第五章 液体和气体的性质

  两把咖啡壶的题目

  在你面前是两把同样粗的咖啡壶:一把比较高,一把比较低。哪一把能够盛得更多些呢?

  许多人一定不加思索地说,高的那把要比低的盛得更多些。但是,假如你把液体倒到高壶里去,只能够把液体盛到壶嘴的水平面,再多就要溢出来了。现在两把壶的壶嘴是一样高的,因此低壶能够盛的液体量,跟高壶完全相同。

 

  这道理非常简单:咖啡壶和壶嘴就象一具连通器,虽说壶里的液体要比壶嘴里的液体重得多,但是里面的液面还是应该在相同的水平面上。假如壶嘴太低的话,那么你就不可能把壶注满,因为液体会从壶嘴溢出去。一般说来,各种水壶的壶嘴都要做到比壶顶略高,使它即使在略略倾斜的时候也不会泻出。

  古人不知道的事情

  现代的罗马居民到今天还在使用着古人所修造的水道:古代罗马的奴隶把水道修造得真是坚固。

  关于领导这个工程的罗马工程师的知识却不能这样说:很明显,他们对于物理学的基本知识还很不够。请看从古书复制出来的图46。你看,罗马的水道不是装在地下,而是装在地上,高高架设在石柱上的。他们为什么要这样做呢?难道象现在这样用管子埋到地下去不更省事吗?当然更省事,但是那时候的罗马工程师对于连通器的原理只有极模糊的认识。他们恐怕用长管子连接起来的各个水池里,水面会不在同一水平面上。假如把管子沿着高低不平的地面埋下去,那么在有的地段上,管里的水就得向上流,——而古代的罗马人却怕水不会向上流。因此,他们一般常把全段水管装成平匀往下倾斜的(为了做到这一点,时常要使管子绕个大弯,或者要用高高的拱形支柱)。古代罗马的一条水道叫阿克瓦·马尔齐亚的,全长100公里,但是水道两端之间的直线距离,却只有这个数目的一半。只是因为不懂物理学的基本定律,竟多造了50公里长的石头工程!

 

  液体会向……上压!

  关于液体会向下加压力,压向容器的底部,会向侧面加压力,压向容器的壁,那即使没有学过物理学的人,也都知道得非常清楚。但是,液体还会向上加压力,这一点却有许多人没有想到。其实只要用一只普通煤油灯的灯罩,就可以帮助我们认识这种压力确实存在。用厚纸板剪一个圆片,要比灯罩口略大一些。把它复在灯罩口上,倒转来放到水里去,象图47所示。为了使那圆纸片不会从灯罩上脱落,可以用条细线穿在圆纸片中心,通过灯罩引到上面来,用手拉着线,或者,也可以直接用手指在底下托着纸片。等到这个灯罩渐渐沉到水底下一定的深度,这个圆纸片就会自己留在灯罩口上,不必再用线拉住它或者用手指托住它:现在托着它的已经是容器里的水了,是水从下向上向圆纸片在加着压力了。


  你甚至可以测出这个向上压力的大小。这很简单,只要小心地慢慢把水注到灯罩里去,等到灯罩里的水面接近灯罩外容器里的水面,这个圆纸片就会跌落下去。这就是说,纸片底下的液体向上所加的压力,恰好给纸片上面那个水柱的下压力平衡了,这个水柱的高度等于纸片沉在水面以下的深度。这就是液体对于一切浸在液体里面的物体所作用的压力的定律。有名的阿基米德原理告诉我们的,物体在液体里重量的“损失”,也是从这里产生的。

  如果找到几种罩口大小相同但是形状不同的灯罩,你就可以再做一次实验,来证明另外一个有关液体的定律,就是液体对于容器底部所加的压力,只跟底部面积和水面高度有关,却跟容器的形状无关。这可以这样来证明:按方才所说的实验方法用形状不同的灯罩来一次一次的做,每次把灯罩浸到一样深度(事先可以在灯罩的同样高度上用纸粘一条标志)。那么,你就可以看到,每次当灯罩里的水面达到了同样高度,那纸片就会跌落下去。这就是说,各种形状容器里的水柱,只要它们的底面积和高度相同,它们的压力也相同。请注意,这儿重要的只是高度而不是长度,因为比较长的、倾斜的水柱和比较短的竖直的水柱,如果水面高度相等,它们对于器底的压力(在相等的底面积上)也完全相等。



  哪一边比较重?

  天平的一只盘上放着盛满清水的水桶。另一只盘上放一只一模一样的水桶,也同样盛满清水,只是水上浮着一块木块。天平的哪一边要向下落呢?

  我曾经把这个问题问过许多人,得到不同的答案。有些人说有木块的那一边一定向下落,因为“桶里除水之外还多了一块木块”。另外一些人却提出相反的意见,他们认为应该是没有木块的那一边落下去,“因为水比木块更重”。

  但是,这两种答案没有一种正确:两边应该是一样重的。在第二桶里,固然水要比第一桶里少一些,因为那块浮着的木块要排挤掉一些水。但是,根据浮体定律,一切浮起的物体,会用它浸在水里的部分排出跟这物体同重量的水。因此,两边的重量是应该相等的。

  现在请你解答另外一个问题。我把半杯水放在天平的一只盘上,旁边还放一个小砝码。在另一只盘上加砝码使两边平衡。现在,我把杯子旁边那个砝码投进那杯水里。这架天平要起什么变化吗?


