第 一 章 认识我们身边的力

书名《有趣的力学》
作品简介:
力，无处不在，无时不有。它就在我们身边，就在我们的生活之中，我们无时无刻不在和力打交道。本书将通过讲述我们身边关于力的一系列故事，来加深我们对力的认识和理解。
正文

力，无处不在，无时不有。它就在我们身边，就在我们的生活之中，我们无时无刻不在和力打交道。本章将通过讲述我们身边关于力的一系列故事，来加深我们对力的认识和理解。
 
雨衣中的力学
每逢下雨天，外出的人们不是打伞就是穿雨衣用以防雨，因为它们都具有防水功能。
雨衣为什么不透水呢？奥妙就在制作材料上。就拿布制雨衣来说吧，它是用防雨布（经过防水剂处理的普通棉布）制成的，防水剂是一种含有铝盐的石蜡乳化浆，石蜡乳化以后，变成细小的粒子均匀地分布在棉布的纤维上。
石蜡和水是合不来的，水碰见石蜡就形成椭圆形水珠，在石蜡上面滚来滚去，这说明是石蜡起了防雨的作用，物理学上把这种不透水的现象叫做“不浸润现象”。
物质是由分子构成的，同一种物质的分子之间的相互作用力，叫做内聚力；而不同物质的分子之间的相互作用力叫附着力。在内聚力小于附着力的情况下，就会产生“浸润现象”；反之，则会出现“不浸润现象”。雨衣不透水，正是由于水的内聚力大于水对雨衣的附着力的缘故。
物理学还告诉我们：水的内聚力作用在水表面形成表面张力。水的表面张力使水面形成一层弹性薄膜，当水和其他物体接触时，只要水对它不浸润，那么这层弹性膜就是完好的，可以把水紧紧地包裹着。有人曾经试验过：巧妙地把水倒进浸过蜡的金属筛里，水从筛眼里是漏不下去的。
我们常见的玻璃看起来光滑晶亮，可是，水遇上它却能紧紧地缠住不放，这给人们带来了很多麻烦：下雨的时候，车前窗玻璃上的雨水挡住了司机的视线，很不安全，于是只好开动雨刮器，把雨水排去；戴眼镜的人在喝热水的时候，镜片上会立即蒙上一层雾汽，挡住了视线，让人什么东西也看不见。
人们知道了水的表面张力的特性，了解了水的内聚力与附着力的关系以后，不仅巧妙地制成了雨衣，而且还造出了新颖的“憎”水玻璃——在普通玻璃上涂一层硅有机化合物药膜，它大大削弱了雾汽对玻璃的附着力。用这种憎水玻璃做镜片，给戴眼镜的人解除了蒙雾的苦恼；把这种玻璃安在车的前窗上，刮水器也就用不着了。
 
剪刀的力学奥妙
我们平时使用的剪刀的刀柄和刀口长短是差不多的。但是，有着特殊用途的剪刀的刀柄和刀口的长短却很不一样。比如理发师剪头发的“理发剪”，它的刀柄很短而刀口却相当长，为的是在长长的头发丛中一刀能整齐地剪下一撮头发。又比如，园艺工人修树枝的“园艺剪”，因为它要把较硬较粗的树枝剪断，所以刀柄要做得很长，使力点离开支点远些，这样剪起树枝来就比较省力了。
剪刀是利用杠杆原理制作的，它的支点就是那个把两半片剪刀连接在一起的铁铆钉，它的刀柄长度就等于力臂，刀口长度等于阻力臂。根据杠杆平衡的原理：力×力臂=阻力×阻力臂，就可以针对不同的工作对象制作不同的剪刀。如果要省力，就把刀口做得短一些，把刀柄做得长一些；如果要一次多剪东西，反过来就把刀口做得长一些，把刀柄做得短一些。
除了出自省力上的考虑外，还要针对不同的工作对象，在剪刀的形状上动脑筋。同样是“园艺剪”，就有好几种形状，修树叶的，不但刀口长（可以一次剪去许多树叶），而且刀柄向上弯，为的是方便操作；剪树枝的，不但刀口短（可以省力），而且其中一个刀口要做成半圆形，为的是可以包围住圆圆的树枝。
除了剪刀本身的结构外，怎样使用剪刀也是大有讲究的，使用得好就能事半功倍。例如，用剪刀剪马口铁时，要尽力使剪口张开得宽些，为什么呢？目的是能把金属顺利地塞进靠近旋转中心的地方，阻力矩的力臂短些就可以省些力，在剪刀的剪柄或平口钳的把手上，成年人一般要用400～500牛顿的力，但由于一个力臂可能是另一个力臂的20倍，我们就能够在剪刀施加约10000牛顿的力紧紧地咬住金属。
汽车紧急刹车的力学原理
一辆公共汽车急速地行驶在公路上，突然前方出现了一个意料不到的险情，司机迅速踩住踏板猛然刹车，车虽然停下来，但是乘客却身不由己地全都向前倾倒，拥挤在一起，这是由于惯性引起的。
什么是惯性呢？如果物体在没有外力作用的情况下，它的运动状态就不会改变，原来静止的将继续静止，原来运动的还将以原来的速度沿原来的方向继续运动下去，这个规律叫做牛顿第一定律，又称为惯性定律。
惯性是物体本身的固有属性，任何物体都有着保持自己原来运动状态的能力。比如放在桌上的书，没有人拿走，书总是留在原处，停在车站上的列车，没有被机车拉走，总是停在原地。这说明在没有外力作用时，静止的物体总保持静止状态静则恒静。
正在前进的自行车，不用脚去蹬它，它自己仍会前进，枪弹离开了枪膛，已经不受火药气体的作用，它仍然以很大的速度前进。可见运动的物体能保持自己的运动。
把一个小车放在不同光滑程度的表面上，用同样的力推它一下，表面越光滑，小车受的阻力越小，小车走得越远，小车的运动状态越接近于匀速直线运动状态。如果在绝对光滑的理想表面上，小车将做匀速直线运动。这说明在没有外力作用下，运动的物体就保持匀速直线运动状态动。
