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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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浮力的奇迹(中)

2018-03-22 23:16:00

  淹不死人的“死海”

  在巴勒斯坦、约旦和以色列之间,地处南北走向的大裂谷地带的中段,有一个著名的内陆咸水湖。由于长年气候酷热,湖里的水分大量蒸发,因而湖水的含盐量高达25%~30%,除个别微生物外,没有任何动植物可以在湖里生存。这个湖被称为“死海”。传说,大约2000年前,罗马统帅狄杜进攻耶路撒冷,来到死海岸边,在下令将俘虏投入海中处死时,俘虏们并没有沉到水里淹死,而是被波浪冲回岸边。狄杜勃然大怒,下令再次将俘虏投入海中,结果俘虏依旧安然无恙。统帅大惊失色,认为这是天意,于是将他们全部释放。

  上文的传说是否可信,虽然已经无法确认,但人在死海中不会被淹死却是事实。美国著名作家马克·吐温游历了死海之后,是这样描绘他和同伴在死海中沐浴的情景的:

  “这是一次有趣的沐浴!我们竟不会沉下去。在这里,我们可以把身体完全伸直,并且把两手放在胸部,在水面上仰卧,大部分身体仍旧留在水面上。这时候,我们还完全可以把头抬起来……你能够很舒服地仰卧着,把两个膝盖抬到下颚下面用双手抱住它们——不过这样会使你很快就翻一个筋斗,因为头部太重了。你可以头顶着海水竖起来,使自己的胸膛中部到脚尖这一段身体露在水面上,不过你不能长久地保持这种姿势。你不能仰泳得很快,因为你的脚完全露在水面上,只好用脚跟推水。

  如果你俯着身体游泳,那你就不能前进,反而要后退。马在死海里既不能游泳,也不能直立,因为它的身体太不稳定了。马一到水里,只能侧着身体躺在水面上……”

  其实道理很简单:死海水的含盐量远高于一般海水的含盐量,它的比重达到了1.172~1.227,而人体的比重只有1.021~1.097,因而根据阿基米德定律,死海水产生的浮力大于人体在死海中的体重,必然会把人体“推”上水面。而一般海水与人体的比重大致相等,人在海中如果静止不动,只有在海水几乎把整个身子淹没时,水对人体产生的浮力才和人的体重相等。这时人稍不留神,或心理紧张,就会因呛水而淹死。

  因而,死海实际上就是基督教《圣经》中的亚拉巴海,即盐湖。最近,我国四川省大英县也发现了一个“死海”——形成于1.5亿年前的地下盐湖,人在湖中同样可以漂浮不沉。

  气鳔的启示

  剖开鱼肚,你可以看见里面有一个白而长,像葫芦一样的气鳔。这是鱼在水中的升降机。它要沉下水去时,就将气鳔缩小,使肚里的空气体积变小,而身体的比重增加。反之,气鳔涨大时,身体比重变轻,便可以浮起来。18世纪初,由于当时俄国统治者彼得大帝的野心很大,一直想扩大疆域,四处收购新式武器,于是一个叫尼科诺夫的农民就求见皇帝,献计说他能造一艘特殊的船,可以偷偷地像鱼一样潜入水向敌舰发动攻击。尼科诺夫其实就是受到鱼鳔的启示才想到可以造这种水下船的。

  彼得大帝听后很高兴,并拨专款支持。3年后,尼科诺夫成功地完成模型制作,并于1724年下水实验。但由于操作失误,机件损坏未能达到预定目标。而尼科诺夫此时又突然病逝,彼得大帝不得不放弃这一计划。

  1776年7月,北美殖民地人民宣告独立,成立了美利坚合众国。英国殖民当局恼羞成怒,调集了3.5万名士兵,在海军舰队的掩护下进攻纽约城。当时镇守纽约的主将就是后来成为美国开国总统的陆军司令华盛顿。他手下只有1.8万名士兵,没有重炮和军舰。此时,纽约港已被英国军舰封锁得水泄不通,形势十分严峻。

  这时,一位名叫大卫·布什内尔的美国教员站了出来。他看过当年尼科诺夫研究的全部资料。于是向华盛顿提出建议,并获准制造一种在水中潜行的船只。由于它外形奇怪,好像是由两个乌龟壳合起来的,因而被人们称为“海龟”。实际上,它是一个椭圆形的木桶,外壳由橡木做成,靠人力摇动螺旋桨推进。“海龟”可潜可浮,因为在它的舱内设有压载水柜。只要操纵手动泵,水柜排水,“海龟”就会上浮;水柜进水,“海龟”就会下潜。“海龟”内的空气可供驾驶者呼吸30分钟。如果时间长了,就只能使用通向水面的通气管了。

