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跳水運動員的重力之舞

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  圖片來源:pixabay

  奧運會的水上項目中,有一項驚險刺激卻又不乏美感。運動員站在數米高的跳臺上縱身一躍,在空中轉體翻騰,然后嗖地一下落入水中。你一定對高臺跳水運動不陌生,而運動員在入水之前的騰空墜落,是在一種地球上存在范圍很廣的力的作用下完成的,它就是重力。

  關于重力的發現,不得不提到著名的物理學家艾薩克·牛頓。說起牛頓,你可能會想起那個砸到他腦袋上的蘋果,老師們常用這個故事來鼓勵你認真觀察生活,勤于思考。不過事實上,這只是個故事,在歷史上也許并沒有真實發生過。雖然,故事可能是假的,理論卻是真的。

  1687年,牛頓在自己的著作《自然哲學的數學原理》一書中首次提出了萬有引力定律:宇宙中的一切質點都以一種力吸引其他各個質點,力的大小與各質點質量的乘積成正比,與物體間距離的平方成反比。聽起來可能有點深奧,讓我們換一種說法。

  此時此刻的你,正在受到地球上,甚至宇宙中全部物體的吸引。比如你的手機、電腦、廚房里的牛奶,還有更遠的,比如教室里的黑板,甚至是遠處的喜馬拉雅山和南極洲的企鵝。總之,你能想到的一切,都會對你產生引力。但是,假如你左手拿著一粒黃豆,右手捧著一顆土豆,那么土豆對你的引力更大。這是因為土豆的質量比黃豆更大。而你手邊的土豆,也會比遠方農田里一顆差不多大的土豆對你的引力大,因為,你手中的土豆和你之間的距離更短。

  你或許想問,我似乎根本沒有感受到土豆執著的吸引啊?這是因為引力實在太弱了。在自然界中的四種基本作用力中,引力是最弱的一種(其他三種分別是強力、弱力、電磁力)。所以我們一般難以察覺。但如果有個碩大無比同時又離你很近的物體,效果可就不太一樣了。遠在天邊近在眼前,低頭看看,這個物體就是你腳下的土地,確切的說,是我們賴以生存的地球。

  地球上的每一個點都在對你產生著吸引,當我們把這所有的力都綜合起來,它們整體的作用效果就等同于你受到了一個來自地球的力。由于地球的質量恒定,而你站在地球上也使得你到地心的距離恒定,所以這個力的大小只和你自己的質量成正比,方向垂直向下,指向地心——這就是大名鼎鼎的重力。

  利用重力永遠直指地心的特點,工程師發明了鉛垂線。也就是用一根細繩綁著重物,它靜止時細繩的指向就是“正下方”,而利用重力與物體質量成正比的性質,科學家發明了能稱出物體質量的秤。

  重力與你如影隨形,你早就習慣了有它存在的世界。可你有沒有想過,假如有一天你去了一個沒有重力的世界,那些司空見慣的現象是不是都會變樣了呢?的確如此!我們之所以能穩穩當當地站在地上,沒有飄起來,正是因為重力的作用。相比之下,月球上的重力只有地球的六分之一,宇航員走路會一跳一跳地,看起來還有點滑稽。而且,假如你在地球上劃一根火柴,會看到淚滴形的火焰。曾經有宇航員在國際空間站劃火柴,由于沒有重力驅動的熱對流,太空中的火焰變成了圓滾滾的球形,看起來就像櫥窗里的水晶球一樣!

  參考資料:

  1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%95%E5%8A%9B#cite_note-2

  2. 

  3.「英」海倫 · 切爾斯基 《茶杯里的風暴》 北京聯合出版公司

  作者:比鄰星

  審稿: 張軒中(中國科普作家協會會員,中國物理學會會員)