渐减速，平稳着陆。最后，他们还以同样的方法返回地球。

回想一下，在不久以前，航空家才做了他们那胆怯的初步的试飞，而现在，飞机已经能够飞入高空，飞越高山、沙漠、大陆和海洋。那么，再过二三十年，星际旅行能不能同样的蓬勃发展起来呢？那时候，人们就要挣脱曾经把他们长期拴在地球上的那条无形的锁链，而冲入广漠无边的宇宙空间去。