惯性的例子太多了，在日常生活中，你早就和惯性见过多次面了。
进行百米赛跑，当你跑到终点时，仿佛有个人还在后面推你使你身不由己地还要往前跑一段才能停下来。在舞台上，杂技演员头顶花坛，他的身子迅速转了九十度，可是花坛并不随着转动。另一位演员站在晃板上，盘上放着四个玻璃杯，杯口架着一块光滑的薄木板，在木板上对准各个杯口的位置上放着“蛋圈”，每个“蛋圈”上放一个鸡蛋，然后用手中木棍猛打薄木板，木板飞走了，鸡蛋却准确地落进一只只玻璃杯中。
人们在实践中，经常会碰到物体的惯性现象，逐渐认识它，并把它应用在生活和生产中。古代打仗，在敌人可能经过的地方埋伏绳索，把马脚绊住，马的身子由于惯性继续前进，因此摔倒在地，骑在马背上的人也就跌了下来。
龙井茶叶和虎跑水的张力
盛产龙井茶的杭州流传有这样一句活：“龙井茶叶虎跑水。”意思是龙井茶叶只有用烧开后的虎跑泉的泉水泡制才能喝出美味来，其中的奥妙在于，虎跑泉的水中含有多种微量元素矿物质，对人体健康非常有利。其实，不仅是虎跑泉水如此，其他名泉的泉水也有这个效应。
虎跑泉水还有另一个明显的特点：在装满泉水的茶杯里投进一粒小石子后，它的水面会高出茶杯口，但却溢不出来，有人说这就是虎跑泉的与众不同之处。其实，这一“特点”是众多泉水（如济南趵突泉、无锡惠山泉等）的“共同点”，是由这些泉水中富含矿物质造成的。
纯水在一定的温度下具有一定的表面张力，并且随着温度的增高而减小。当水里含有杂质时，有的杂质能使水的表面张力减小，例如肥皂或有机物；有的杂质能使水的表面张力增大，例如矿物质。一般的泉水里都富含矿物质，所以泉水的表面张力比纯水要大很多，它使泉水表面的分子相互吸引，紧紧地挤在一起，这就是泉水能满过杯口而不溢出的根本原因。
汽车里的安全气囊与安全带
安全带和气囊也是根据力与运动的关系而发明的。道路交通事故可谓多种多样，其中对车内人员造成伤害的，大多是因为运动中的车辆与其他物体发生碰撞。运动的车辆受碰撞突然停止，而车内人员在惯性的作用下仍以碰撞前的速度向前运动，结果在车内甚至冲出车外与刚性物体发生第二次碰撞，因此而造成不同程度的伤害。设置安全带和安全气囊的目的就是尽量避免或减轻第二次碰撞时带给车内人员的伤害。
安全带是20世纪60年代初发明的。经过40多年的发展和创新，现在的安全带均由强度极大的合成纤维制成，带有自锁功能的卷收器，采用对乘客的肩部和腰部同时实现约束的V形三点式设计。系上安全带后，卷收器自动将其收紧，一旦车辆紧急制动、发生碰撞或者翻滚，安全带会因乘客身体的前冲而发生猛烈的拉伸，其自锁功能便立即发挥作用，瞬间卡住安全带，使乘客身体紧贴座椅，避免第二次碰撞。
安全气囊是安全带的辅助设施，控制模板在1990年问世，在车辆发生碰撞的瞬间，控制模块会对碰撞的严重程度立即作出判断，若确认安全带已不能承受，便在0.01秒内使气囊充气，让乘客的头、胸部与较为柔软有弹性的气囊接触，减轻伤害，最新式的汽车还安装了防侧撞气囊。
风筝飞翔需要风给力
不知你是否想过，当你拉着风筝的线向前牵动时，为什么风筝会向上飞起？如果你能够回答这个问题，那么你就可以明白为什么飞机会飞，为什么植物的种子会随风传播，甚至可以部分了解原始人用的所谓飞旋标的奇怪运动原理了，因为这一切都是属于同一种性质的现象。原来，正是那给枪弹和炮弹的飞行造成极大阻碍的空气使得植物种子或风筝等轻巧的物体能够飘浮，同时还使载了乘客的沉重飞机也能够飞行。
当我们牵动风筝的线时，风筝便动起来，由于尾部的重量，它会以倾斜的姿势移动。在这个运动中的风筝上作用的有哪些力量呢？空气自然是应当阻碍它的行动的，它在风筝上施加一些压力，因为空气总是依垂直的方向压向一个平面的，这个力可以分解成两个力，描出一个所谓力的平行四边形，结果，力就分解成两个分力。
其中一个力将风筝推向后面，以此减低原来的速度；而另一个力却把风筝拉着向上；它把风筝的重量减轻，而且如果这个力量相当大，就可以把风筝的重量全部抵消，使它升起。正是因为这样，当我们把线向前牵动的时候，风筝就会向上升起。
飞机也跟风筝一样，不同的只是牵动风筝的线的人力，用飞机上的螺旋桨或者喷气发动机来代替了，螺旋桨或者喷气发动机使机身向移动，结果就跟风筝一样，使它向上升起了。当然，这里只是这个现象的一个极简单的解释，事实上，使得飞机升起的原因还有许多。
  运动中的自行车为何不倒？
会骑自行车的人有时会有这样的疑惑：行走中的自行车为何不倒，原因在于：凡是高速转动的物体，都有一种能保持转动轴方向不变的能力，使它们不向两侧倒。陀螺能够不倒也是这个道理。我们骑车时是在前进的方向上给自行车一个力，使车轮转动起来，车轮就能保持一定的平衡状态，再利用车把调节一下平衡，自行车就可以往前走了。可是一停下来，车子就会因失去平衡倒下来。
自行车在垂直平面内合外力为零，以此为目标来寻找，便会发现意想不到的结果。自行车在垂直平面内受到重力和支持力，支持力随着车偏离垂直面的夹角的增大而减少，但是在自行车运动起来处于垂直平面内静止时，自行车垂直平面内的受力真的只有这两种吗？