  1776年的一个夏夜,华盛顿下令出击。携带68千克炸药的“海龟”顺利接近英军军舰,开始在敌舰船底进行钻洞作业,但在准备把炸药挂上去时,突然被对方发现,驾驶员急中生智,引爆了炸药。英军不知爆炸声从何而来,急忙撤退。由此,纽约港的封锁被打破了。华盛顿誉之为“一次天才的尝试”。

  这种用人力螺旋桨推进的“海龟”虽然十分原始,却构成了潜水艇的雏形。18世纪中叶,人们改用蒸汽机为动力。美国南北战争时,南军曾用一艘由锅炉改装的潜水艇,把北军的一艘重达数千吨的巡洋舰击沉。

  1897年,美国造船专家霍兰,进一步研制了一艘可凭汽油机为动力在水面航行,用蓄电池为动力在水下行驶的潜水艇。它长15.84米、宽3.05米,排水量为70吨。武器装备为艇艏的一具鱼雷发射管,携带3枚鱼雷,以及艇艏和尾部各一挺机关枪。这艘潜水艇的各种性能已相当完美,被称为“海上霸主”。霍兰也被公认为世界上第一艘潜水艇的发明者。

  随着科技的发展,半个多世纪以后,美国又发明了“鹦鹉螺号”核潜艇。它克服了传统的潜艇在水下航行一段时间后,必须浮出水面交换空气、易于暴露自己的根本缺陷,改用核燃料为动力,可以随心所欲地在水下长期潜航,被称为“真正的潜水艇”。1958年8月3日夏令时23时15分,美国第一艘核潜艇“鹦鹉螺号”在浮冰下到达地理北极,成为人类历史上首艘水下潜航到达北极点的船只。就这样,在阿基米德定律的指引下,经过100多年的努力,潜水艇终于成为一种现代化的水下攻击利器。

  先驱者的遭遇

  早在2000多年前的汉朝,《淮南万毕术》中就有这样的记载:“艾火令鸡子飞。”意思是说,把鸡蛋挖空,在空壳里点火把空气烧热,蛋壳就能在大风中飞起来。虽然根据现代科学的计算和实验,由于空蛋壳体积太小,里面即便充满了热空气,也不足以使蛋壳自行升浮,但是却直接证明了古人早就注意到了热空气比冷空气轻,从而产生浮力的现象。

  到了三国时代,诸葛亮用很细的竹篾做成灯笼的骨架,外面糊一层薄纸,只留下面一个小口。再把一个盛满了松脂的小瓦碟放在灯笼内点燃。灯笼内的空气加热之后,灯笼就会慢慢地升到空中。直到松脂烧光了,空气冷却后,才慢慢地落下来。诸葛亮字孔明,所以这种灯又叫“孔明灯”。

  到了五代时期,农民军中有一个名为莘七娘的女首领,晚上在指挥作战时,她就把这种“孔明灯”升到空中,作为军事行动信号。这种“孔明灯”实际上就是热气球的雏形。

  1731年的一天,俄国一个名叫克拉库特诺的地方法院文书,看到烟囱里冒出的青烟一个劲地向上窜,感到十分好奇,就反复地琢磨其中的道理,并突然产生灵感:如果用一个巨大的口袋,让它灌满烟囱里冒出来的热烟,它一定会飘向天空;如果再在口袋下面装上一个吊篮,人坐进去,不就可以飞上天空了么?

  克拉库特诺是一个敢于实践的人。他说干就干!嘿!这个试验品还真的离开地面飞了起来,飞得比树还高。煞风景的是,由于他不能控制飞行方向,结果撞到了一座钟楼上,发出了洪亮的钟声,自己也摔落在地。钟声引来了许多村民。这些村民世代生活在这片贫瘠的土地上,几乎与世隔绝,十分愚昧落后。在他们心目中,只有上帝和天使能在空中飞行,人是无法做到这一点的,而上帝和天使是不会从天上掉下来的,因而确认此人是魔鬼无疑!

  至于如何处置这个“魔鬼”,村民们却意见不一。有人主张烧死他,也有人认为应将他套上绞索……正在克拉库特诺生死攸关之际,村民中一位略有文化的长者站出来说了公道话,并趁村民们激烈争论之际,偷偷地将这个“魔鬼”放了。村民们发现后,就将“魔鬼”留下的大口袋——实际上是世界上的第一个热气球烧毁了。

  虽然克拉库特诺幸免于难,但再也没有勇气继续进行热气球的研究和实验了。俄国一项本可领先于世界的重大发明就这样寿终正寝了……

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