  根据阿基米德原理,这个砝码在水里是要比在水外轻些的,这样说来,那只放着杯子的天平盘就应该向上升起了,但实际上呢,整个天平仍旧是保持平衡的,这又怎样解释呢?

  原来砝码丢进杯里以后,排出了一部分的水,被排的水升高到原来的水面以上;因此增加了压向杯底的压力,这样杯底就受到了跟砝码所失重量相等的附加压力。

  液体的天然形状

  我们平常都认为液体没有一定固有的形状。这种想法其实是不正确的。所有液体的天然形状都是球形。可是一般因为有重力作用妨碍它保持这个形状,因此,如果它不是盛在容器里,就会变成薄层流散开去,如果盛在容器里就会变成跟容器一样的形状。一些液体如果停留在另一种比重相同的液体里,那么,按照阿基米德原理,它要“失去”它的重量:它就仿佛一点没有重量,重力对它不起一点作用,——那时候这个液体才显出了固有的天然的球形。

  橄榄油在水里会浮起,但是在酒精里却要沉落。因此可以用水和酒精混合成一种稀酒精液,使这油在这稀酒精液里既不沉落,也不浮起。用一只注射器把少许橄榄油注进这稀酒精液里,我们会看到一个奇怪的现象,这一些油竟凝成一个很大的球形的油滴,既不沉落,也不浮起,静静地悬在那里


  做这个实验的时候,一定要有耐心而且要仔细地动作,——否则的话,得到的会不是一滴大的,而是分散成比较小的几滴。当然,得到一些小油滴也还是很有趣味的。

  可是,我们的实验还要继续做下去。把一根细长的木条或金属丝通过这个油滴的中心,把它旋转起来。这个油滴也会跟着旋转起来。(假如在做这个实验的时候,能够把一片渍油的硬纸小圆片装在旋转轴上,使它能够整个放在圆球里面的话,那么结果就会更加美满。)圆球受到旋转的影响,开始变扁,几秒钟以后,会甩出一个圆环来。这个圆环分裂成许多小滴,每一小滴都变成球形,继续绕中央油滴旋转。

  这个有意思的实验,最早是比利时的一位物理学家普拉图做出的。我们现在说的就是普拉图的实验方法。但是,这个实验可以做得更加方便却同样有意思。这方法是这样的:“用清水把一只小玻璃杯冲洗干净,装上橄榄油,放到另外一只大玻璃杯的底上;然后仔细把酒精注到大玻璃杯里,使小杯整个浸在酒精里。然后,用一只汤匙小心地沿着大杯的杯壁添进一些水去。于是,小杯里的橄榄油面就逐渐向上凸起来;等到注进去的水已经相当多的时候,小杯里的橄榄油就完全从杯里升了起来,变成一个相当大的圆球,悬在酒精和水的混合液里。”


  手头没有酒精的时候,这个实验可以用苯胺代橄榄油来做。苯胺是一种液体,在平常温度比水重,但是在摄氏7585度的时候却比水轻。因此,只要把水加热,就可以使苯胺悬在水里,这时候苯胺也成球形。如果要在平常的温度里做这个实验,可以用食盐水代替清水,苯胺会悬在适当浓度的食盐水里



  为什么铅弹是圆形的?

  方才我们说过,一切液体,只要不受到重力作用,就会显出它的天然形状——球形。假如我们回忆到前面说过的自由落下的物体没有重量这一点,并且假定在落下的最初瞬间,我们能够把空气的阻力忽略不计的话,那么我们就会想象到,这个落下的液体一定也会是球形的。事实上,落下的雨滴的确是球形的。铅弹实际上就是冷凝了的熔融铅滴,它的制法也就是利用这一个道理,熔化的铅滴从高塔上落下来落到冷水里,凝固成正确的球形。

  这样做成的铅弹,叫做“高塔法”铅弹,因为是从一座高塔的顶上落下来制造的。所谓高塔是一个45米高的金属建筑,顶上装着熔铅炉,在下面是一个大水槽。制成的铅弹要再经过拣选加工。熔解的铅液实际上还在落下的路上就已经凝固了,水槽不过是用来减轻落下时候的撞击,以免损坏它的球形。(直径超过6毫米的铅弹却是用另外一种方法造成——把金属丝切成小段,然后一段一段地辗压成球形。)

  “没底”的酒杯

  你已经把水注满到杯子的边上,杯子里完全装满了水。在杯子旁边有一些大头针。或许,杯子里还可能找得出一点点地方来安放一二枚大头针吧?试试看。

 

  请你把大头针一枚一枚投进杯子里去,数着你投进去的数目。投大头针的时候要谨慎小心:要小心地把针尖放进水里,然后轻轻把手放开,不让有一点震动,也不加一点压力。你默默地数着:一枚,两枚,三枚,已经有三枚落到杯子底上了,——可是水面并没有变动。十枚,二十枚,三十枚了,杯里的水并没有溢出。五十枚,六十枚,七十枚……已经是整整一百枚大头针丢在杯底了,可是杯里的水仍旧没有溢出一点来。

 

