第三章圓周運動 3.8在“魔”球里

第三章圓周運動 3.8在“魔”球里

　　有一個公園，為了供游人消遣，建造了一個極有趣而且有教育意義的轉(zhuǎn)盤。那是一個旋轉(zhuǎn)著的球形屋子。來到這里的人都會感到一種異常的感覺，這種感覺我想恐怕只有在夢里或者在神怪故事里才可能有。

　　先讓我講一下站在轉(zhuǎn)得很快的圓形平臺上的人所得到的感覺。旋轉(zhuǎn)運動要把人拋向外面去；你站的地方離中心越遠，使你傾斜和把你向外拉的力量就越大。如果閉上眼睛，你就似乎覺得并不是站在水平的臺面上，而是站在一個斜面上，并且很難使身體保持平衡。為什么會這樣？看一下這時候有哪些力量作用在你身上，就會明白。旋轉(zhuǎn)運動把我們的身體向外拉，而重力把我們的身體向下拉。這兩個力量按照平行四邊形規(guī)則合在一起，使我們受到一個向下傾斜的合力。平臺轉(zhuǎn)得越快，這個合成運動也就越大，傾斜度也越大。

　　現(xiàn)在設(shè)想這個平臺的邊緣是向上彎的，并且你是站在這個傾斜的邊緣上。如果平臺不動，你在這種地方就站不住腳，要溜滑或者甚至會跌倒。如果平臺是在旋轉(zhuǎn)的，那就是另外一回事了。這時候，在一定的速度下，這個傾斜面對你就會象是一個水平面，因為那兩個作用在你身上的力的合力所指的方向也是傾斜的，并且恰好同平臺的傾斜的邊緣成直角①。

　　如果旋轉(zhuǎn)著的平臺是這樣的一個曲面，它的表面在一定的速度下處處都跟合力垂直，那末站在平臺上所有這些點上的人，都會覺得自己是站在水平的平面上。用數(shù)學可以計算出，這樣的曲面是一種特別的幾何體拋物體的面。如果把一個裝著半杯水的玻璃杯，繞著一個豎直軸很快地旋轉(zhuǎn)，就可以得到這樣的表面：這時候玻璃杯邊上的水高了起來，中心的水低了下去，于是它的表面就成了拋物面。

　　如果不用水，而是在玻璃杯里盛上一些熔化了的蠟，不斷旋轉(zhuǎn)杯子，直到杯里的蠟凝結(jié)成固體為止，那時候這個凝結(jié)成的表面就會是一個很精確的拋物面。這樣的表面在一定的旋轉(zhuǎn)速度里，對于重的物體就好象是一個水平面：放在它上面的任一點上的小球，都會留在那里，不會滾下來。

　　現(xiàn)在就很容易理解“魔”球的構(gòu)造了。

　　“魔”球的底是一個很大的可以旋轉(zhuǎn)的臺，它的面正是一個拋物面。臺的下面隱藏著機件，使它旋轉(zhuǎn)得非常平穩(wěn)。雖然這樣，如果不使周圍的物體跟著人一起移動，臺上的人還是會覺得頭暈的。為了使臺上的人感覺不出自己是在運動，就得在這個旋轉(zhuǎn)臺的外面，罩一個用不透明的玻璃做的大球，并且讓大球跟臺轉(zhuǎn)得一樣快。

　　這個名字叫做“魔”球的轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造就是這樣。你要是站在這個“魔”球里面的臺上，你會有怎樣的感覺呢？它一旋轉(zhuǎn)，在你腳下的地面就成了水平的。不管你是站在這個臺的曲面上哪一點臺軸附近（在這里臺面的確是水平的）也好，臺的邊緣（這里是45°的斜坡）也好，你都會覺得它是水平的。在你的眼睛里，這個臺很明顯是個曲面，可是你肌肉卻感到你是站在平坦的地方。

　　兩種感覺彼此發(fā)生著非常顯著的矛盾。如果你從臺的這一邊走向臺的那一邊，你就似乎覺得整個大球好象跟一個肥皂泡一樣輕，跟著你身體的重量往那一邊移它就往那一邊側(cè)：因為在所有的各點上，你都覺得自己是站在水平面上。而斜著站在臺上的別人的位置，在你看來，就一定顯得極不平常：你會覺得這人簡直象蒼蠅一樣在墻上走。

　　如果把水潑在這個球的地面上，水就會沿著球的曲面散開來，鋪成薄薄的一層。在球里的人會覺得這里的水象是站在自己面前的一堵斜墻。

　　普通的重力規(guī)律在這個奇異的球里好象是失去效力了。而我們也好象是到了一個童話里的奇妙的世界里……

　　在空中用極高速度盤旋的飛機里的飛行員也會感受到同樣的感覺。舉例來說，如果他用每小時200公里的速度沿著一個半徑是500米的曲線飛行，那末，他一定似乎覺得地面是微微傾斜著，成了16°的斜坡①。

　　為了進行科學觀察工作，曾經(jīng)建造了一個和這相似的旋轉(zhuǎn)實驗室。這是一間圓柱形的屋子，直徑是3米，旋轉(zhuǎn)速度是每秒鐘50轉(zhuǎn)。因為實驗室的地板是平的，所以在它旋轉(zhuǎn)的時候，靠墻站著的觀察的人似乎覺得屋子是向后斜著，因此他本人也不得不半倚在斜墻上。

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