当自行车竖直放在地面时，通常自行车与地面的垂线成微小的角度，使得地面对车的支持力小于重力，使车要向下运动，但由于车因运动而产生的摩擦力使自行车摔倒的痕迹成弧状。
当自行车向前运动时，产生了一个新力——摩擦力，也就是这个力的出现和车轮的弹性的共同作用下才产生了一个垂直方向上的力，弥补支持力向上，使得垂直方向上的合外力为零。
新力的产生与球类以及一些弹性物体的一个特有的现象有关，若把气球水平放在桌面上，两只手只在水平方向挤压气球，人的手会感觉到一个垂直向上的力，所有的弹性物质或多或少都有这个性质——力之间相互的传递性，自行车的车轮也不例外。
因为分子间力的相互传递可以是不同方向的，当一个分子打在两个分子之间这两个分子便向上下两方向运动。还有其他的分子之间的蹦击使得力能四处传递。最终使球类物质发生形变，当有物体阻止其形变时，使球类物质获得一个与接触面垂直的力，无物质阻挡时则不受到力。
自行车垂直放在水平面上，是没几个人能够让它不倒的。只有运动车才不易倒，运动过程中，摩擦力挤压车轮使车轮发生了形变，车轮的形变是四面八方的，再挤压地面，产生了一个向上的力，这个力的产生是自行车不倒的原因。
自行车不倒的原因是竖直方向上合力不为零。这里的一个难点就是支持力的变化因素。当自行车斜放时，支持力减少，原本是向下运动的，但是有摩擦力产生使得自行车最终绕接触点做圆圈运动。简单地说合力向下，自行车向下运动。
当自行车运动起来时，由于轮胎的挤压而产生的力向上，使得总体合力向上。有人说那么这个力很大吧！其实未必，因为自行车斜的角度很小时，它向下的合力是很小的，只不过越到后来角度越大合力就越大了！更现实的是我们骑车时也会把车扶正的。
挤压程度的大小是由阻力来决定的，速度越快阻力越大。合力向上，当然是向上动了，到了最上面，即车与地面垂直。所以我们一般看见的自行车都是垂直地面静静地驶向远方。
 
电梯里的失重感
人在乘电梯时往往都有这样的感受：当电梯快速下降时，给人一种恐惧的感觉，好像五脏六腑都被向上提起，真所谓“提心吊胆”，似乎将要跌进无底的深渊，电梯启动下降越迅速，这种恐惧的心理感觉越厉害。如果在电梯内有一台秤，你站在台秤上相对台秤不动，在你有“提心吊胆”感觉的时候，不妨注意一下台秤指针的读数，可以看到你的体重突然变轻了。
这种恐惧感觉越厉害，你的体重减少得越严重。这就是所谓“失重”的现象。倘若电梯自由下落（当然，实际运行是不允许出现这种情况的），你会发现台秤上指示出来的你的体重完全消失，你的重量等于零！这就是“完全失重”的状态。
到底“失重”是怎么回事呢？人站在电梯内的台秤上，电梯启动时，有一个向下的加速度，这时人也以同样的加速度下降。人之所以具有了向下的加速度是由于人受两个力的作用：一个是竖直向下的重力，另一个是台秤对他的支承力，这个力的方向竖直向上。
由于人获得的加速度方向是向下的，所以人受重力、支承力这两个力的合力也应该是竖直向下的。也就是说，竖直向上的支承力小于竖直向下的重力。这时反映在台秤上的读数便比重力小，这个结果说明此时的视在重量比真实重量小，好像是人失去了一部分重量，这就是“失重”。
根据牛顿第二定律便可知道，“失去”的这部分重量的大小应该等于人体质量与加速度大小的乘积。在升降机加速下降过程中，人体质量并无变化，而加速度是可以不同的，所以，当下降加速度越大，“失重”就越严重。
1961年4月12日莫斯科时间上午1时7分，在拜克努尔飞船发射场，一支重型火箭起飞了，在末级火箭的顶端连着一个直径是2.3米的球形空间，这是“东方”1号宇宙飞船。在球形空间中坐着世界上第一位宇航员——苏联空军少校尤里·加加林，当时他刚满27岁。
在绕地球飞行一周后，加加林安全地降落在莫斯科西南805千米的萨拉托夫。飞船在绕地球的轨道上总共飞行了108分钟，其中有89分钟加加林是在失重状态下度过的。
失重是人进入宇宙空间遇到的一个特殊物理因素。宇宙飞船绕地球轨道作圆周运动时，飞船运动的离心力和地球对飞船的引力相等。由于这两种作用力方向相反，使飞船里的人和物体处于失重状态。在失重的条件下，会出现一些难以想象的奇妙而有趣的现象，它对人的生活、健康有着重要的影响。
人类进入宇宙空间前，曾有人预言，失重可能破坏人体的内环境平衡，使人的生理功能发生不可恢复的变化，甚至断言，谁要是摆脱重力谁就将因发生心力衰竭而死亡。人在宇宙空间生理的实践证明，人在失重时，生理功能要发生变化，但不像有的人预言的那么严重。
失重时人体生理功能改变，主要是血液重新分布，大量血液涌向上身，骨盐代谢紊乱，骨质出现脱钙，初期出现类似地面运动病症状的航天适应综合症等。这些变化，短时间不会构成对人体健康的损害，回到地球后都可以逐渐恢复。
习惯于地球重力生活的人，一旦进入失重环境，将会感到新奇。人体的重量消失了，行动起来真正是身轻如燕，掌上可舞。在舱内可以自由地飞来飞去，也可以停留在空中。但站稳脚跟变得不那么容易，国外有些航天员穿着一种带磁性的鞋，工作地点的舱壁上包上铁皮，这样站立就很稳了。失重下的睡眠更为简便，用不着和地球上一样要设置床铺，只需一个睡袋，挂在舱壁，睡眠时人钻进去就行，站着睡、卧着睡都一样舒服。
