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2.7 发明家错误的设想

在2.6节中我们说到,人不可能用自己肌肉的力量使得地球产生移动,这也可以用重心运动的定律来解释。

由于人与地球之间的作用力,也就是人作用在地球上的力和地球作用在人体上的力均为内力,所以它们并不能引起地球和人体的共同重心的移动。当人走到地球表面上的一个位置的时候,地球也会相应地运动到一个位置,所以它们之间是没有相对位移的。

图2-3是一种完全新型的飞行器的设计图。这是一个很有教育意义的例子,这个例子说明了重心运动定律的重要性,如果没有这个定律发明家会产生怎样的错误。发明家说:“请设想有一支闭合的管子,它由水平的直线部 AB 和它上面的弧线部分 ACB 两部分组成。管子里的液体依靠螺旋桨的推动而朝着一个方向不停地流动,在液体流动的时候,沿着 ACB 弧线会对罐子外壁产生力的作用,也就是离心力。同时还会产生一个向上的力 P 的作用(图2-4),但是液体在 AB 一段里并没有产生离心力,自然也不会受到其他方向上的力的作用。”由此,发明家得出结论:当水流速度变得足够大时,力量 P 会牵引整个装置向上运动。

图2-3 新型飞行器的设计图

图2-4 力 P 应该吸引整个装置向上抬起

那么,发明家的这个实验的想法和结果正确吗?其实不用深入研究他的这个装置,就可以知道由于这其中的作用力均为内力,它是不会动的,整个系统——管子连同所有的液体以及使液体运动的机械,都会发生重心的移动,自然也就无法向前运动。

意大利的达·芬奇在五百年前就曾经说过一句话,他觉得力学的定律“某种程度上遏制了工程师和发明家的思维,使他们无法把不可能的东西做给自己或别人”。

如果发明家只是陷于无限的空想中,那么他的发明将永远是没有结果的。如果他真的想在技术上发明出什么的话,就必须接受严谨的力学学习,他们发明的本质不能够违背能量守恒定律。当然,还有一个定律也是他们无法超越的,那就是重心运动定律,一旦忽视这一点,就很有可能走进死胡同而白白消耗精力。

就像如果忽略空气阻力,飞速运动的炮弹要是爆炸,它爆开的碎片在落到地面之前,重心的移动都应该和炮弹本身重心移动相同,这也就解释了一个物体或者一个物体系统,它重心的移动并不是因为内力的作用而发生改变的。所以如果一个物体最初重心是静止的,那么就不会因为内力的作用而发生改变。

如果你想知道之前那个发明家的论证到底是哪里出了问题,其实并不难解释。因为设计这个实验的人没有注意离心力不但发生在弧线 ACB 这段液体运动的路径上,同时在转弯的 A B 两点也会产生,这一小段的距离不长(图2-5)。但转弯的曲率半径很小,产生的离心效应其实是很大的,所以在这两个地方也会产生力的作用,也就是 Q R 两个向外作用的力,发明家正是忽略了这两个力的作用。不过,如果发明家知道重心定律的存在,即使没有发现这两个离心力,也会知道他的实验是无法实现的。

图2-5 为什么这个装置飞不起来 dmoi1f5MgCzT3eVeGEZulXB0tbhVo5F2dB8iJVzvHOPH8tA5uLhfWpC+vS3BW6Au

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