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换一个视角看世界,奇妙的重力作用
发布时间:2020-01-08
 

如果我们问一些登山爱好者为什么登山,也许他们会说出那句名言“因为山就在那里”。是的山不仅在那里,而且它真的对我们有吸引力。这不单纯是心理上的,也存在着真实的作用力,那就是——万有引力。

我们行星上的重力

它因为一个苹果的掉落而被伟大的科学家而萨克·牛顿所发现,并在其《自然哲学的数学原理》中首次提出了万有引力定律。这条定律指出,两个物体之间的引力与距离的平方成反比。根据这一点,牛顿证明了如果将一颗行星产生的所有引力汇总到一起,许多侧向力会相互抵消,最后只留下一个向下的力,它指向行星的正中央。

换一个视角看世界,奇妙的重力作用

牛顿

虽然任何物体之间都存在万有引力,但是最终在各种方向的力或被叠加或被抵消后,就是那指向行星中央的力,它的另一个名字叫重力。我们之所以感受不到周围物体对我们的引力的原因,是它的作用力非常微小,引力是一种弱力。地球的质量是6X10的24次方千克,这是个不太好直观描述的巨大质量。但是我们与地球所共同产生的引力,却只是我们身体的重量这么大。当我们拿起一个碗或者一个杯子,其实我们对抗的是整个地球给予它们的引力。这力可并不强大,也许还比不上一个皮筋的拉力大。但是它的优点是作用距离非常长,我们的太阳系,包括宇宙一切的天体,都是在这种超长距离却又微小的引力作用之下,有序的运转。

如果把你想要攀登的山峰,与你拉远一倍的距离,那么根据万有引力的作用关系,你们之间的引力将会变为原来的四分之一,尽管它可能在你内心的吸引力不曾改变。只是这种作用力之微小依然会让我们难以觉察,最终我们感受到的还是简化后的合力——指向地心的重力。

我们在这个行星表面受到的引力,几乎就是重力,而重力也平均的作用在每一个物体上。如果我们用心去观察这个我们每天都要与之对抗的力,就会发现许多有趣的重力现象。

比如说自然界的平衡现象就是重力在支点两端达到平衡的体现,这给我们在工程和一些其他领域都带来了很大的方便。而重力不仅作用于固体上,也平均的作用于一切物体上,包括液体和气体,而在这其中重力的作用从微观来看就显得有趣了,也许会改变我们很多的认识。

重力在流体中的表现

因为液体和气体,并不像固体的受力一样在受力的过程中大都保持形态不变。而是会通过改变自己的形态来适应力的变化。他们统称为流体,为此还有一个专门的学科叫流体力学。

水是最常见的液体了,人们也很早就注意到了水的浮力作用。这也是物体在液体中上浮和下沉的原因。可是在流体中浮力又是如何形成的呢?

在海边生活的人可能见过一只被称为紫螺的海螺,他它可是操控浮力的螺中高手。它本身在水中不会上浮,可是却能分泌一种带气泡的粘液,然后就像抱着一个皮筏子一样从海底浮上海面。阿基米德指出,浸没在液体中那个的物体与被它排开的液体之间存在明显的竞争关系。

这种竞争显然是在重力间展开的。海螺和他周围的水都会受到向下的重力作用,水是一种液体,固体可以在液体中轻松的运动。如果水受到的力相对较大,海螺就只能上浮,好让更多的水流动到海螺的下方,这就是海水和海螺在重力下的竞争。我们以前不从液体和重力的竞争视角来看浮力,往往难以发现这其中微妙。根据阿基米德定律,海螺受到的向上的推力等于被他排开的水所受到的向下的重力。这便意味着,如果海螺的质量大于被它排开水的质量,那么它将赢得这场重力之战,并沉入海底;反之,胜利者就是水,水向下流动,海螺向上浮起。这就好比是比赛谁能在重力的作用下更快的占据下方的空间,物体胜利时就沉下去,液体胜利时,向下流动的液体就相对的把物体向上给抬起来了。

如果没有其他干扰紫螺在海里也无法逃脱下沉的命运,而它之所以能改变浮力上浮,就在于分泌的这种带气泡的粘液,它显著的改变了紫螺排开水的体积,这相当于让它的平均密度变小。当它排开的水的重力再次大于它自身的重力时,水再次赢得重力之战,它就又可以借着输掉重力之战的东风毫不费力的上浮了。

换一个视角看世界,奇妙的重力作用

紫螺

所以总的来说,物体在液体中上浮与否,关键是其质量在其排水体积上所表现的平均密度。而液体之间呢,则同样会因为密度不同而形成分层现象。所以浮力其在本质上就是一种在重力作用之下的密度分层现象。我们在行星结构、液体和空气等流体中都会看到这种作用和现象。