在失重时，吃饭、喝水、穿衣等也变得不那么简单了。失重环境不分上下，装满水的杯子倒过来，杯子里的水不会倒出来，会悬浮在空中。喝水时最好把水装在带有管子的塑料袋中，喝时把管子含在口中，轻轻压迫水袋，水就流入口中。
食用的食品要有简单的包装，一切散装的易掉屑的食物，都会在舱内飘浮。黏稠状的食物可以装在类似牙膏的软管子内，块状食物如面包等，可在食品表面涂上可食用的蛋白膜，做成一口大小的小块，食用时方便也不掉屑，罐头食物也可食用。
肥皂泡为什么总是先上升后下降
日常生活中，常能看到一些小朋友吹肥皂泡，一个个小肥皂泡从吸管中飞出，在阳光的照耀下，发出美丽的色彩。此时，小朋友们沉浸在欢乐和幸福之中，大人也常希望肥皂泡能飘浮于空中，形成一道美丽的风景。但我们常常是看到肥皂泡开始时上升，随后便下降，这是为什么呢？
这个过程和现象，只要用心想一下，就会发现它其中包含着丰富的物理知识。在开始的时候，肥皂泡是从嘴里吹出的热空气，肥皂膜把它与外界隔开，形成里外两个区域，里面的热空气温度大于外部空气的温度。此时，肥皂泡内气体的密度小于外部空气的密度，根据阿基米德原理可知，此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力，因此它会上升。这个过程就跟热气球的原理是一样的。
随着上升过程的开始和时间的推移，肥皂泡内、外气体发生热交换，内部气体温度下降，因热胀冷缩，肥皂泡体积逐步减小，它受到的外界空气的浮力也会逐步变小，而其受到的重力不变，这样，当重力大于浮力时，肥皂泡就会下降。
几杯水的巨大威力
法国科学家帕斯卡曾经做过这样一个有趣的实验，找来一只结结实实的木桶，用盖子严实地盖在桶口上，盖上有一个小孔，从孔中紧紧地插入一根几米长的铁管。先在桶里装满水，然后又用几杯水倒入铁管子里，使管里的水面提高几米，想不到这几杯水竟然把木桶压裂了。
为了探求这几杯水的威力起因，帕斯卡进一步证明出水桶的破裂与否，根本不是由于桶内水的重量大小来决定，而是由水对桶壁的压强大小来决定。
液体对于器壁的压强等于液体的比重与液体深度的乘积，几杯水虽然不重，但倒进铁管里就会使水的深度提高好几米。假若使水面提高5米，那么在桶口处产生的压就在差不多指甲盖大小块面积上要受到一斤的压力。
桶底部分受到的压强就更大了，如果木桶总面积为几千平方厘米，它所受的压力就会有几吨之多，桶被压裂也就理所当然。
对于纯静的水来说，深度每增加一米每平方米面积上所受到的水柱压力就会增加一吨，海水比纯水比重大，每平方米面积承受的压力比同一深度纯水的也要大。
是不是水只对垂直于水柱的面上产生压强呢？液体能否传递压强呢？帕斯卡用实验回答了这个问题。仿照他的实验做了个注入水的连通器，装上两个可以上下移动的大小不同的活塞。大活塞的面积是小活塞面积的二百倍，在小活塞上加上一公斤的南瓜，那么大活塞上就需加上一头二百公斤的大肥猪才能平衡。这就说明了加在密闭液体上的压强，能够按照它原来的大小由液体向各个潜水球和各个方向传递，液体能够传递压强的这一规律，就叫帕斯卡定律。
当人游泳潜入水中时总会有这样的感觉，当潜入到一定深度时会感到耳朵疼痛并有嗡嗡声，这是水压作用于耳膜的结果，潜入水越深这种感觉越明显，而且不论头怎样转动感觉却是如一，这也表明在水的同一深度处，各个方向上的压强都一样。
水的压强既然随着潜入水的深度的加深而增大，而且不用太深、比如沉入十米深处的水中时，全身就要受到上万公斤的巨大压力，潜水员非得穿上特制的潜水衣，采取有效的措施才行。在太平洋里的马里亚纳群岛附近，有的地方深达十几公里，如果潜入到海底，不用说人，就是木头在那样强大的压力下它的密度都会变得和石头一样大了。
 
  轮船的“刹车”
众所周知，汽车、火车有“刹车”，自行车有“刹车”，就连飞机也有“刹车”（滑行轮上有“刹车”装置，有的在尾部还能放出减速伞），唯独轮船没有听说有“刹车”。
轮船的“刹车”方式有三种，一是抛锚，当轮船靠码头或在航行途中发生紧急情况需要停止前进时，可以通过抛锚来达到目的。二是它的主机可以开倒车，利用倒车的反向速度来抵消因惯性而保持的正向速度。三是逆水行舟，利用水流的速度抵消轮船的速度。
许多人在乘轮船时会发现一个有趣的现象，当轮船要靠岸时，要设法把船头顶着流水，利用逆向水流的减速作用，慢慢地向码头斜渡，然后再平稳地靠岸。特别是在大江大河里顺流而下的船只，当它们快要到达港口码头时，都会先绕一个大圈子，使船逆水行驶以后，才慢慢地靠岸。
船靠码头时为什么要“逆水行舟”呢？从相对运动角度看是不难理解的。为顺流靠岸时，船对岸的速度等于船速加水速；而逆流靠岸时，船对岸的速度等于船速减水速。显然，前者要比后者大得多。既然目的是要使船停下来，究竟是大的速度容易变零？还是小的速度容易变为零？当然是后者。在船靠岸的实际操作中，上述三种方法往往结合在一起运用：先是“逆水行舟”，继而“倒车行驶”，最后“抛锚泊岸”。