  而且,还不只是没有水溢出来,甚至看不到水面有显著高出杯口的情形。再加多些大头针看看。二百枚,三百枚,四百枚大头针已经沉到杯底了,可是,仍旧没有一滴水从杯口溢出来;只是现在已经可以看到水面比杯口略略高起一些了。原来,这个奇怪现象的解答正在水面高起这一点。玻璃只要略沾些油污,便很难沾水;在我们杯口的边上,也跟一切常用的器具一样,难免由于人手的接触留下一些油脂的痕迹。杯口的边上既然不会沾水,那么,给杯里的大头针所排出的水就只好形成一个高起的凸面。这个凸面的高出程度很不显著,这只要花一点时间算出一枚大头针的体积来,拿它跟这个高起部分的体积比较一下,就知道大头针的体积只有高起部分的体积的几百分之一,因此在这个装满水的杯子里才能找出容纳几百枚大头针的地方。用的杯子杯口越大,可以容纳的大头针也越多,因为杯口越大,高起部分的体积也越大。

  要更清楚地了解这个问题,让我们做一个计算。一枚大头针大约25毫米长,0.5毫米粗。这样一个圆柱体的体积不难依照几何学


大约不超过5.5立方毫米。

  现在来算一算杯口上高起部分的体积,假定杯口直径是9厘米=90毫米。这样的圆面积大约等于6400平方毫米。如果我们把高起的水层的厚度算做1毫米,那么它的体积就是6400立方毫米,这就有大头针体积的1200倍。换句话说:一只装“满”水的杯子,竟可以容纳一千多枚大头针!而事实上,只要仔细地把针一枚一枚投进去,你的确能够把整千枚大头针投进杯里去,甚至这些大头针看起来已经满杯都是或者已经突出到杯口以外了,水却仍旧一点没有溢出来。

  煤油的奇异特性

  凡是用过煤油灯的人,大概都会有过这样一种经验:你把煤油灯装满煤油,然后把它的外壁擦得干干净净,但是过了一小时,你发现它的外壁又有煤油。

  这个现象说明煤油的一种特性。原来你没有把煤油灯加油口的盖子旋紧,因此,很想沿着玻璃表面流开去的煤油,就爬到了容器的外壁上。如果你想避免煤油的这一种麻烦,那么就得把盖子尽可能旋紧

  煤油这个“爬行”的特性,使得用煤油(或石油)做燃料的轮船感到非常头痛。在这种轮船上,假如不采取适当的措施,会完全不可能运载货物,除非是运煤油或石油;因为这种液体透过看不见的间隙“爬”出来以后,不但流遍了油箱的外面,并且会到处渗开去,甚至渗到乘客的衣服上。而对这种恶作剧斗争的许多尝试,却常常是没有效果的。

  英国幽默作家詹罗姆在一篇开玩笑的中篇小说《三人同舟》里讲到煤油的一段描写,并没有过分夸大,他写道:

  我不知道还有什么东西会比煤油更会向各方渗开的。我们是把它装在船头上的,它却从那儿偷偷地窜到船艄,一路上把所有的东西都染上它的气息。它渗透了船身接合的缝子,落进了水里,发散到空中,毒害了生命。有时候刮起了北面来的煤油风——这真是一种新奇的风;有时候是南面吹来的,有时候是东面或西面吹来的,但是不管它从哪一面吹到我们这儿来的,总是充满着煤油的气息。在黄昏的时候,这个气息减低了落日的奇观,而月光呢,也沉浸在煤油的气息里……我们把船系留在桥边,上岸到城里去走走——但是一阵可厌的气味始终追随着我们。仿佛整个城市都给这种气息渗透到了

  煤油这种会布满容器外壁的特性,常常使一些人认为煤油会透过金属和玻璃,这种想法自然是不正确的。

  不沉的铜圆

  铜圆在水里不沉,不但童话里有这种事情,就在实际上也有。你只要做几个简单的实验,就会相信这句话了。让我们从最细小的物件——缝衣针——开始。要使一枚针浮在水面,看起来是不可能的事,但是实际上这件事情做起来并不怎么困难。把一张薄纸放到水面上,上面放一枚完全干燥的针。另外用一枚针或大头针把薄纸慢慢压到水里去,从纸边开始一步一步压到纸的中心;等到全张纸都湿透了,它就会自己沉没下去,而针却仍旧留在水面上。假如你有一块磁石,那么你甚至可以把磁石放在杯子外面水面的旁边来控制针在水面上浮动。

  在相当的练习以后,你竟可以不用薄纸就把针放在水面上:只要用两只手指抓着针的中部,在离水面不远的地方水平地放下就可以了。

 

  你还可以用一枚大头针(不要比2毫米粗)、钮扣或者小巧的平面形的金属物件来代替缝衣针。等你这一些都已经会做而且熟练了之后,可以拿一枚铜圆去试试看。

  这些金属物品所以能够浮在水面上,原因是这些东西在我们手里蒙上了一层极薄的油,使得它们不容易沾水。正是因为这个缘故,漂浮着针的水面四周,形成了一个凹下去的表面,这种表面凹下去的情形我们甚至能够看得出。液体(水)的表面薄膜一直在想恢复原有的平面,因此对针发生从下向上的压力,支持了针不会沉下去。此外,针所以没有沉下去,还受到液体排斥力的作用,因为,根据浮体定律:针所受到的从下向上的排斥力量(浮力),等于它所排开的水的重量。

  使缝衣针漂浮的最简单的方法,是事先把它涂上一层油;这种针可以直接放到水面去也不会沉下。

  筛子盛水

  连用筛子盛水这样的事情也不只是在童话上才有。物理学的知识帮助了我们做到这件一般认为不可能的事情。拿一个金属丝编成的直径15厘米大小的筛子,筛孔不必太小(大约在1毫米上下),把筛网浸到熔化的石蜡里。然后把筛子拿起,金属丝上就复上一薄层人的眼睛几乎看不见的石蜡。

