探索力的作用：引力、空气阻力和压力测量

你看不到力，但你可以到处看到它们的作用。力使物体移动，它们挤压和拉伸物体，它们甚至使物体漂浮、飞行和坠落。

当物体之间相互接触时，力可以被直接施加。你推动一下在秋千上的弟弟，或者你摔倒在地，都存在力的作用（有时，科学是伤人的呢！）。力在远处也可以产生作用。磁力感应不需要物体相接触，重力可以拉动彼此相距很远的物体，例如太阳和行星。

力是物理学的“激”础。这一“激情”体现在，从足球到跳伞，甚至简单地躺在床上，它无处不在。

愚蠢吗？

谈论称重空气可能看起来很愚蠢，但科学家们花了很多年时间去研究如何做到这个。空气不断地推动着我们以及周围的物体……只是我们感觉不到！

把水“泵”起来

在中世纪，工程师们可以建造水泵将水向上推动10米，但不会更高了。没有人知道这是为什么！之后，在17世纪40年代，一位名叫埃万杰利斯塔·托里拆利的意大利科学家有了一个神奇的“脑洞”。他写信给一位朋友，说道：“我们生活在一个由空气组成的海洋的底部。”地球上的一切都被这个“海洋”的重量往下压。那么，泵是如何工作的呢？

泵通过移除把水往下压的空气的重量来工作。

压力之下

法国科学家布莱士·帕斯卡继续托里拆利的研究。在1648年，他让他的姐夫弗罗林用两管水银进行实验。一管水银留在他家附近——什么也没有发生，水银高度没有变化。另外一管由他带着向山上走去。他越靠近山顶，水银上升得越高。为什么呢？因为在管子上方施加向下推力的空气变得少了！

水银管作为一个压力测量装置来工作——它被称为气压计。今天，气压计仍然被用来预测天气。

空气的力量

1650年，一位名叫奥托·冯·格里克的德国发明家通过建造一种新型气泵来展示气压的强大程度。他将两个铁半球（半个铁球）连接在一起，抽出空气。之后，没有人可以分开它们……即便是两支强壮的马队！两个半球被周围的气压推挤合闭。在铁球内部没有任何向外部方向推动的力量，因此它们紧紧地合在一起。

强大的摩擦力

许多不同的事物影响着宇宙的运作方式。力是物理学家们的研究对象之一，它推或者拉着它们周围的物体。摩擦力是所有力当中的一种，它影响着我们每天的移动方式。

流利地来做

摩擦力是一种反作用于试图移动物体的力，它使移动更加困难。现在尝试着在你桌子上推动一本书。由于表面光滑，它会非常容易滑动。现在再尝试着在地毯上推动这本书，它很难被推动，这是由于地毯表面粗糙，摩擦力更大。

流星的光芒是由快速移动的空间粒子和地球大气之间的摩擦所产生的。

动态下的摩擦力

摩擦力可以被用来阻止物体滑动和滑倒。你的鞋子底部有凹凸，这带给你“抓地力”。当你在自行车上运用刹车时，刹车片会压制移动的车轮并产生足够的摩擦力使车轮减速，直到使它完全停止。有时候，我们需要相反的效果。将油涂到自行车链条上可以减少摩擦力，这样它会更顺畅地移动，让骑行变得更轻松哦！

潮湿的火柴难以划擦，这是因为水减少了两个表面之间的摩擦。

相当惊人

双手一起摩擦会导致手掌之间产生摩擦力。将双手合十不消耗能量，但是抵抗摩擦力来让双手来回搓动则需要很多的能量。这种能量被转化为热量，使你的双手感觉到温暖。同样的事情还发生划火柴时。划擦火柴时，火柴盒的粗糙边缘增加摩擦力并产生火花，它点燃火柴头部的化学物质，火柴就这样点着了。

迎着阻力前进

穿越空气和水会产生摩擦力，它使物体减慢速度，这个力被称为“阻力”。它影响所有移动的物体，从棒球到赛车再到游泳选手。

空气阻力

具有较大表面积的物体在移动时，因为有更多的空气在施加阻力，所以运动速度较慢。想象一下，用一只手丢一张平铺的纸，用另一只手去丢一张揉成一团的纸，平铺的纸会下降得更慢，因为它的表面积更大。现在把这张纸折成一个飞机并斜向下去丢，它会快速落到地面，因为表面积减少，空气阻力变小。这种形态被称为流线型外观。