自行车里的力
自行车，在我们的生活中是屡见不鲜的，人们把它当作一种日常的交通工具。
在我国北方，每到冬季便滴水成冰，有时还雪花飘飘，如果下起鹅毛大雪，可以把枝头压弯，把地面上的一切统统掩盖起来，皑皑白雪把整个大地装点得分外清新、明亮。每逢大雪之后，骑车的人们却感到为难。美丽的白雪点缀了大地，冻硬的积雪造成了地面的光滑。
在大街上，经常可以看到骑车的人摔倒的现象发生，这是为什么呢？”由于车轮的转动，在后轮与地面接触处，由于有向后相对运动的趋势。这时，地面与它接触的地方要阻止车轮向后的相对运动，对车轮有一个向前的摩擦力，也就是说，后车轮受到一个向前的作用力。在这个摩擦力的作用下，后车轮获得了一个向前的加速度。
由于支架的作用，前轮与后轮成为一个整体，所以自行车整体也就获得向前的速度，前轮也跟着车体一起要向前运动。在前轮与地面接触处，地面要阻止车轮的这种向前相对运动的趋势，因此对前轮有一个向后的摩擦力，这样，前轮就受到向后的摩擦力作用。
当我们蹬车的时候，自行车的后轮受到一个向前的摩擦力而前轮受到一个向后的摩擦力，当向前的摩擦力大于向后的摩擦力，自行车便加速向前。当自行车匀速前进的时候，自行车受到的两个摩擦力，大小相等，方向相反。当我们不蹬车的时候，后轮是靠惯性前进的。这时，它受到的摩擦力与前轮受到的摩擦力一样，方向也是向后的。这时的自行车只受向后的摩擦力的作用，获得一个向后的加速度，因而车速越来越慢，直至最后停下来。
自行车所以能前进，不单是人蹬车的缘故。的确，自行车是靠人蹬而前进的，没有人蹬也就没有供给自行车的能量，自行车后轮不能旋转，车是动不了的。可是如果没有地面与车轮间的摩擦力，即使你用再大的劲去蹬车，自行车轮也只能原地打滑，丝毫不能前进。在雪地、冰冻的地面上骑车容易摔倒的原因，就是此情况下地面的摩擦太小了的缘故。
 
比自己更有力量
你的一只手能够提起多重的东西？假定是10千克吧。你以为这10千克就表示你手臂肌肉的力量了吗？那就错了：你的肌肉的力量要比这个强得多！例如，请注意你手臂上所谓二头肌的作用吧。这条肌肉固着在前臂骨这个杠杆的支点附近，重物却作用在这个杠杆的另一端。从重物到支点（就是关节）间的距离，大约是从二头肌端到支点的8倍。这就是说，假如重物重10千克，那条肌肉所出的拉力就是这个数值的8倍。因此，我们的肌肉能够发出的力量相当于我们手臂力量的8倍，那么它可以直接提起的重量，就不是10千克，而是80千克。
我们有权利毫不夸张地说：每一个人的力量要比他自己所表现出来的强许多倍；也就是说，我们的肌肉可以发出比我们在日常动作里所表现的更加强大的力量。
那么人的手臂这样的构造合理不合理呢？初看仿佛是不合理的，我们在这儿看到的是力的没有代价的损失。然而，让我们想一想那个力学上古老的“黄金法则”：凡是在力量上吃了亏的，在移动距离上一定占了便宜。因此，我们在速度上是占了便宜的，我们两只手的动作就有操纵手的肌肉的动作8倍那么快。
动物身体内部肌肉的连结方法，保证了四肢很快的活动，这在动物的生存方面，是比力量更加重要的。我们人类的手脚假使不是这样构造的话，那么我们就会是行动极慢的动物了。
 
 请站起来！
假如我问你说：“请你坐到椅子上去，我可以肯定地说，你一定站不起来，虽然并没有用绳子把你绑在椅子上面。”你一定要认为这话是在开玩笑。
好的。那么，请你端坐下来，把上身挺直，而且不准把两只脚移到椅子底下去。现在，不准把上身向前倾，也不许改变两脚的位置，请你试试看站起身来。
怎么，不成吧？无论你花多大力气，只要不把上身向前倾或者把两脚移到椅子底下去，你就休想站得起来。
要明白这是怎么一回事，我们得先来谈些关于物体以及人体平衡的问题。一个站立着的物体，只有当那条从它重心引垂下来的竖直线没有越出它的底面的时候，才不会倒下，也就是说，才能够保持平衡。
与著名的比萨“斜塔”相似，俄罗斯阿尔汉格尔斯克的“危楼”也是同样的情形，虽然已经相当倾斜，却并没有倒下来，正是因为从它们重心引下的竖直线并没有越出它的底面的缘故（当然还有次要的原因，那就是这些建筑的基石都是深埋在地面以下的）。
人在站立着的时候，也只在从他的重心引下的竖直线保持在两脚外缘所形成的那个小面积以内的时候才不会跌倒。因此，用一只脚站立是比较困难的；而在钢索上站立就更加困难：这是因为底面太小，从重心引下的竖直线很容易越出它的底面的缘故。
你可曾注意到老水手们走路时候的古怪姿势吗？他们一生都在摇摆不定的舰船上度过，那儿从重心引下的竖直线每秒钟都有可能越出两脚之间的面积的范围，为了不至于跌倒，老水手都习惯把他们的身体的底面（就是两脚之间的面积）尽可能放大。这样他们才可能在摇摆的甲板上立稳；自然，他们这种走路的方法也沿用到陆地上来了。
我们还可以举出一些反面的例子，就是平衡增进了人体姿势的美观。你可曾注意到，一个在头上顶着重物走路的人，他的姿势是多么匀称！大家也都见过头上顶着水壶的女人的优美姿态。她们头上顶着重物，因此一定要使头部和上身保持笔直的状态，否则，只要有一点偏斜，从重心（这时候重心的位置比一般人提高了许多）引下的竖直线就会有越出底面范围的危险，那么人体的平衡就要给破坏了。