  现在,筛子仍旧是筛子,——那儿有可以透过大头针的孔,——但是现在你已经能够用它来盛水了。在这种筛子里,可以盛相当高的水层,不会让水透过筛孔漏下来,只要你盛水的时候小心些,并且不要让筛子受到震动就可以了。

  为什么水不会漏下去呢?因为水是不会把石蜡沾湿的。因此,在各筛孔里造成了向下凹的薄膜,正是这个薄膜支持了水层不漏下去。

  假如把这浸过石蜡的筛子放到水上去,那么它就会留在水面上。可见这筛子不但可以用来盛水,而且还能够在水面上浮起。

 

  这个看来好象奇怪的实验,解释了我们平日看惯了的却没有好好想过的许多最普通的现象。木桶和小艇上涂松脂,塞子和套管上抹油,以及所有我们想要做成不透水的物体上都涂上油漆之类,还有在织物上涂敷橡胶,——这一切,目的无非跟方才筛子浸石蜡一样。总的目的是一样的,不过在筛子的情形更显得特别罢了。

  泡沫替技术服务

  钢针和铜圆浮在水面的那个实验,跟矿冶工业上用来选出矿石里的有用矿物的方法很相象。选矿的方法有许多种,我们这儿讲的“浮沫选矿法”是最有效的一种。在别种方法不能够完成任务的时候,这个方法仍旧可以应用得相当成功。

  浮沫选矿法的实际情形是这样的:把轧得很碎的矿石装到一只槽里,槽里盛水和油,这油有一种特性,能够在有用矿物的粒子外面包起一层薄膜,使粒子不沾水。通空气把这混合物强烈搅动,就产生许多极小的气泡——泡沫。包有薄油膜的有用矿物的粒子一跟空气泡的膜接触,就会连在气泡上,随着气泡升起,跟大气里的气球把吊篮升起一样。至于没有油膜的别种粒子,却不会附到气泡上,就仍旧留在液体里。应该注意,空气泡的总体积要比那些有用矿物的粒子的总体积多许多,因此气泡是能够把这些固态的矿屑带到上面去的。结果,有用矿物的粒子几乎全部附着到泡沫上,浮到液体的表面来。把这层泡沫刮下来去继续处理,这里所含的有用矿物就比原始矿石所含的丰富几十倍。

 

  在今天,浮沫选矿法在技术上已经研究进步到很高的水平,只要选择适当的液体,可以从随便什么成分的矿石里把每一种有用的矿物都提出来。

  浮沫选矿法虽然在工业上已经有了广大的应用,但是这个方法的物理作用方面,却还没有透彻明白。在这件事情上,实践走在理论的前面。浮沫选矿法不是从理论上产生的,而是从一件事实的仔细观察上产生的。在前世纪末期,有人在洗濯装过黄铜矿的染满油污的麻袋的时候,发现黄铜矿的细屑跟着肥皂泡浮了起来。这件事情推动了浮沫选矿法的发展。

  想象的“永动机”

  许多书上谈到“永动机”的时候,时常把下面一种当做真正的“永动机”来描写:盛在一个容器里的油(或水),给灯芯吸到上面的一个容器里,然后经过另一批灯芯的作用,吸到更高的容器里;最上面这个容器有一个流出口,让油从这里流下去,冲在下面一个轮子的叶片上,使轮子转动。以后,流到底下一个容器里的油又给灯芯吸到最上面的容器里。于是,上面那个流出口就会不断有油流下来,不断地冲在轮子上,轮子也就会永远不停地旋转下去……。

 

  但是,假如描写这种转轮的作者们肯花一些工夫去把它制造出来,那么一定就会发现,不但这个轮子不会转动,甚至连一滴油都不可能升到最上面的那个容器里!

  这样简单的道理,其实根本不必把轮子造出就可以明白。真的,为什么发明人认为液体吸到灯芯的曲折的地方以后要从上面向下流呢?既然毛细作用胜过了重力,使液体沿着灯芯上升,那么同样的原因就会支持这个液体,不让它从灯芯上流下来。退一步说,即使我们假定毛细作用果然能够把液体吸到上面的那个容器里,那么,方才那个把液体吸上来的灯芯,就又会把这液体送回到下面的容器里去。

  这架想象的永动机使我想起了另一架“永恒运动”的水力机来:这是四百年前(1575年)一位意大利机械师斯脱拉达·斯泰尔许发明的。他的设计见图59。一只螺旋排水机在旋转的时候把水升到上面的槽里,然后从一个流出口流下来,冲在一只水轮上。这个水轮带动了磨刀石,同时通过一组齿轮带动了方才说的那只螺旋排水机,把水提升到上面的槽里。这样,螺旋排水机转动水轮,而水轮转动螺旋排水机!……假如这一类机械是可能的话,那么,照下面的方法做就更加简单:把一条绳子绕过一个滑车,绳子两端各系一个一样重的砝码,那么,每一个砝码落下来的时候,它就把另外一个拖了上去,当这个砝码从上面落下来的时候,又把第一个带上去了。它们不也就成了“永动机”吗?

 

  肥皂泡

  你会吹肥皂泡吗?这件事情并不象想象的那么简单。我本来也认为吹个肥皂泡不需要什么技巧,但是,事实却告诉我,要想吹出又大又漂亮的肥皂泡,也的确是一种艺术,是需要好好练习的。那么,象吹肥皂泡这样简单平常的事,也值得去干吗?