不要那么快啦

当你观看跳伞运动员从飞机上跳下时，会很容易看到空气阻力的作用。重力会将他们拉向地面。当他们打开降落伞时，伞衣增加空气阻力来抵抗重力并减缓下降速度。在直线加速赛中，流线型赛车高速向前猛冲。当它们越过终点线时，它们会弹出车后的降落伞，使其比运用刹车更快地降速。

自然的启示

流线型的形状在自然界中经常能看到。猎鹰在空中俯冲时折叠翅膀以减少其自身的身体面积。企鹅和鲨鱼在水中轻松地滑行，这要感谢它们的尖头状身体和光滑的外表。人类复制这些形态来使汽车、飞机潜艇更快速更有效。运用这些原理的最伟大人物之一不是一位科学家，而是一位设计师，名字叫雷蒙德·洛威，被称为“流线型之父”。

双降落伞安全地将直线加速赛赛车从超过539千米/时的速度减慢到停止。

重要的引力

始终作用于你的力是引力。它吸引你周围的一切——你的作业、三明治、游戏机——很显然它非常重要！引力阻止你的三明治飘走，它让你能够坐下来做作业和玩游戏。

对生命至关重要

引力是一种将物体拉向彼此的力。所有的物体都施加引力，但是只有巨大的物体，例如行星和恒星，才有足够的力来产生很大的影响。地球的引力作用于大气中的气体分子，使大气保持接近于地球的表面。较小的行星只有较少的引力，它无法始终保持住大气。太阳非常巨大，它的引力足以将太阳系的所有行星都吸引住。

土星是一个非常大的行星，它的引力大到可以控制至少53个卫星！

思考问题

艾萨克·牛顿（公元1642～1727年）彻底改变了科学家们对引力的思考方式。在17世纪早期，天文学家约翰尼斯·开普勒（公元1571～1630年）描述了围绕太阳的行星们的运动，但是牛顿对是什么使行星们待在原位而感到困惑。为什么它们在椭圆轨道上行进（行星所遵循的椭圆形路径）而不是直线上？他猜想肯定有一个引力来作用于它们，并且围绕行星的所有卫星也是如此。

万有引力理论

牛顿在1666年提出了万有引力理论，解释了引力与距离之间的关系。这一理论如此具有革命性的原因在于，牛顿发现，引力无处不在，它存在于所有物体之间，但引力的大小取决于物体的质量。牛顿的定律解释了引力随物体质量的增加而增加，但随着距离的增大而减小。它描述了在地球上作用于我们的向下力（重力），以及在空间中作用于物体之间的力（引力）。(www.xing528.com)

且慢！重量，了解一下！

重量是由引力引起的力。如果你所在的地方，引力比地球大或小，那么你的重量会不一样。它经常被与质量相混淆，但事实上，无论你在哪里旅行，质量是一直保持不变的。

月球引力是地球引力的1/6，因此月球上的物体重量仅为它们在地球上的重量的1/6。虽然它们仍然有着相同的质量！

质量的概念

我们经常混淆重量和质量这两个词语，但它们是不同的概念。质量是一个物体由多少“东西”组成。只有当你添加或删除一些“东西”时它才会改变。蛋糕被切去一块可以减少它的质量，但长期吃太多的蛋糕会增加你的质量！你可以把蛋糕运到月球上，它的质量将保持不变。

失重

在具有较弱引力的其他行星上，物体的重量减少。例如，在火星（比地球小的一颗行星）你的蛋糕重量会减少，不及它在地球上的一半。然而，如果在太阳系中最大的行星木星上，蛋糕的重量将增加2.4倍。但请记住，这并不意味着蛋糕增多了！它只意味着由于引力增加，对蛋糕施加的力更大了而已。

全乱了！

甚至在地球上，重量也跟随位置而改变。重力是从一个物体的中心产生拉力，地球的两极比赤道周围的凸出部分稍微靠近中心。造成的结果就是地球在两极的拉力会稍微强一些，因此你的重量会略微增加。同样的，当你爬到一座很高的山顶时，你的重量会减少一点。

