物理爱好者

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关于洗完澡穿不进靴子的故事








　　是什么缘故使冬天昼短夜长，夏天昼长夜短呢？冬天昼短，和一切别的可见或不可见的物体一样，是由于冷缩的缘故；至于夜长，是因为点起了灯火，暖了起来因此胀长的缘故。

　　上面这一段不可思议的奇妙论调，是从契诃夫一篇小说《顿河退伍的士兵》那里引来的，你看了一定会发笑。可是，笑这种说法的人，自己也时常会创造出许多同样不可思议的怪论来。譬如，常常听到有人说或者甚至在书上读到，说什么洗完澡以后，靴子所以穿不进，是因为“脚给热水烫热膨胀，因此增加了体积”。这个有趣的例子已经变成常见的例子，而一般人常常做了完全不合理的解释。

　　首先，大家应该知道，人体在洗澡的时候温度几乎没有升高。在洗澡的时候人体温度升高一般不超过1摄氏度，至多是2摄氏度。人体机能会很好跟四周环境的冷热影响作斗争，使体温保持在一定的度数。

　　而且我们的身体温度即使增加了l～2摄氏度，体积增加得也非常有限，穿靴子的时候是绝对不会觉察到的。人体不管软的硬的各部分的膨胀系数都不超过万分之几。因此，脚板的宽窄和胫骨的粗细一共只能胀大百分之几厘米。那么，难道普通一双靴子，会缝制得精确到0．01厘米，像一根头发那么粗细的程度吗？

但是，事实却的确是这样：洗澡以后靴子的确很难穿进。不过穿不进的原因不在受热膨胀，而是在别的原因，例如充血、外皮肿起、皮肤润湿，以及别的许多根本跟热无关的现象。

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“神仙显圣”是怎样造成的

古希腊的机械师、亚历山大城的希罗、希罗喷水泉的发明人，告诉我们两个巧妙的方法，它们是埃及的祭司曾经用来欺骗人们，叫他们相信“神仙显圣”的。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　你在图67上可以看到一只空心的金属做的祭坛，下面的地下室里装着一个机构，用来开动这座庙宇的大门。祭坛设在庙门外面。当坛里烧起火来的时候，下面的空气受到热，就要向地下那只瓶里的水加压力，把瓶里的水从旁边一个管子里压出来，流到桶里去，那桶一重就要落下去，带动一个机构转动起来，把门打开（图68）。旁观的人谁也不会想到地下会有特别的装置，他们因此就看到了“神仙显圣”：只要祭坛上烧起火来，庙门就会“听从着祭司的祷告”自动打开了……祭司想出的另外一个骗人的“神仙显圣”，见图69。当祭坛上烧起火以后，膨胀了的空气就把油从下面的油箱里压到两个祭司像里面的管子里，于是油就会自动加到火上去……但是只要管理这个祭坛的祭司悄悄地把油箱上的一个塞子拔掉，油就会不再流出（因为空气受热以后已经可以通过塞孔逃了出去）；这一手，祭司是预备碰到吝啬的祈祷人的时候用的。

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不要发动的时钟

前面我们已经说过不要发动的时钟（见p.99面到101）──说得更正确些，是不要人手发动的时钟──那种时钟的构造，是利用了大气压力的变化的。现在我们来谈一种利用热胀原理做成的这一类时钟。 　　这种时钟的构造见图70。它的主要部分是两根长杆Z1和Z2，两杆都用特别的合金制成，那种合金有极大的膨胀系数。Z1杆贴附在齿轮X的齿上，当这根杆受热伸长的时候，会把齿轮X略略推转。Z2杆却挂在齿轮Y的齿上，当它在受冷缩短的时候，会把齿轮Y也推向那同一方向转动，这两个齿轮（X，Y）装在同一根轴队上，这轴转动的时候，会把那个大轮带转，大轮上装有许多勺子。大轮转动的时候，下部的勺子会汲进槽里的水银，带到上边来，从这里流到左边的一个轮子，这个轮子也装有勺子。左边轮子上的勺子装满了水银，就会由于重力的作用转动起来，带动绕在K；轮（K1和轮子装在同一根轴W2上）和K2轮上的链带KK；K2轮就把时钟的弹簧带动。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　左边轮子上流下来的水银怎么样呢？它会沿着斜槽R；流回到右边大轮下面，再被右边大轮上的勺子提升上去。 　　这样看来，这个机构是应当动起来的，而且只要Z1、Z2两杆在伸长或缩短，它就不会停止下来。因此，为了发动这只时钟，只要四周空气的温度不停地升降就可以。而实际上也正是这样，根本用不着我们操心：四周空气温度上的随便什么变化，总会引起长杆的胀缩，因此，时钟的发条就给慢慢地，但是不断地卷紧了。 　　这种时钟可以叫做“永动机”吗？当然不可以。是的，除非这只时钟的机构由于磨耗而损坏，否则就会永远走下去，但是它的动力来源却是它四周空气的热量：是热膨胀的功给这只时钟零碎地储藏了起来，以便把它不断消耗在时钟指针的运动上。这只是一架“不花钱”的动力机，因为它既不需要照料，也没有什么消耗。但是它却并不能够无中生有：它的动力的最初来源是晒热地面的太阳的热能。 　　另外一只这一类自己发动的时钟，见图71和图72。这只时钟的主要部分是甘油，甘油能够随着空气温度的升高而膨胀，利用这一点来提升起一个小重锤；这个重锤落下的时候把时钟的机构带动。因为甘油只在零下30摄氏度才凝固，在290摄氏度才沸腾，因此这只时钟可以给城市广场和别的开阔的地方应用。只要温度的变化达到2摄氏度，就可以使这只时钟走动。有一只这样的时钟就曾经结试验过，它在一年里面走得非常好，而在这一年里没有人去动过它一次。 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　那么，根据上面的原理，造出比较大的动力机是不是有利呢？初看这种“不花钱”的动力机应该是非常经济合算的，可惜计算告诉我们的是另外一个答案：为了把一只普通时钟上的发条旋紧，使它能够走足一昼夜，大约一共要（1／7）×9.8焦的功。这大约等于每秒钟有用1／（6×105）×9.8焦；我们知道1马力等于735瓦，因此，一只时钟的功率大约等于一马力的四千五百万分之一。于是，假如我们把前面那只时钟两根膨胀的长杆或者第二只时钟的附件算作值1分钱，那么，这种发动机发出735瓦需要资本： 　　l分×45000000＝＝450000元。就是说每马力的这种发动机需要近50万元，这对于“不花钱”的发动机来说，恐怕是太贵了吧。