现在，让我们还是回到方才坐定以后站起来的那个试验上来。
一个坐定的人，他的身体的重心位置是在身体内部靠近脊椎骨的地方，比肚脐高出大约20厘米。试从这点向下引一条竖直线，这条竖直线一定通过椅座，落在两脚的后面。但是，一个人要能够站起身来，这条竖直线却一定要通过两脚之间的那块面积。
因此，要想站起身来，我们一定要把胸部向前倾或者把两脚向后移。把胸部向前倾，是要把重心向前移；把两脚向后移，却是使原来从重心引下的竖直线能够投影于两脚之间的面积之内。我们平常从椅子上站起身来的时候，正是这样做的。假如不准许我们这样做的话，那么，你已经从方才的实际经验里体会到，想从椅子上站起身来是不可能的。
 
火车不需要方向盘
火车是陆路上最重要的交通工具之一。它运输量大、成本低、速度快、运行安全，尤其经过几次铁路大提速以后，铁路运输显得更加方便快捷。
汽车、拖拉机、装甲车转弯时都靠方向盘，甚至自行车转弯也要靠扭“把”来实现。那么火车有方向盘吗？答案是没有！那么在铁路上高速行驶的火车靠什么转弯，依靠什么来平稳运行呢？
我们知道，任何物体在转弯时都需要一种指向弯道中心的力，物理上把它叫做向心力。向心力必须有物体提供。田径运动员在赛场上跑弯道时身体向内侧倾斜，速度滑冰运动员、赛车场上摩托车在转弯时向内侧倾斜得更为明显。这是为当身体向内侧倾斜时，重力的一部分分量就提供了向心力。那么火车没有方向盘靠什么来转弯呢？
首先，车是运行在铁轨上的，而铁轨又铺设在路基上。在平轨道处两条铁轨在同一高度，可在转弯处就不一样，路基的外侧高于内侧，这就使弯道处外侧轨道高于侧轨道。这和人跑弯道时倾斜身体的道理是一致的。
其次，火车车轮的结构和汽车、拖拉机的车轮不同。火车轮最外面的一圈叫“轮箍”，它是由强度很高、耐性能很强的特殊钢材制成的。在轮箍上有一圈高出的分叫“轮缘”，火车车轮的“轮缘”就恰好嵌在两条平行铁轨的内侧，火车转弯时，铁轨通过轮缘给火车提了指向弯道中心的侧压力。
再次，火车车头的车轮有大有小，它们的作用是不一样的。火车头下面最前端的那个轮子较小，叫“导轮”，它起引导的作用。中间几个大轮子是“动轮”，内燃机或电动机发出的动力通曲柄连杆机构传给动轮，带动整列火车前进。有的车头后面还有直径较小的从动轮。导轮和从动轮都有转向架，起转向协调作用。
当火车在直道上行驶时，火车头两侧的车轮正好过轮缘嵌在铁轨上，火车本身的重心又很低，高速运行时可以保证车轮和钢轨中心保持一致，以保证平运行。
当火车驶向弯道需要转弯时，“导轮”的转向器会使导轮自动转向，而列车运行的惯性使靠弯道外侧动轮的轮箍紧贴在钢轨上，这时由于相互作用，外侧钢轨就给了车轮轮箍一个指向转弯方向的侧压力——向心力。
再加上外侧铁轨又比内侧铁轨高，这个斜度帮助火车在进入弯道时，同一轴上的两个轮子各自走过弯道内、外两侧的铁轨，顺利实现转向。
现代铁路运行系统无论是列车上还是地面系统都有许多电子自动监测、控制报警系统，因此铁路运行是十分安全可靠的。
民谚俗语中的力学知识
在日常生活中，我们经常会接触到一些民谚和俗语，这些民谚和俗语蕴含着丰富的物理知识，我们如果平时注意分析、了解一些民谚、俗语，就可以在实际生活中深化知识，对培养我们提高分析和解决问题的能力是大有帮助的。
1. 小小称砣压千斤。根据杠杆平衡原理，如果动力臂是阻力臂的几分之一，则动力就是阻力的几倍。如果称砣的力臂很大，“一两拨千斤”也是完全可能的。
2. 人心齐，泰山移。如果各个分力的方向一致，则合力的大小等于各个分力的大小之和。
3. 麻绳提豆腐——提不起来。在压力一定时，如果受力面积小，则压强就大。
4. 开水不响，响水不开。水沸腾之前，由于对流，水内气泡一边上升，一边上下振动，大部分气泡在水内压力下破裂，其破裂声和振动声又与容器产生共鸣，所以声音很大。水沸腾后，上下等温，气泡体积增大，在浮力作用下一直升到水面才破裂开来，因而响声比较小。
5. 如坐针毡。通过压强公式可以得知，当压力一定时，受力面积越小，则压强越大。人坐在这样的毡子上就会感觉极不舒服。
6. 鸡蛋碰石头——自不量力。鸡蛋碰石头，虽然力的大小相同，但每个物体所能承受的压强一定，超过这个限度，物体就可能被损坏。鸡蛋能承受的压强小，所以鸡蛋将破裂。
7. 力大如牛。比喻力气特别大。
8. 一个巴掌拍不响。力是物体对物体的作用，一个巴掌要么拍另一个巴掌，要么拍在其他物体上才能产生力的作用，才能拍响。
9. 四两拨千斤。杠杆的平衡条件，增大动力臂与阻力臂的比，只需用较小的动力就能撬起很重的物体。
10. 泥鳅黄鳝交朋友——滑头对滑头。泥鳅黄鳝的表面都光滑且润滑，摩擦力小。
11. 大船漏水——有进无出。液体内部存在压强，船破后，船外的水被压进船内，直到船内外水面相平，此刻船内的水也不会向外流。
12. 水上的葫芦——沉不下去。葫芦的密度小于水的密度，故只能漂浮在水面上。
13. 磨刀不误砍柴工。减小受压面积增大压强。