牛顿力学定律

牛顿并不满足于仅仅了解重力。他还解释了力是如何普遍地作用于物体，为科学革命铺平道路。他的运动定律（首次发表于1687年）构成了现代物理学中一些最重要的基础。

首先讲第一定律

牛顿第一定律提到物体不能自己开始、停止运动或改变方向，除非有外力作用于它们。因此，推动一个静止的滑板可以使它滚动，将它放在一个坡顶，重力将拉它向下运动。一个运动的滑板会逐渐减速，这是由于空气阻力以及它与地面之间的摩擦力。如果你把脚放下来制动或者有人反方向推你，滑板会停止运动或转向。

牛顿在《自然哲学的数学原理》中解释了他的定律，这本书是有史以来最重要的科学著作之一。

现在该第三定律了

牛顿第三定律讲述了力是相互作用的。他指出每一个作用力（或力）都有一个大小相等、方向相反的反作用力（或力）。如果你穿着溜冰鞋去推一堵墙，你会向后移动。同样地，假如你和一个朋友都穿着溜冰鞋并用大小相等的力互相推动对方，那么你们都会朝着相反的方向移动。

无处不在

你可以在任何运动中看到所有三个定律在发生作用。用力踢球，球会运动（第一定律）。当球飞到空中，地球引力将其拉下（也是第一定律）。如果球击中门柱，它会反弹（第三定律）。如果你用更大的力踢球，它会运动得更远。这就是第二定律，需要详细解释。一起看下一页吧……

第二定律

现在，你已经了解了牛顿第一和第三定律。那第二定律是什么呢？现在我们考虑另一个因素——物体的大小对力如何作用于它产生影响。

加速学习

我们都知道，停下一辆真实的卡车比一辆玩具卡车更困难。牛顿第二定律告诉我们，物体越大，就需要更多的力来移动或停止它。加速一辆真实的卡车比一辆玩具卡车也需要更多的力。对大多数人来说，加速度是速度的一个提高。对科学家们来说，加速度是速度或方向的任何变化。变得更快是正加速度，而减速是负加速度。

大是多大？

你可能已经注意到“更大”并不是一个非常准确的术语。更大是什么意思？即便气球比足球更大，踢一个气球就真的比踢一个足球需要更多的力吗？科学上来说，更大意味着“有更大的质量”。根据牛顿第二定律，力的大小及其产生的运动与所作用物体的质量大小直接相关。

制定定律

第三定律也解释了为什么用力地踢比轻轻地踢可以把同一个足球移动得更远。你用更多的力来踢同样大小的物体，会怎么样呢？牛顿将这个定律写作“F=ma”，其中“F”表示力，“m”表示质量，“a”表示加速度。如果你将力加倍，质量保持不变，则加速度加倍。这些定律现在看起来可能很简单，但牛顿的天才之处在于他提出了这些定律，使此后的所有科学家们都能使用它们。

减轻压力

人体本身只能产生有限的力。然而，我们足够聪明，通过使用诸如杠杆和滑轮之类的简单机械来增加力，而不增加所需要的工作量或能量。

重载

最简单的机械之一就是杠杆。它由一个长杆组成，位于一个支点或枢轴的基座上。通过把压力点移动远离枢轴，你可以把一个较小的力在杠杆的另一端转换为较大的力。游乐场跷跷板就是一个典型的例子。如果你坐得离中间很远，你可以翘起比你重得多的人。

许多工具的工作是通过使用长柄来放大力。锤子、开瓶器、扳手和园艺叉都是各种类型的杠杆。

用力气或用滑轮？

将一个重物从低点提升到高点是很困难的。它需要很大的力。将重物连接到滑轮上，改变力的方向，这样你就可以向下拉而不是向上推，是不是感觉更轻松呢？将绳子缠绕到两个滑轮上可以减少你一半的力，让事情简单两倍。再加上两个滑轮，你会再轻松两倍哦！

超级升运机

每一项发明都不简单，人类自史前时代以来发明了各种工具。然而，阿基米德（公元前287～前212年）发现了一种机械可以做一项新的重要工作的潜力。他研究出如何使用旋桨来提升水而不必将水装到容器里再提升。旋桨的底部将水汲取，当旋桨转动时就可以把水提升到高处。

融化的巧克力通过一个内置的旋桨被提升到巧克力喷泉的顶层！

终结流言

许多人相信的关于力的两件事，实际上这两件事都存在一点点错误。

牛顿没有被掉落的苹果砸中！

太空中有引力！