  是的,这玩意儿在日常生活里是并不受到特别欢迎的,至少在谈话里我们对它不太感觉兴趣;但是,物理学家对它却有不同的看法。“试去吹出一个小小的肥皂泡来,”物理学家说,“仔细去看它:你简直可以终身研究它,不断地从这儿学到许多物理学上的知识。”

  事实上,肥皂泡薄膜面上诱人的色彩,使物理学家可以量出光波的波长,而研究娇嫩的薄膜的张力,又帮助了关于分子力作用定律的研究,这种分子力就是内聚力,如果没有内聚力,世界上就会除了最微细的微尘之外什么也没有了。

  当然,我写出下面这几个实验的目的,并不是要来探讨这些重大的问题。我这里写的只是一些引人入胜的消遣,只是用来使你对吹肥皂泡的艺术有一个认识。在波依斯著的《肥皂泡》那本书里,有很多关于各种肥皂泡实验的详尽说明。我这里只谈几个最简单的实验。

  肥皂泡可以用普通洗衣服的黄肥皂的溶液吹出,但是对于这件事情真有兴趣的人,我介绍他采用橄榄油或杏仁油肥皂,因为这两种肥皂最适宜吹制又大又漂亮的肥皂泡。把一小块这种肥皂小心放在清洁的冷水里溶化,最好用洁净的雨水或雪水,如果没有的话,至少也得用冷却了的开水。如果想使吹出

  一只小茶匙把溶液上层的泡沫去掉,然后把细瓷管或细笔管的一端里外两面擦过肥皂,放到溶液里去。用10厘米左右长的细麦秆也可以得到很好的成绩。

  肥皂泡可以这样吹:把管口竖直的放到溶液里,使得管口上蘸上一层溶液膜,拿起来小心地吹。由于肥皂泡里装进了从我们肺部出来的暖气,这气体比房里的空气一般要轻些,因此吹出的泡就会向上升起。

  假如一下子就能够吹出10厘米直径大小的泡来,那么所配成的溶液就可以用了;否则就要在溶液里加些肥皂,一直到能够吹出这样大小的泡为止。但这还不够。把肥皂泡吹出以后,用手指蘸些肥皂液,试去插进肥皂泡里去,假如肥皂泡不破裂,那就可以做下面的实验了;如果肥皂泡破裂了,那么还得加些肥皂到溶液里去。

  各个实验一定要仔细耐心地去做。房里的光线一定要尽可能充足,否则,吹出的泡上看不到美丽的虹彩。

  下面是几个吹肥皂泡的有趣的实验。

  花朵四周的肥皂泡:拿一些肥皂液倒在一只大盘里或者茶具托盘里,倒到大约2?3毫米厚的一层;在盘子中心放一朵花或者一只小花瓶,用一只玻璃漏斗把它盖起。然后缓缓把漏斗揭开,用一根细管向里面吹去,——于是就吹出一个肥皂泡来;等到这个肥皂泡达到相当大小以后,把漏斗倾斜,让肥皂泡从漏斗底下露出来。于是,那朵花或者那只小花瓶就给罩在一个由肥皂薄膜做成的、闪耀着各种虹彩的透明半圆罩子底下了。

  如果手头有一个小型的石膏人象,也可以用来代替方才的花或者花瓶。这应该先在石膏人像头上滴一点肥皂液,等到大肥皂泡吹成以后,把管子透过大肥皂泡膜伸进去,把人象头上的小肥皂泡也吹起来。

 

  一个套一个的肥皂泡:用方才那个漏斗先吹出一个大肥皂泡来,然后把细长的管子整个浸到肥皂液里,使它除了含在嘴里的一部分之外,全段都蘸上了肥皂液,然后小心地把这根管子插进大肥皂泡的膜里,一直伸到中心,再慢慢地抽回来,到离大肥皂泡的膜不远的地方,吹出第二个泡来,然后在这个泡里吹出第三个,第四个,等等。

  肥皂膜造成的圆柱体:先准备两个铁丝圆环。把吹好的肥皂泡放在下面一个环上,把沾有肥皂液的另一个环从上面轻轻放到肥皂泡上,然后,把这个环慢慢向上提,把泡拉长,一直到它成圆柱形为止。有趣的是,假如你把上面的圆环提高到比圆环圆周长更大的高度,圆柱的一半就收缩起来,另一半却放宽起来,终于变成了两个泡。

  肥皂泡的薄膜总是在张力的作用之下,而且对于它里面的空气有压力;把吹有肥皂泡的漏斗口放近蜡烛火焰的话,可以看到这样薄的薄膜的力量并不算小,火焰会显著地向一边倾斜开去。


  肥皂泡还有一个有趣的现象:你把它从温暖的房间带到比较冷的地方,它就会缩小体积。相反地,如果从冷的地方带到热的地方,体积就会胀大。原因当然是泡里空气的热胀冷缩。假如在摄氏零下15度的时候,这个泡的体积是1000立方厘米,那么,当它走进到温度是零上15度的房间里,体积应该增加110立方厘米:


  我们还应该指出,一般人认为肥皂泡的“寿命”太短,这一点,是并不完全正确的:如果给它适当的照顾,可以使肥皂泡保存到几十天。英国物理学家杜瓦(他因对液化空气的研究而著名)把肥皂泡保存在特制的瓶子里,排除尘埃,防止干燥和空气的振荡,可以把肥皂泡保存到一个月或者还不止。有人把肥皂泡保存在玻璃罩下面,一直保存了好几年。

 

  什么东西最细最薄?

