第20章（1 / 1）

蜡烛燃烧不久以后熄灭，它或它们周围的空气逐渐冷却而收缩，而收缩的比例则与玻璃杯所扣住的空气收缩前的平均温度成正比。多支蜡烛会产生比较多的热量，杯子内的空气被加热后平均温度自然更高，于是，在空气冷却下来收缩以后，杯子里的水面便会上升得更高。两位小朋友自己用实验来证明通行教科书上那种认为是氧气被耗尽的关于蜡烛、倒扣的玻璃杯和水盆实验结果的错误解释，真的是很了不起。

观察到实验中用四支蜡烛，水面明显上升更高，这就证明了这种现象主要是由于蜡烛加热，使玻璃杯里的气体发生膨胀造成的。两位小学生肯定还注意到了杯子里的空气因膨胀而从杯子口溢出时发出的汩汩声。蜡烛熄灭之后这声音随之消失，不一会，随着杯子内剩余空气冷却和收缩，水面就开始升高。

杯子里的氧气只要被消耗掉一个不大的比例，蜡烛就会熄灭。因此，想用这个实验来定量说明氧气在空气中所占的比例肯定是不行的。

这种效应有一部分原因是增加的三支蜡烛具有一定的粗细，增加了蜡烛的总的横截面积的缘故。只用一支蜡烛，但蜡烛的粗细不同，也能看到这种效应。蜡烛越粗，水面上升得越高。

被吸进杯子里的水，占据的是杯子里被蜡烛占据后剩余的空间，这个空间的横截面积越小，水面上升得越高。

坠落的电梯

假定你乘的电梯发生严重事故突然自由下落，你有什么办法来减小电梯猛然撞地给你带来的伤害吗？如果在电梯撞地前的一刹那跳到空中，会有用吗？

这真像是好莱坞电影搞的一个噱头，不过，这种事情几乎是不会发生的，因为现在的电梯全都安装有早在19世纪由以利沙·奥蒂斯发明的加速度感知安全制动系统，保证电梯不会在电梯竖井内坠落。这个系统有许多根装有弹簧的安全臂，万一电梯开始坠落，安全臂就会弹出，伸进竖井，托住电梯。

假如真的发生电梯坠落事故，为了多一些生存的机会，你的最佳选择是仰面躺在电梯的地板上，两手垫在头部下面，尽可能减小身体受到的冲击。不过，这时你也处在自由下落状态，要做出这个动作也很难。

在即将撞地之前跳到空中，仅仅能够将你身体受到冲撞的时刻延迟几毫秒而已。其实，连这种延迟都做不到：你如何能够知道在何时起跳？稍微跳早一点，你的头部就会狠狠地撞在天花板上，随后，再在电梯撞地之时更重地撞在地板上。

即使你能够精确地掌握起跳的时刻，你还得两腿用力精确，保证你跳起的高度正好是电梯下落的距离（比如说，如果电梯下落100米，你也需要跳到空中100米，才能以这种方法拯救自己）。如果这些你都能够做到，那么也许值得一跳。

你如果在电梯撞地前的一刹那跳起，而且假定相对于电梯起跳的初速度正好是电梯下落的速度的话，你的头将会迅速撞到电梯的天花板。事实上，这时你根本没有重量，或许只有猛拉扶手可以使你离开地板。

幸好，就在你要撞到天花板之前，电梯的天花板会突然以很大的加速度迅速躲开你的头（假定电梯撞地以后形状保持不变），直到它获得同你一样的向上（相对）速度。电梯撞地时，地板也同天花板一样有一个同样大小的向上加速度，不过是在朝向你的方向。紧接着，你便从距离地板十多厘米的高度轻轻地着陆（此时地板也已经具有同你一样的向上相对速度），踏在着陆的电梯地板上走出电梯。

不过，真要这么做难度非常大。为了跳起来达到同电梯下落速度相同的向上速度，你必须使跳起的高度正好是电梯下落的距离。退一步说，即使这些你都能够做到，估算起来，你起跳时的加速度就应该同你重重地撞在地上所受到的撞击加速度差不太多。

我想出三个办法也许在万一遇上电梯坠落事故时能够增加幸存下来的机会，尽管效果微乎其微。第一个办法是前面读者已经提到过的，即在电梯即将撞地前用劲全力向上一跳，以抵消撞地时产生的一部分向上冲击。第二个办法是用什么软东西垫在脚下，比如说用卷成一团的衣服。这可以增加一点撞击产生负加速度的持续时间，多少降低一些受伤程度。你如果不介意的话，还可以上身挺直，曲膝，使两腿形成罗圈腿的样子。不过这个样子很难看。下面这第三个办法效果最差，但也可以试试。这就是平躺下来，把身体尽可能展开，以增加接触电梯的表面积。这多少可以减小一点下落的收尾速度。

这个问题，用物理学的能量守恒定律和动量定理进行分析最为直截了当。结论是，在坠落的电梯里跳到空中毫无用处。根据能量守恒定律，随电梯一起自由下落的物体，它在开始坠落时具有一个与高度成正比的势能，在加速下落的过程中此势能逐渐转化为动能，抵达地面时，全部势能都变成动能（动能等于原来的势能），从而获得了体现此动能的速度（动能等于速度的平方与质量的乘积的一半）。这就意味着，抵达地面时的速度完全是由开始坠落时的高度所决定的。根据动量定理，撞击地面的物体从减速到停止的过程中所受到的冲击力的大小与物体的速度成正比，而与撞击持续时间成反比。在此问题中，撞击时间同地面软硬和电梯的结构有关，因此，落地时受到的冲击力便只取决于落地时的速度，也就是说，是由开始坠落时的高度预先决定了的。在坠落的电梯中，其中的人无论怎样折腾都改变不了他最终落地的速度，自然也就改变不了撞地时所受到的冲击力的大小。

能量守恒定律和动量定理是物理学中两个比较抽象的自然定律，利用这两个定律，在许多问题中可以由初始条件预测结果，而不必考虑过程的复杂具体细节。这种推理方法，有些人会觉得"强词夺理"，难以接受。事实上，如果靠直觉或进行过程分析所得到的结果与用这两个定律导出的结果相矛盾的话，那么肯定是直觉错误或者在进行过程分析时忽略了某些起关键作用的因素。这是因为，过程分析是就事论事，难免考虑不周，而能量守恒定律和动量定理是业已经过大量普遍现象证实的两个物理规律——译者

作者：（英）米克·奥黑尔编著，王鸣阳译

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