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趣味物理学
1.4.5 2.5 西瓜炮弹
2.5 西瓜炮弹

如果说在特定的条件下,一颗飞行的子弹可以变得对人们没有任何危险性,那么,与之相反的情形也同样可能出现:一个“安全、平和”的物体以较低的速度抛出去,有时也会引起十分严重的破坏后果。

1924年曾有一次汽车竞赛。赛道上,一辆辆汽车争先恐后、风驰电掣般飞驰而过。沿途的围观的农民们兴奋不已,为了表达欢迎、庆贺,纷纷往驶来的汽车上投掷西瓜、苹果等水果。

这些原本盛载农民们一片好意的礼品却起到意想不到的破坏作用,引发一系列事故:西瓜竟然把车身砸出了许多凹坑,而落在车手身上的苹果竟然把车手严重砸伤。怎么会这样呢?原因其实很简单:汽车本身有很高的速度,再加上迎面而来的西瓜和苹果的速度,这就使得原本“安全、平和”的水果,变身成为一个极其危险和有巨大破坏力的水果炮弹。经计算可以得知,一颗10克的子弹从枪管里发射出去以后所携带的能量,跟一个4千克的西瓜扔向时速120千米的汽车所产生的碰撞能大致相当。

当然,西瓜的破坏力还是比子弹差远了,毕竟子弹比西瓜坚硬得多。

如果飞机在平流层里高速飞行,飞机的时速可达3 000千米的高速度,也就是能与子弹同速时,每一个飞行员就都有可能遭遇刚才所说的情景。这时在飞机飞行航线上,任何一个可能与飞机相撞的物体,对于这架飞机来说,都会变成具有毁灭性的炮弹。如果这架飞机不巧碰到从那一架飞机上偶然落下的一颗子弹,即使子弹不是迎面飞来的,也相当于被机枪射出的子弹击中:这颗偶然落下的子弹碰到这架高速飞行的飞机时产生的能量,基本上跟它从机枪里射向飞机上的一样。很明显,这颗偶然落下的子弹相对于这架飞机来说,其相对速度就是飞机的速度,这个速度与机枪射出的子弹初速度相当,达800米/秒,因此,它与飞机相碰产生的破坏能力自然也跟机枪射出的子弹一样巨大。

与之相反,倘若一颗子弹从机枪射出,跟在飞机后面与飞机同速同向飞行,那么这颗子弹对于飞机上的人员来说,就没有什么危险了。两个运动的物体如果方向相同速度几乎相等的话,在相互接触的时候并不会产生什么破坏力,相互碰撞也相对很平和。这一个道理在1935年曾得到印证,当时有一位司机在危急关头十分机敏地运用这一原理,极其幸运地避免了一次撞车惨剧的发生。我们来回顾一下这一事件:那位司机驾驶的列车前进时,他前面有另外一列列车在同一轨道前进。可能是因为蒸汽不足,前面的列车突然停了下来。机车利用余下的动力牵引一部分车厢进了前面的车站,余下的36节脱钩的车厢暂停轨道上。由于工作人员没有在车轮上放置阻滑木,这些车厢竟然沿着倾斜的铁轨以时速度15千米的速度向后滑行。

图2-9 原本“安全、和平”的西瓜掷向急驰而来的汽车时,它也会变成危险的“炮弹”

看着迎面撞来的这些车厢,那位机敏的司机立刻意识到即将到来的危险。他迅速停下自己的列车,旋即开动向后退去,并将车速逐渐增加到每小时15千米。正是这一急中生智的妙法,没多久,那36节车厢很平安地承接在他的机车前面,彼此毫发无损。

同样根据这一原理,人们发明了便于在行进的火车上写字的装置。我们知道,在火车上写字时,最大的困难在于车轮滚过路轨接合缝时产生的振动并不能同时传到纸上和笔尖上,因而两者之间常常发生错位。假如我们采取一个办法使纸张和笔尖同时做这个振动,那么不管火车车轮怎样振动,纸与笔一样会保持着相对静止,就这样,即便在颠簸的火车上写字也不会那么难了。

为了便于车轮的振动同时传到笔尖和纸张,可以采用图2-10的装置。用皮带将紧握钢笔的右手固定在木板a上,然后让木板a能在木板b的槽里左右滑动,再将木板b放在车厢座位前的小桌上的木座槽里,以便能前后滑动。从这个装置里我们观察到,乘客的手完全可以灵活地一个或一句接着写下去;而木座上那张纸所接受到的每一个振动,立即同时传到了笔尖。有了这种装置,你随时可在火车行进的时候写字,其方便程度几乎可以和在火车停止时候的一样,唯一不同的是,你眼睛可能看到一个奇怪现象,纸上的字迹竟然不停乱跳,这是因为你的头部和右手所受到的振动并不出现在同一时刻。

图2-10 火车上方便写字的装置