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值得研究的香烟








　　火柴盒上放着一支香烟（图73），这支香烟从两端冒出烟来。但是，从纸烟嘴冒出的烟是向下沉的，另外一端，就是燃着的那一端的烟却是向上冒的。为什么呢？难道同一支烟的两端，冒出的烟不一样吗？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　不错，两端冒出的烟是一样的，但是在燃着的那端，烧热的空气造成了上升气流，是它把烟带着上升的；至于从烟嘴出来的烟和空气，已经冷却了，因此就不会上升，而烟粒本身要比空气重，因此就沉下去了。

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在开水里不融化的冰块

把一小块冰丢到装满水的试管里去，由于冰比水轻，要想不让冰块浮起，再投进去一粒铅弹、一个铜圆等等去把冰块压在底下；但是不要使冰跟水完全隔离。现在，把试管放到酒精灯上，使火焰只烧到试管的上部（图74）。不久，水沸腾了，冒出了一股一股的蒸汽。但是，多奇怪呀，试管底部的那块冰却并没有融化！我们好像是在表演魔术：冰块在开水里并不融化…… 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　这个谜的解释是这样的。试管底部的水根本没有沸腾，而且仍旧是冷冰冰的，沸腾的只是上部的水。我们这儿并不是什么“冰块在沸水里”，而是“冰块在沸水底下”。原来，水受了热膨胀。就变得比较轻，因此不会沉到管底，仍旧留在管的上部。水流的循环也只在管的上部进行，没有影响到下部。至于下部的水，只能经过水的导热作用才受到热，但是，你知道水的导热度是很小的啊。

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放在冰上还是冰下








　　我们烧水的时候，一定把装水的锅子放在火上，不会放到火的旁边。这样做是完全正确的，因为被火焰烧热了的空气比较轻，从四周向上升起，绕着水锅的四周升上去。

　　因此，我们把水锅放在火上是最有效地利用了火焰的热量。

　　但是，假如我们想用冰来冷却一个什么物体的时候，要怎样做呢？许多人根据一向的习惯，把要冷却的物体也放到冰的上面。譬如说，他们把装有热牛奶的锅子放在冰上面。这样做其实是不适当的，因为冰上面的空气受到冷却后，就会往下沉，四周的暖空气就来占据冷空气原来的位置。这样你可以得到一个非常实际的结论：假如你想冷却一些饮料或者食物，千万不要把它放在冰块的上面，而要把它放在冰块的底下。

　　让我们再解释得详细些：假如把装水的锅子放在冰块的上面，那么受到冷却的只有那水的底部，水的别的部分的四周仍旧没有冷却的空气。相反，假如把一块冰放在水锅的上方，那么水锅里的水的冷却就会快得多，因为水的上层冷却以后，就会降到下面去，底下比较暖的水就会升上来，这样一直到整锅水全部冷却为止。从另一方面说，冰块四周的冷却了的空气也要向下沉，绕过那个水锅。

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为什么紧闭了窗子还觉得有风







　　时常会有这样的情形：房间里的窗子关闭得非常紧密，没有丝毫漏缝，竟仍旧会觉得有风。这好像很奇怪。但是事实上却没有什么可以奇怪的。
　　房间里的空气几乎没有完全安定的时候。房间里面总有一些看不出的空气流，这种空气流是由于空气的受热或冷却引起的。空气受热，就会变得比较稀，因此也就变得比较轻；受冷呢，相反的，就会变得比较密，也就变得比较重。给电灯或炉子烧热了的比较轻的暖空气，会给冷空气挤压向上升，升到天花板；而靠近冷窗子或墙壁的比较重的冷空气，就要向下沉，沉到地板上。

　　关于房间里面的这种空气流，我们可以利用孩子们玩的气球来观察，在一只气球下面系上一个小物体，使得这个气球不会一直飞到天花板，只能够飘浮在空中，于是，把这只气球放在熊熊的火炉旁边，它就会受到看不见的空气流带动，在房间里慢慢地旅行起来。首先从炉子旁边升到天花板底下，然后飘到窗子旁边，从那里落到地板上，又回到炉子旁边，重新绕着房间打圈子。

　　冬天窗子虽然关闭得非常紧密，房间外面的寒气不可能透进里面来，而我们却仍旧会感觉有风在吹着，特别在脚下更显著，原因就是这样。