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跳水运动员的重力之舞

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  图片来源:pixabay

  奥运会的水上项目中,有一项惊险刺激却又不乏美感。运动员站在数米高的跳台上纵身一跃,在空中转体翻腾,然后嗖地一下落入水中。你一定对高台跳水运动不陌生,而运动员在入水之前的腾空坠落,是在一种地球上存在范围很广的力的作用下完成的,它就是重力。

  关于重力的发现,不得不提到著名的物理学家艾萨克·牛顿。说起牛顿,你可能会想起那个砸到他脑袋上的苹果,老师们常用这个故事来鼓励你认真观察生活,勤于思考。不过事实上,这只是个故事,在历史上也许并没有真实发生过。虽然,故事可能是假的,理论却是真的。

  1687年,牛顿在自己的著作《自然哲学的数学原理》一书中首次提出了万有引力定律:宇宙中的一切质点都以一种力吸引其他各个质点,力的大小与各质点质量的乘积成正比,与物体间距离的平方成反比。听起来可能有点深奥,让我们换一种说法。

  此时此刻的你,正在受到地球上,甚至宇宙中全部物体的吸引。比如你的手机、电脑、厨房里的牛奶,还有更远的,比如教室里的黑板,甚至是远处的喜马拉雅山和南极洲的企鹅。总之,你能想到的一切,都会对你产生引力。但是,假如你左手拿着一粒黄豆,右手捧着一颗土豆,那么土豆对你的引力更大。这是因为土豆的质量比黄豆更大。而你手边的土豆,也会比远方农田里一颗差不多大的土豆对你的引力大,因为,你手中的土豆和你之间的距离更短。

  你或许想问,我似乎根本没有感受到土豆执着的吸引啊?这是因为引力实在太弱了。在自然界中的四种基本作用力中,引力是最弱的一种(其他三种分别是强力、弱力、电磁力)。所以我们一般难以察觉。但如果有个硕大无比同时又离你很近的物体,效果可就不太一样了。远在天边近在眼前,低头看看,这个物体就是你脚下的土地,确切的说,是我们赖以生存的地球。

  地球上的每一个点都在对你产生着吸引,当我们把这所有的力都综合起来,它们整体的作用效果就等同于你受到了一个来自地球的力。由于地球的质量恒定,而你站在地球上也使得你到地心的距离恒定,所以这个力的大小只和你自己的质量成正比,方向垂直向下,指向地心——这就是大名鼎鼎的重力。

  利用重力永远直指地心的特点,工程师发明了铅垂线。也就是用一根细绳绑着重物,它静止时细绳的指向就是“正下方”,而利用重力与物体质量成正比的性质,科学家发明了能称出物体质量的秤。

  重力与你如影随形,你早就习惯了有它存在的世界。可你有没有想过,假如有一天你去了一个没有重力的世界,那些司空见惯的现象是不是都会变样了呢?的确如此!我们之所以能稳稳当当地站在地上,没有飘起来,正是因为重力的作用。相比之下,月球上的重力只有地球的六分之一,宇航员走路会一跳一跳地,看起来还有点滑稽。而且,假如你在地球上划一根火柴,会看到泪滴形的火焰。曾经有宇航员在国际空间站划火柴,由于没有重力驱动的热对流,太空中的火焰变成了圆滚滚的球形,看起来就像橱窗里的水晶球一样!

  参考资料:

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

  2. https://spaceplace.nasa.gov/what-is-gravity/en/

  3.「英」海伦 · 切尔斯基 《茶杯里的风暴》 北京联合出版公司

  作者:比邻星

  审稿: 张轩中(中国科普作家协会会员,中国物理学会会员)