14. 人往高处走，水往低处流。水往低处流是自然界中的一条客观规律，原因是水受重力影响由高处流向低处。
15. 墙内开花墙外香。这是分子在作永不停息的无规则运动的结果。
16. 坐地日行八万里。因为地球的半径为6370千米，地球每转一圈，其表面上的物体“走”了约为40003千米，约为八万里，这是毛泽东吟出的诗词，它科学地揭示了运动与静止的关系——运动是绝对的，静止则是相对参照物而言的。
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洗碗中的力学
用餐完以后，最令人发愁的大概就是刷堆积如山的盘子了，洗涤灵就能解决这个烦人的问题。这一家务劳动中存在着奇妙的力学现象，原来是表面张力在起着作用。洗涤灵是一种活性剂，它是由易溶于水的亲水基和易溶于油的亲油基两个基团组成，这种两个基团组成的结构特性使它与水拌合后大大降低水的张力。
活性剂这种分子结构会降低表面张力的功能使油水不但不再相互排斥，而且能把油水联合起来形成均匀的液体，或者说，油溶解于水中，自然碗上的油污就不存在了。工程界受这种洗碗中力学现象的启发，应用于工程建设，取得了效益极大的成功。即：将固体沥青这种油性物质加热后，加上一定比例的水和阳离子活性剂制成的沥青乳液，用于道路建设，提高了施工质量和进度。
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水里的力学
在常温常压下，物质分为固体、液体和气体三个状态。固体分子间相对作用力较强，无规则运动较弱，不易变形；气体分子间作用力较弱，无规则运动剧烈，容易变形和压缩；液体易变形，不易压缩。气体和液体统称为流体。
从力学分析角度通常认为，流体与固体的主要区别在于它们对于外力的抵抗能力是不同的。固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形。外力不变，变形也不变，而液体在静止时不能承受切向应力，只要有微小剪切作用，都将使流体产生连续不断的变形，外力停止作用，变形才会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观特征，通常称为流动性。
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行走的力学
人活动离不开走路，但学会走路并不容易。原始人类从四足爬行到双脚直立行走经历了1000多万年漫长的历程。从静力学角度分析，双足步行与四足爬行的最大区别在于：四足爬行可以保证重心不越出支承足与地面的接触点围成的区域，因此每个时刻都处于静力学平衡状态；而双足步行只有一个支点，重心经常越出支承足与地面的接触范围，处于静力学不平衡状态，人走路时重心总是位于支点的上方，相当于一个倒置的复摆。
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步行时身体前倾
在实际步行中，经过训练的人会要求人体重心在支点后方时，足底的摩擦力朝后，则随重心的前移而减小。当重心移到支点的前方时，摩擦力变向改为朝前。穿上底部有花纹的防滑鞋可使摩擦系数增大，稳定域也随之扩大。当运动员身体前倾步长增大时仍能保证步行的稳定性。
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如何打秋千？
会打秋千的人，不用别人帮助推，就能越摆越高，而不会打秋千的人却怎样也摆不起来，这是什么原因呢？
打秋千高手的动作是这样的：
从高处摆下来的时候身子是从直立到蹲下，而从最低点向上摆时，身子又从蹲下到直立起来。由于从蹲下到站直时重心升高，无形中就对自己做了功，增大了重力势能。另外，在下降的过程中因为脚对秋千做了功，人和秋千的总能量也会增加。因此，每摆一次秋千，都使打秋千的人自身能量增加一些。如此循环往复，总能量越积越多，秋千就会摆得越来越高了。
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拐杖的作用
受伤者借助单拐行走，当举健康腿时，重心点位于患腿与拐杖之间，其位置决定于患腿承受体重的分量，受力愈小，重心点愈靠近拐杖，当拐杖置于健腿侧，则行走时重心点轨迹类似正常行走，横向摆幅小，若拐杖置于患腿侧，举健康腿侧时，重心点将移出患腿外侧，不仅行走时费力，姿态别扭，更严重的问题是由于横向摆幅大降低横向稳定性，很容易摔倒。
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气门芯的力
大家都知道自行车上有个“气门芯”，但你知道它的设计非常巧妙吗？如果有兴趣，你可以把它从自行车上取下仔细研究一下。
“气门芯”的主体是一小段上端中空，下端实心的柱体，在下端的侧面开一个小孔与中空部分相联通。下面套上一段有弹性的细橡胶管就构成专门芯的总体。其实它就是一个单向阀门，当你给自行车胎打气时，气筒中的压缩空气由中空部分进入气门芯，把有弹性的橡胶管“顶”起，空气进入车胎；当不打气时，弹性橡胶管收紧，盖住侧面的小孔，使空气不能从车胎中回流。
