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第10章 趣味篇(9)

用这个道理可以解释法国飞行员在空中能顺手抓住一颗飞行的子弹。其研究对象是子弹,射出的子弹在空中飞行时,由于受到阻力影响,速度将逐渐减小,当子弹到达飞行员和他驾驶的飞机(驾驶舱不密闭)旁边时,如果子弹正好与飞机同向,且飞行的速度相同(或差不多),选飞机为参照物,因子弹与飞机之间没有位置变化,所以子弹相对于飞机来说就是静止的,飞行员顺手把它抓住自然就不会受到伤害。

例:在一条行驶得十分平稳的船的甲板上,头尾分别立有两个靶子。有两名射手,一个在船头,一个在船尾,用同样的枪支同时向对面靶子射击,问谁的子弹先打中靶子?(设子弹飞行速度相同)。

若选河岸为参照物,则在船头射出的子弹除有一速度外,船尾靶子还有一个迎着子弹的速度(船行速度);在船尾射出的子弹除有一速度外,船头靶子还有一个远离子弹的速度(船行速度)。显然,按上述思路是很难做出正确解答的。

若选行驶的船为参照物,人、靶子都是静止的,本题就很容易得到答案:用同样的枪支射出的子弹相对于船的速度相等且不变,因此站在船头、船尾的人同时向对面靶子射击时,两人射出的子弹将同时击中靶子。

32.为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来

过山车是一项富有刺激性的娱乐活动。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话。那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感,还有助于理解力学定律。实际上,过山车的运动包含了许多物理学原理,人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果,那感觉真是妙不可言。

速率(有方向的速度)的改变称为加速度。一个物体加速、减速或改变方向,称之为加速度。大部分大型游乐设备利用加速度,当下坡或急速转弯时,设备可能提高速率;当上坡或沿直线运动时,设备可能减小速率。当过山车下坡,地心引力使车体运动的速度越来越快,这是加速度;当过山车上坡,车体运动的速度越来越慢,这是减速度。过山车的加速度与车体的质量和推拉的动力有直接的关系。

当过山车沿着回环运动,向心力发生作用。向心力是物体沿着圆周运动而产生的。例如当你沿着下滑曲线向地面运行,地心引力使过山车沿直线作下滑运动,但是轨道是曲线的,向心力又使过山车沿曲线运动。乘客在过山车上的感觉是被抛离轨道,但是地心引力又使车体的的确确运行在轨道上作圆周运动,所以指向圆周或曲线内部的动力是必需的。对于指向圆周或曲线内部的动力,称之为向心力。这样人就不会被甩出去。

能量的守恒定律:能量可以从一种形式转化为另一种形式,但是不会自动生成和消失。当马达驱动过山车攀登到达第一个坡度,过山车储存越来越多的势能。当重力牵引过山车沿斜坡下滑,势能又转化为动能。斜坡上离顶部越远,势能转化为动能就越多,乘客能感觉到速度的加快。在斜坡的最底部,速度最快。当车体攀登第二个山坡,动能又逐渐转化为势能,过山车的速度逐渐减慢。高度越高,意味着动能转化为势能越多。这个动能势能的转化守恒定律,保持过山车沿轨道上下运动。而动能的总量是保持不变,只是从一种形式转化为另一种形式。

这就是为什么第一个山坡是过山车的最高点。

过山车必须兼顾安全和惊险,安全是过山车建造的第一要素,毫无疑问,乘客在乘坐过山车的过程中,必须是绝对安全的。但速度和加速度的惊险度是过山车成功的重要因素,这就涉及速度的控制。所以包括山坡、直线、曲线、俯冲、回环和刹车系统等都是经过科学的论证和设计的;而且,材质、结构的设计都是在安全基础上再生产设计的。科学的理论基础是过山车生产设计的核心。

错觉产生更强的刺激,过山车的设计者们利用一些简单的光学原理让游客不断产生错觉,以为过山车的速度比实际速度还要快,他们惯用的方法是将物体靠近轨道以增加游客的速度感。比如,游客能看见紧靠他们的固定横梁飞起来。过山车的设计者们还利用两侧的树木,甚至利用其他过山车来产生这样的效果。

虽然过山车有超重和失重的过程,但是科学家认为这个过程对健康人来说是安全的,因为过山车的重力加速度一般是4g左右,我们站在地面上承受的重力加速度是1g,从椅子摔落到地上的重力加速度是10.4g,跳台阶的重力加速度是8.1g,咳嗽的重力加速度是3.1克,喷嚏的重力加速度是2.9g(g≈9.78/m/s2)。

尽管如此,日本经过科学研究发现,人们不宜在极短的时间内反复乘坐过山车。因为瞬间4kg的重力加速度对身体没有什么伤害,但是累积起来的刺激可能会导致脑部和脊髓受损伤。日本有3名20多岁的年轻人在1天内乘坐过山车4~10次,之后他们患了慢性头痛和手麻。过山车运行时产生强大的重力加速度和离心力,可能使乘坐者脑中的静脉爆裂而出血,血块堆积在硬膜下腔,形成血肿。儿童的血管和脑尚未发育成熟,因此可能比大人更容易受损伤。