  许多人大概还不知道肥皂泡的薄膜是人的眼睛能够辨别的最细最薄的东西的一种。我们一般形容东西很细很薄的,常常说“跟头发一样细”,“跟一张纸一样薄”,但是这些用来做比喻的东西如果跟肥皂泡的薄膜相比,那就相差太远了。肥皂泡的薄膜只抵得上头发或者薄纸的5000分之一厚!一根头发,放大到200倍,大约等于1厘米粗细,但是肥皂泡薄膜的截面即使也放大到200倍,仍旧薄得我们简直没法看清楚。得把这薄膜截面再放大到200倍,才能看得出有一条细线那样粗;而一根头发如果也再放大到200倍(一共放大到40,000倍!)就会有2米的粗细了。图63就是表明这一些关系的。

 

  要从水里拿东西不把手沾湿

  把一枚铜圆放在平底的大盘里,倒上清水,把铜圆淹没,然后,请你用手把铜圆拿出,却不许把手沾湿。

  这个好象根本不可能的题目,只要一只玻璃杯和一张燃着的纸就可以解决。把纸燃着,放到杯子里,很快把杯子倒转,盖在铜圆附近的盘上。纸烧完了,杯子里满是白烟,过了一会,盘里的水竟自动流到杯里去了。这时候那个铜圆当然还留在盘上,只要少许等一会,等它干了,就可以把它拿出来,这时候你的手就可以一点不沾水。

  是什么力量把水赶到杯里去,使它支持在某一个高度却不落下来呢?这是空气的压力。燃着的纸烧热了杯里的空气,空气的压力增加了,就把一部分空气排了出去。等纸片烧完以后,杯里的空气又冷了下来,压力也跟着减低了,外面空气的压力就把盘里的水赶进杯子里去了。

  不用纸片,拿两根火柴插在一只软木塞上点着了,象图64所示的样子,也可以得到同样结果。

 

  我们时常听到甚至读到一些对于这个实验的不正确的解释。说甚么纸片燃着后,“烧去了杯里的氧气”,因此杯里的气体减少了。这种解释是完全不正确的。主要的原因是由于空气的受热,而完全不是什么纸片烧去了一部分氧气。这一点的证明就是,第一,这个实验可以完全不用燃烧纸片,只要把杯子在沸水里烫过也可以。其次,假如用浸透酒精的棉花球来代替纸片,那么,因为它可以燃烧得更久,把空气烧得更热,水也就几乎可以升到杯子的一半;但是,大家都知道,空气里的氧只占全体积的五分之一呀。最后,还有一点可以提出,就是,“烧去”了氧却生出二氧化碳和水汽,它们会占据氧的位置的。

  我们怎样喝水?

  咦!难道连这样一个题目还有什么值得去想一下的吗?当然,我们已经习惯把杯子或茶匙放到嘴唇边,把里面装着的液体“吸”进去。正就是这个我们已经非常习惯了的简单的“吸”的动作,需要解释一下。真的,为什么液体会流进我们的口腔去呢?是什么东西使它流进去的?原因是这样的:在喝水的时候,我们一定要把胸腔扩大,这样就把口腔里的空气抽去,使口腔里的压力减低;于是,在外面的空气压力作用之下,液体就要流到压力比较小的地方——流进到口腔里去了。这里发生的现象,跟连通管里的液体所发生的完全一样,假如我们把在连通管的一个管里液面上的空气抽稀薄,这时候,由于大气压力的作用,连通管这一个管里的液面就会升高。相反的,如果你用嘴唇严密地裹着一只盛水的瓶的瓶口的话,那么即使你用很大的力,也不可能从瓶里吸出水来,这是因为嘴里空气的压力和瓶里水面上的压力完全相等的缘故。

  所以,严格地说,我们喝水不只是用嘴巴,还用肺部;就因为肺部的扩张才使水流进到我们嘴里去。

  漏斗的改善

  假如你曾经用过漏斗把某种液体注到玻璃瓶里去,你一定有这样的经验,就是一定要常常把漏斗向上提起—下,否则液体就会留在漏斗里,不流下去了。这是因为瓶里的空气没有排出去的路,因此它的压力阻碍了漏斗里的液体流进去。起初固然也会有一些液体流下去,这是因为瓶里空气受到压力的作用,略略缩小一些的缘故。但是,空气的体积一压缩,压力也就增高了,就会抵住了漏斗里的水的压力。因此,假如不把漏斗提起,让压缩的空气逸出,漏斗里的水是不可能继续流进瓶里去的。

  因此,最实际的办法是把漏斗的外面做成瓦楞形,使漏斗架在瓶口上以后,仍旧留出许多间隙,让瓶里的空气往外流。这样构造的漏斗在平常还没有见到应用;在实验室里却已经有用这样构造的漏斗的了。

  一吨木头和一吨铁 

  大家都知道这个用来开玩笑的问题:一吨木头和一吨铁,哪一个重些?有人不想一想就回答一吨铁重些,常常引起大家的哄笑。

  假如回答的人说一吨木头重些,那么大家就要笑得更厉害了。这样的说法,好象一点没有根据,可是严格地说,这个答案却是正确的!

