1
趣味物理学
1.7.7 5.7 “无底”的酒杯
5.7 “无底”的酒杯

往杯子里倒水,直到杯子里的水满到杯子边沿快要溢出来为止。杯子旁边已准备了一堆大头针。试一试,看看装满水的杯子是否还能装一两枚大头针。

请你取一枚大头针,先让针头入水,然后松开手让大头针自由滑入水中。就这样,你一枚枚地往杯子里放大头针,记着数清楚你投了多少枚。需要特别注意的是,你的动作一定要轻巧,不要颤抖和施压。1枚,2枚,3枚,你心中默数着,可连投了三枚,杯中的水好像纹丝未动。你继续投,10枚,20枚,30枚了,水面也没起什么变化。你接着不停地投,50枚,60枚,70枚……足足投了100枚大头针,杯子里的水依然没有一丁点儿溢出来(图5-10)。

不仅如此,你也看不出杯中的水面有明显高出杯口的情形,好像有没有往杯中投大头针,并不影响杯中的水。那么,再继续往杯中投更多的大头针,会怎样呢?已有200枚,300枚,甚至400枚大头针投入杯中,它们在杯底堆了一大堆,可是杯中的水仍然没有从杯口往外溢出一滴。当然,这时可以看到杯口处的水面稍稍高出了杯口,凸了起来。这凸起的部分正是这一奇怪现象所要找寻的答案所在。我们知道,只要玻璃没洗干净,沾有油污的话,它上面就很难再沾水了。而我们常用的杯子的杯口,或多或少难免总会留下因人手接触而附带的油渍,从而也会不沾水。这样一来,杯中加入的大头针排挤出来的水只好在杯口向上形成一个凸起面。不过这个凸面的高度不那么明显,要准确计算出凸面的体积有些困难,但计算出大头针的体积并不难,两者做个比较,就可知凸起部分的体积足有一枚大头针的几百倍。正因于此,原本装满水的杯子还能容纳几百枚大头针。而且杯口越大,所能容纳的大头针越多,因为杯口越大,凸起部分的体积就会越大。

图5-10 往盛满水的杯子里加大头针的实验

为了更清楚地弄清这些问题,我们还是来具体计算一下。先算大头针的体积。一般大头针的针长25毫米左右,粗0.5毫米,依照几何学的公式,我们可以很快计算出这个圆柱体的体积大约为5立方毫米;而大头针的圆头呢,大约0.5立方毫米;合在一起一枚大头针的体积约为5.5立方毫米。

我们再来粗略估算一下杯口凸起部分的体积。一般杯子的杯口直径为9厘米,即90毫米,那么杯口的面积约为6 400平方毫米。假设凸起部分的高度为1毫米,于是我们很快可求出它的体积为6 400立方毫米,它足足是一枚大头针体积的1 200倍。经此比较,我们可以得出,在一只装“满”水的杯子,再投入一千多枚大头针也完全可以容纳!只要你有耐力,也很细心的话,一枚枚往杯子中投大头针,事实上你的确可以投1 000枚,尽管这一堆大头针已经从杯底堆到了杯口,甚至有的大头针一截露在杯口外,杯中的水一点儿也不会溢出来。