魔球的奥秘

在美国的一个公共游乐园中，坐落着一座寓教于乐的娱乐设施，它是一个旋转的球形小屋，当人们进入这个小屋后，会产生一种奇妙的感觉，仿佛来到了睡梦之乡或是童话中的仙境世界。

还记得我们之前说过，当你站在高速旋转的圆形站台边缘，会有一种被向外甩出的感觉，而且，离旋转中心越远，你受到的“推力”就会越大。现在，请闭上眼睛，你会感觉到自己站在一个斜面——而不是平面上，艰难地保持着平衡。这是为什么呢？让我们来观察一下图30，看看在这种情况下有什么力量作用于我们的身体。我们看到两个力，离心力将我们向外甩，重力将我们向下拉，根据平行四边形法则，这两个力会并成一个向侧下方倾斜的合力。旋转的速度越快，合力就越大，倾斜的角度也随之变大。

想象这个站台的边缘是向上倾斜的（图31），站台静止的时候，你完全无法站在上面，你会滑下来，甚至跌倒；但当站台旋转的时候，情况就完全不同了，当站台保持一定的旋转速度时，这个斜面对你来说就是平面，因为离心力和重力的合力是倾斜的，弯曲的站台边缘与两个力的合力方向呈直角（顺便一提，这也解释了为什么火车轨道转弯处外侧的铁轨会略高于内侧，为什么赛车道是向内倾斜的，以及为什么赛车手能沿着严重倾斜的赛道外侧行驶）。

假设这个站台的表面是弯曲的，它的旋转速度也足够快，能使合力方向垂直于站台的表面的任何一点，这样一来，所有站在上面的人都会产生一种自己站在平面上的错觉。数学家们将我们假设的这个曲面，称作“抛物面”。我们可以做一些小实验来得到这个抛物面：将一个盛有半杯水的杯子围绕垂直轴快速旋转，杯壁的水会蹿升，杯子中间的水会下沉，此时的水面就是一个标准的抛物面。如果我们用一些熔化的蜡来代替水，然后旋转杯子直至蜡凝固，那么完全凝固的蜡皮也会形成一个标准的抛物面。如果我们给这个凝固的表面一定的转速，那么它就会变成一个平面：如果我们在它的上面放上一颗小球，那么这颗小球无论放在哪里，都会停留而不会掉落（图32）。

现在再来理解魔球的构造就容易多了。魔球的底部（图33）是一个巨大的、呈抛物面形状的旋转站台。要让它流畅地旋转起来，只需要安装一种隐蔽的机械装置就可以了。但是如果小屋中的物品没有一起旋转的话，站在里面的人就会感觉头晕目眩，为了让站在站台上的人感觉不到他们的移动，就要用一个巨大的不透明球体罩住站台，并让这个球体的旋转速度与站台保持一致。

现在，置身于魔球之中的你，会有什么感觉呢？当魔球旋转起来时，无论你是站在本身就是平面的台轴附近，还是站在45度斜面的站台边缘，你都会感觉双脚踩在水平面上。虽然你的眼睛清楚地看到了地板的凹陷，你的肌肉却让你觉得脚下是平坦的地面。当你从站台的一端走向另一端，会感觉整个球体在你的脚下轻轻摇摆，就像一颗巨大的肥皂泡。虽然你觉得自己好像一直站在平坦的地面上，但看到魔球中的其他人时，你会觉得他们仿佛是趴在墙上的苍蝇一样（图34）。如果魔球内的地板上洒了水，那么水就会均匀地覆盖在地板上，此时你会觉得自己面前像竖立起一道倾斜的水墙。

置身于魔球内，你原先关于重力的所有概念都将被打碎。当飞行员驾驶飞机在空中旋转时，也会有相同的体验。当时速200千米的飞机沿着一条半径为500米的曲线飞行，飞行员会认为地面是一个16度的斜面。

德国的哥廷根市建有一座用于科学观测的旋转实验室，它的构造与魔球十分相似。这座实验室（图35）呈圆柱形，直径3米，每秒能完成50转。由于实验室中的地板是平坦的，站在墙边的实验人员会产生一种错觉，认为旋转的小屋已经向后倾斜，他就像是半躺在墙上一样（图36）。