  问题在于阿基米德原理不但在液体方面适用,在气体上也适用。根据这个原理,每个物体在空气里所“失”的重量,等于给这物体所排开的同体积的空气重量。

  木头和铁,在空气里当然也要失去它们的一部分重量,要求出它们的真正重量,得把所失的重量加上去。因此,在我们这个题目里,木头的真正重量应该等于1吨加上跟这块木头同体积的空气重量;而铁的真正重量应该等于1吨加上跟这块铁同体积的空气重量。

  但是,一吨木头所占的体积,要比一吨铁多得多(大约等于铁的15倍),因此,一吨木头的真正重量要比一吨铁的真正重量大!说得更明确些,我们应该说成这个样子:在空气里重一吨的木头的真正重量,要比在空气里重一吨的铁重些。
  

这两种物体排出的空气相差大约2.5公斤。你看,一吨木头实际上要比一吨铁就重出这么多!

  没有重量的人

  大概许多人小时候就有过一种幻想:假如自已变成和羽毛一样轻,甚至比空气还轻,那就可以免除那个讨厌的引力的作用,自由自在地高高升到天空去,飘游到各地,那该多么好呢!但是,这样想的时候忘记了一件事情,就是人所以能够在地面上行动,只是因为人比空气重。实际上,托里析利说过,“我们人是生活在空气海洋的底上的”,因此,假如我们不管什么原因突然变轻了,变得比空气还轻,就不可避免地要向这个空气“海洋”的表面升起。那时候我们的遭遇就会跟普希金所写的“骠骑兵”那样:“我把整瓶都喝光了:信不信由你,我可突然象羽毛般地向上飘起了。”那时候我们会升到好多公里高,一直升到那里稀薄空气的密度跟我们身体的密度相等的地方为止。而你原来打算自由自在地在山谷、平原上盘旋游历的想法,也完全破灭了,因为,你从引力的约束下面解放出来了,却立刻又成了另外一个力量的俘虏,成了大气流的俘虏了。

  作家威尔斯曾经把这种不寻常的处境选做他的一部科学幻想小说的主题。

  一位非常臃肿肥胖的人,多方想法减轻他的体重。这篇小说的主角恰好有一种神奇的药方,吃下这种药会使胖子减轻体重。这个胖子向他要了药方,照着把药服了下去,于是,当那位主角去探望这个朋友的时候,下面这样出乎意外的事件使他大吃一惊。他敲了敲房门:

  门许久还没有开。我听到钥匙的转动声音,然后,听到了派克拉夫特(胖子的名字)的声音:

  “请进来。”

  我旋动了门柄,打开了房门。自然,我以为一定可以看到派克拉夫特了。

  可是,你猜怎么样,——他不在房里!整个书房都零乱得很,碟子和汤盆放在书本和文具中间,几张椅子都翻在地上,可是派克拉夫特却不在这儿……

  “我在这儿哪,老兄!请把门关上,”他说。这时候我才把他发现。


  这个人竟在天花板底下,靠门的那个角落上,好象给人粘在天花板上似的。他的脸上带着恼怒和惊惧的表情。“如果有些什么差池,那么,您,派克拉夫特先生,就会跌下来把头颈跌坏的,”我说。

  “我倒情愿跌下来呢,”他说。

  “象您这样年纪和体重的人,竟做这种运动……可是,真的,您是怎样支持在那儿的呀!”我问。

  突然我发现竟是一点也没有什么支持他,他是飘浮在那上面,就象一个吹胀了的气球。

  他用力打算离开天花板,想沿墙壁爬到我这儿来。他抓住一只画框,但是那画框跟着他过去了,他就又飞到了天花板底下。他撞到天花板上,这才使我明白他的膝肘各部所以沾上了许多白粉的缘故。他重新用更大的细心和努力,想利用壁炉落下来。

  “这个药方儿,”他喘息着说,“简直太灵验了。我的体重几乎完全消失了。”

  这一下我一切都明白了。

  “派克拉夫特!”我说,“您其实只需要治好您的肥胖病,但是您却一直把这叫做体重……好,别忙,让我来帮助你吧。”我说,一面捉住这位不幸的朋友的一只手,把他拖了下来。

  他想站稳在什么地方,就在房间里乱蹦乱跳。真是一件不可思议的怪事!这就跟在大风里想拉住船帆的情形一样。

  “这张桌子,”不幸的派克拉夫特说,他已经跳得非常疲惫了,“很结实,很笨重,把我塞到那底下去……”

  我这样做了。可是,虽然他已经给塞到桌子底下,还仍旧在那儿摇晃着,跟一只系留着的气球一样,一分钟也不肯安静。

  “有一件事情要提醒您,”我说,“您千万别想跑到屋子外面去。如果您跑到屋外,那您就会飞升到高空去……”

  我提醒他要对他现在这个新的处境想好办法。我暗示他可以学会在天花板上用两只手走路,这大概不会有什么困难的。

  “我没法睡觉,”他抱怨说。

  我教给他在铁床的钢丝网上缚好一个软褥子,把一切垫在床上的东西用带绑在那上面,把被也扣在铁床的边上。

  人们给他搬了一架木梯进来,把食物放到书橱顶上。我们还想出了一个绝顶聪明的办法,使派克拉夫特能够随时落到地板上,这办法很简单,原来《大英百科全书》是放在敞开着的书橱的最上一层的,胖子只要随手拿两卷书在手里,他便会落到地板上来了。

  我在他的家里整整待了两天,两天里面我用小钻和小锤想尽办法给他做了一些奇怪的用具,给他装了一条铁丝,使他能够去按唤人铃,等等。

  我坐在壁炉旁边,他呢,挂在他自己喜欢的那个角落上,正在把一张土耳其地毯钉到天花板上去,这时侯我起了一个念头:

  “哎,派克拉夫特!”我喊道,“我们这些事情都多做了!在衣服里面装一层铅衬里,不就一切都解决了吗!”

