发明家陷入的误区-重心运动定律

时间:2023-11-17 12:49:02

对于发明家来说,要想不陷入徒劳无功的空想,真正做出一些技术上的发明,就必须严格用力学定律来指导工作。在很多发明家的心中,可能都会遵循能量守恒定律这个原则,并把它视为唯一的原则。其实,还有一个原理也是不容忽视的,那就是重心运动定律。如果忽视这条定律,就可能钻进牛角尖,做很多无用功,白白浪费精力。

重心运动定律指:一个物体或者一个系统在运动的时候,它的重心不会因为内力的作用而改变。比如,一颗飞行中的炮弹发生了爆炸,那么在弹片落地之前,所有弹片的重心仍然沿着炮弹的飞行轨迹运动。这里还有一种特殊的情形:如果在一开始的时候,物体的重心处于静止状态,也就是说,物体本身是静止的,那么不管它的内力有多大,它的重心位置都不会改变,重心也不会运动。

在前文中,我们讲到,对于生活在地球上的我们来说,是不可能利用肌肉的力量推动地球的。关于这一点,我们还可以利用这一定律进行解释。

不管是地球作用于人体的力,还是人体作用于地球的力,都是内力,所以都不可能使地球和人体这个系统的重心产生移动。当我们跳起来再落回到地面,地球也会回到它原来的位置。

下面,我们举一个例子,这个例子很有意思,通过这个例子,我们可以看出:如果不遵循重心运动定律,一定会得出错误的结论。

有一个发明家想设计一种新型的飞行器。他是这么说的:“如图 所示,这个半圆形的管子是闭合的,它由两部分组成,分别是弧形部分ACB和水平部分AB。我们在管子中装入一种液体,使它在螺旋桨的带动下不停地流动,流动的方向如图所示。那么,当液体在弧形部分流动的时候,就会产生离心力,这个力会压向管子的外壁,也就是产生如 图 所示的力P,而且,这个力的方向是向上的。很明显,在水平管子里,液体并不会产生离心力,所以没有反方向的作用力。于是,我们得出结论:如果管子里的液体流动的速度足够快,产生的离心力P完全可以把这个闭合的管子顶起来。

发明家陷入的误区-重心运动定律

图 新型飞行器设计图式。”

发明家陷入的误区-重心运动定律

图 力P将整个装置向上带动。对于这个发明家的说法,你赞同吗?其实,不需要进行多么深入的研究,我们就可以断定:这个管子不可能运动起来。事实上,这里的作用力仍然是内力,所以根据重心运动定律,它不可能使这个系统——管子、液体和螺旋桨产生运动。所以我们说,这个系统是不可能运动的。

在这个发明家的论证中,忽视了什么东西呢?

其实,我们很容易就可以找到,他在论证这个系统的时候,只考虑到了弧形部分的离心力,并没有考虑到,在液体转弯的地方,也就是点A和点B,如 图 所示,也会产生离心力。虽然这部分的曲线很短,但是转弯的角度却很大。也就是说,这里的曲率半径非常小。由于曲率半径越小,离心效应就会越大,所以在这两个急转弯的地方,会分别产生一个向下的力Q和R,这两个力把向上的离心力P给平衡掉了。但是,在刚才发明家的分析中,却把这两个力忽视了。此外,如果他知道重心运动定律,也一定知道自己的分析是错误的。

早在400多年前,达·芬奇曾说过:“从某种程度上来说,正是有了力学定律,才使得发明家和工程师不会把不可能的东西送给别人。”

发明家陷入的误区-重心运动定律

图 新型飞行器飞不起来的原因。