需要注意的是，生活中细橡胶管经过一年后一般会有些变质，建议每年更新一次气门芯橡胶管。
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万有引力和人的情绪
月球的引力对地球上的所有物品都会发生潮湿影响，对地球的固态地壳每天也产生两次轻微的凸起现象，不过不象海水潮湿那样可以明显的观察。这种潮湿现象现在对人身的影响，也就是人的情绪、行为产生剧烈的波动。尤其对那些饮酒过量、忧郁症病人和神经衰弱的人影响更加明显。
人体内有80％的物质是流体状态，而液体的元素成分和已存在几十亿年的地球海水成分是一致的，即然月球引力对地球的海水产生潮湿现象，而对人产生情绪影响也是很自然的了。月球运动引起潮湿时，人体内的荷尔蒙触发神经电解液，神经机能在这种突然外来的强大引力及其周围的电磁场和冲击下出现紊乱，人体内各部分的水分分布出现不均衡、神经系统会变得敏感、脆弱，超过了控制能力就会发生非正常的情绪作为。
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河里的漩涡
范成大的“初入巫峡”五言诗生动形象地描述了在长江三峡段行舟所遇旋涡的惊险情景，有时能安稳行舟，江面上如熨毂一样顺利恬静，但江水忽然翻滚而起如缣车翻搅，使人猝然不备。从范成大对漩涡形象描述中看出，他对旋涡产生的规律进行的思考，特别是“未尝有定处，或无故突然而作”这段描述，与近代流体力学对壁湍流猝发现象的描述颇有相似之处。
实际上不只是江水中有旋涡，在自然界中我们可以经常看到形形色的流体漩涡，宇宙空间的旋涡星云可能是尺度最大的旋涡。夏季的台风是反时钟方向旋转的强烈旋涡。海面与地面上的龙卷风也是一种破坏性极强的旋涡。旋风分离器是靠人为制造的旋涡来分离由锅炉排放出烟气中的固体颗粒，使得烟筒只排放较洁净的气体，以达到环境保护的目的。
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轮　船
轮船轮船一词始于中国唐代，它的出现与船的动力改革有关。南北朝时期的中国人，已发明了轮船。以船侧轮子的转动代替划桨，以轮激水前进。古称为“车船”、“车轮轲”。在这里，轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。
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顺手抓住一颗子弹
根据报载，在第一次世界大战期间，一个法国飞行员碰到了一件极不寻常的事件。这个飞行员在2000米高空飞行的时候，发现脸旁有一个什么小玩意儿在游动着。飞行员以为这是一只什么小昆虫，敏捷地把它一把抓了过来。现在请你想一想这位飞行员的惊诧吧，他发现他抓到的是……一颗德国子弹！
一颗子弹并不是始终用每秒800～900米的初速度飞行的。由于空气的阻力，这个速度逐渐减低下来，而在它的路程终点（跌落前）的速度却只是每秒40米。这个速度是普通飞机也可以达到的。
这颗子弹对于飞行员来说，它就相当于静止不动的，或者只是略略有些移动。那么，把它抓住自然没有丝毫困难了。
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手臂有哪些肌肉？
上肢肌：上肢，运动灵巧，包括肩部肌、臂肌、前臂肌和手肌。肩部肌分布于肩关节周围，有保护和运动肩关节的作用。其中较重要的有三角肌。臂肌均为长肌，可分为前后两群。前群为屈肌，有肱二头肌、肱肌和喙肱肌；后群为伸肌，为肱三头肌。前臂肌位于尺、桡骨的周围，多为长棱形肌，可分为前、后两群。前群为屈肌群；后群为伸肌群。手肌位于手掌。分为外侧群、内侧群和中间群。
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椅　子
椅子是一种有靠背、有的还有扶手的坐具。古代席地而坐，原没有椅子，“椅”本是木名。《诗经》有“其桐其椅”，“椅”即“梓”，是一种树木的名称。
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摩托车
摩托车，由汽油机驱动，靠手把操纵前轮转向的两轮或三轮车，轻便灵活，行驶迅速，广泛用于巡逻、客货运输等，也用作体育运动器械。从大的方向上来说，摩托车分为街车，公路赛摩托车，越野摩托车，巡航车，旅行车等。
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牛
关于“牛”字，我们经常能听到的是“史上最牛的某某人、某某事”，网友发帖也特别喜欢在前边加上“史上最牛”几个字，好像只有这样才能显示其程度之深。“牛”字在这里，是一个形容词，形容某个人或某件事很厉害，甚至有超乎想象、不可思议、不能用常理度之的意思，如“史上最牛钉子户”，“最牛的车”等。