  派克拉夫特高兴得差一些要哭出来。

  “去买一张铅板,”我说,“衬在衣服里面。靴子里也要衬上一层铅,手里再提一只实心铅块做成的大手提箱,那就行了!那时候您就不必再待在这儿,简直可以到国外去旅行了。您更用不着担心轮船出事,万一出了事只要把身上的衣服脱去一部或者全部,您就可以在空中飞行。”

  上面所说的初看仿佛跟物理学上的定律完全符合。但是,这篇故事里也有一些问题应该提出来。最重要的一点是,即使体重全部消失了,胖子也并不可能升到天花板底下去!

  事实是这样的:根据阿基米德原理,派克拉夫特只有在他衣服连同口袋里的物体的总重量比他那肥胖身体所排开的空气的重量小,才能“浮起”到天花板底下去。要算出一个人体体积那么多的空气重量也不难,只要我们知道人体的比重大约跟水相等。我们平均体重大约是60公斤,可知同体积的水重也是这么多,而空气的比重一般只有水的770分之一,这就等于说,跟人体同体积的空气大约重80克。我们的派克拉夫特先生,再胖也恐怕不会超过100公斤,因此,他所排开的空气最多也不会超过130克。那末,难道这位先生的衣、裤、鞋、袜、日记册、怀表以及别的小东西的总重量会不超过130克吗?当然是不止这一些重的。那么,这位胖子就应当继续停留在房里的地板上,虽然相当不稳定,但是至少不会“象系留气球那样”,浮到天花板上去。他只有在完全脱掉衣服之后,才真正会浮上去。如果穿着衣服,他只应当象绑在“跳球” 上的人一样;只要稍稍用一些劲,比方说轻轻的一跳,就会把他带到离地面很高的地方,如果没有风,就又慢慢地落下来。

  “永动”的时钟

  我们在这本书里已经谈到好几种想象的“永动机”,而且也解释过发明永动机是没有希望的。现在我再来谈一谈一种“不花钱”的动力机,所谓“不花钱”的动力机,就是不要什么人照顾,却能够长时期工作的机械,这种机械所需要的动能是从四周的自然环境里得到的。

  大家大概见过气压计这个东西吧。气压计有两种:水银气压计和金属气压计。在水银气压计里,水银柱的上端随时跟着大气压力的变化升起或降下;在金属气压计里,在大气压力变化的时候,指针会跟着摆动。

  十八世纪时候,一位发明家利用了气压计的这种运动来发动时钟的机械,他就这样造出一只时钟,能够不要外力就使钟自动地走起来,而且可以不停地走着。英国的有名机械师和天文学家弗格森看到这个有趣的发明以后,曾经这样评价(在1744年)道:“我仔细观察了上面说的那只时钟,它是由一个特别装置的气压计里的水银柱升降带动的;我们没有理由可以相信这只钟会在什么时候停下来,因为贮藏在这只时钟里的动力,即使把气压计完全拿走,也已经可以维持这只钟走一年之久。我应该率直地说,根据我对于这只时钟的详细的考察,无论在设计上或者制造上,它的确是我见到过的机械里最精巧的一种。”

  可惜这只时钟没有能够保留到今天,它给人抢走了,现在藏在什么地方也没有人知道。不过现在还留下来那位天文学家所作的构造图,因此还有可能把它重新制出来。

  在这只时钟的构造里,有一只大型水银气压计。盛水银的玻璃壶挂在一只框架上,一只长颈瓶倒插在这玻璃壶里,在玻璃壶和长颈瓶里一共装了150公斤水银。玻璃壶和长颈瓶是活动的,可以移上或移下。当大气压力增加的时候,一组巧妙的杠杆会把长颈瓶移下,玻璃壶移上;气压减低的时候,相反的把长颈瓶移上,玻璃壶移下。这两种运动会使一只小巧的齿轮总是向一个方向转。只有大气压力完全不变的时候,这个齿轮才完全静止不动——但是在静止的时候,时钟仍旧会由事先提升上去的重锤落下的能量继续带动。要使重锤能够提升上去而又要靠它的落下来带动机械,是不容易做到的,但是古时候的钟表匠却很有发明能力,把这个问题解决了。气压变动的能量太大,超过了需要,使得重锤提升上去比落下来更快;因此得有一个特别的装置,等到重锤提升到不能再高的时候,会让它自由地落下去。

 

  这种或者类似的“不花钱”的动力机,跟所谓“永动机”有重大的、原则性的区别,这个区别不难看出。在“不花钱”的动力机里,动力不是象永动机的发明家所想的那样“无中生有”,它们的动能是从机械外面得到的,在我们这个例子里就是从四周的大气得到的,而大气是从太阳光得到这些能量的。“不花钱”的动力机实际上是跟真正“永动机”一样经济的,只是这种机器的制造成本跟它所得到的能量来比嫌太贵了些。

  下面我们还要讲到另外一类“不花钱”的动力机,那时候我们预备举例来说明,为什么这种动力机在工业上采用时常是很不合算的。