初中物理课外阅读

杂技场里的数学

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我知道枯燥无味的公式如果用多了,会吓倒有些物理学的爱好者。可是拒绝从数学方面去认识各种现象的人,一定不能预见现象的过程和确定现象发生的条件。譬如说,在目前这一个例子里,只要两三个公式,就可以帮助我们精确地断定,在什么样的条件下才能成功地完成跑“魔环”那样的惊人把戏。
  现在就让我们来计算一下吧。
  我们用几个字母来代表要计算的一些数量:
  h代表自行车手出发地点的高度;
  X代表出发地点的那一段高度h里的高出“魔环”最高点的一部分高度;在图187里,这段距离是:X=h-AB;
  r代表环的半径;m代表自行车手和自行车的总质量;重力可以用mg来表示,这里的g代表地球的重力加速度,它的数值,我们知道是9.8米/秒2;v代表自行车在到达环的最高点时候的速度。
  所有这些数值,我们可以用两个方程式把它们联系起来。首先我们从力学里知道,自行车沿着斜坡往下滑,在滑到同B点一样高的C点(这个位置在图187的左下角图里标明着)的时候,它得到的速度等于自行车手把车骑到环的顶点B的时候所具有的速度。第一种速度可以用方程式。V=或v2=2gx来表示。因此自行车手到达B点时候的速度。也等于,也就是v2=2gx
  其次,自行车手在到达圆环的最高点的时候,如果想不掉下去,他一定得在这里取得比重力加速度更大的向心加速度(见第278页),也就是说,必须使v2>g或v2>gr可是我们已经知道v2=2gx,所以2gx>gr或x>(r/2)。
  这样,我们知道,要顺利地做完这个稀奇的把戏,就必须这样建造这个“魔环”,使这条路的倾斜部分的最高点比环的最高点高出环的半径的1/2以上,或者高出环的直径的1/4以上。你看,路的坡度在这里并没有关系──需要的只是自行车手的出发点要比环的顶点高出环的直径的1/4以上。不过,自行车的摩擦力的影响在这里没有提到:我们把车在C点和B点的速度看做是一样的。因此,决不能把路做得太长,把斜坡做得太平。在斜坡太平的情况下,由于摩擦的结果,自行车到达B点时候的速度就会比它在C点的时候小。举例来说,如果环的直径是16米,那么演员出发点的高度就应该不小于20米。如果不具备这个条件,演员的技术无论多么高明,也不能骑过“魔环”:到不了环的顶点,他必然会掉下来。
  应该指出,玩这个把戏的时候,车上不必装链条,自行车手只是在重力的作用下使车前进。这时候,他不能、其实也不必要加快或减缓自己的动作。他的全部技术只是把自行车保持在路的中心线上。如果自行车稍有倾斜,他就有从路上滑下被抛向地面的危险。车在圆环里前进的速度是非常大的:在直径是16米的环里绕一圈只要3秒钟。这已经是60公里每小时的速度了!用这种速度骑自行车,当然是不很容易的。可是也没有太大的困难,只要勇敢地信赖力学定律也就可以了。我们可以从表演这种技艺的人写的小册子里,读到这样几句话:“只要计算得正确和设备够坚固,自行车把戏本身是不危险的。这个把戏会不会发生危险,完全看演员自己。如果演员的手发抖,如果他很激动,失去了自制力,如果他出乎意料地表演得不好,那就难免会发生事故。”
  根据这同一条定律的,还有大家知道的飞机翻跟斗和别种特技飞行。在翻跟斗的时候,最重要的是要驾驶员能够沿着曲线作正确的快飞,并且能够熟练地操纵飞机。
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