世界上最刺激的过山车位于美国新泽西州首府杰克逊的六旗游乐园,叫做“金达卡”过山车。该过山车的最大高度为139米,有30多层楼那么高,是目前世界上最高的过山车。“金达卡”使用水压发射系统,在短短的3.5秒内,就能从每小时零千米升到205千米的极限速度,这也使得“金达卡”成为世界上最快的过山车。

33.人为什么会晕车

晕车晕船除了和人体的个体差异有关系以外,还和人体的前庭平衡感受器有关系。运动病又称晕动病,是晕车、晕船、晕机等的总称。它是指乘坐交通工具时,人体内耳前庭平衡感受器受到过度运动刺激,前庭器官产生过量生物电,影响神经中枢而出现的出冷汗、恶心、呕吐、头晕等症状群。那为什么有些人不会晕车,有些人却会晕呢?

内耳前庭器是人体平衡感受器官,可感受各种特定运动状态的刺激。它包括三对半规管和前庭的椭圆囊和球囊。半规管内有壶腹嵴,椭圆囊和球囊内有耳石器(又称囊斑),它们都是前庭末梢感受器,可感受各种特定运动状态的刺激。半规管感受角加(减)速度运动刺激,而椭圆囊、球囊的囊斑感受水平或垂直的直线加(减)速度的变化。当我们乘坐的交通工具发生旋转或转弯时(如汽车转弯、飞机作圆周运动),角加速度作用于两侧内耳相应的半规管,当一侧半规管壶腹内毛细胞受刺激弯曲形变产生正电位的同时,对侧毛细胞则弯曲形变产生相反的电位(负电),这些神经末梢的兴奋或抑制性电信号通过神经传向前庭中枢并感知此运动状态。同样当乘坐工具发生直线加(减)速度变化。如汽车启动、加减速刹车、船舶晃动、颠簸以及电梯和飞机升降时,这些刺激使前庭椭圆囊和球囊的囊斑毛细胞产生形变放电,向中枢传递并感知。在一定限度和时间内,这些前庭电信号的产生、传递不会对人们产生不良反应。但每个人对这些刺激的强度和时间的耐受性有一个限度,这个限度就是致晕阈值,如果刺激超过了这个限度就要出现运动病症状。每个人耐受性差别又很大,这除了与遗传因素有关外,还受视觉、个体体质、精神状态以及客观环境(如空气异味)等因素影响,所以在相同的客观条件下,只有部分人出现运动病症状。

那么,应如何预防和治疗运动病(晕船、晕车、晕机)呢?

确切地讲,运动病不是真正的疾病,与通常意义上的疾病不同,它仅仅是敏感机体对超限刺激的应激反应,因此就不存在真正意义上的根治或治愈措施。现有的各种防治方法都是暂时缓解症状或延缓它的发生。运动病的最佳防治方法是避免或离开能引起该病的环境,但这很不现实。以前防治运动病多采用药物,主要为镇静止吐药,如乘晕宁、东莨菪碱、安定等,来抑制中枢兴奋,缓解消化道痉挛。但这些药物多有作用慢、口干、嗜睡等副作用,而且疗效不理想。市场曾有一种耳后皮肤贴剂,为东莨菪缓释剂可经皮肤渗透吸收,但仍不能消除该药物固有的副作用。其他如:贴肚脐、压内关穴、开窗通风向前注视等也是常用的但作用极有限的方法。还有就是前庭锻炼方法,如同飞行员训练一样,在相当一段时间内反复刺激前庭,如:旋转椅、秋千、荡船等,使前庭产生适应习惯,可以达到减轻运动病症状的目的。但如果停止训练或脱离该刺激环境,运动病症状会再次出现。

为了减少晕车、晕船造成的不适,最好注意:乘车、船、飞机前,不要吃得太饱,不要吃油腻食物,提早吃一些易消化的食物;乘车、船、飞机选择前排通风良好的座位,双目远眺,面向前方,或者闭目不要看窗外一闪而过的东西;保持愉快情绪、心平气和、心理暗示不会晕车,回忆美好的时光和高兴的事儿,听听音乐、和人聊天;出行前保证有充足的睡眠,防止疲劳,在车、船、飞机上不要看书。

以前,世界各个国家的前庭平衡医学专家曾长期致力于运动病的防治研究,但收效甚微,终无突破。但医学上经过十多年临床潜心研究,现已发明了一种治疗晕动病的仪器——电子防晕仪。该仪器可通过电子振荡产生脉冲电信号,再通过双耳部电极作用于人体内耳平衡器官——前庭,抵消或削弱人体受到过度运动——直线和角加(减)速度刺激使前庭产生的过量生物电,减少和阻止前庭神经冲动向中枢传递,从而提高前庭器官对各种运动刺激的耐受性,最终达到治疗运动病的目的。这种全新的运动病治疗方法,在使用过程中,可以让使用者能够始终保持清醒头脑,从而避免出现以往服药后产生的多种不适症状。

34.有那么多的生命需要氧气,为什么还用不完呢

据估计,全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧,每秒平均为10000吨。以这种消耗氧的速度计算,大气中的氧大约只需2000年就会用完。然而,这种情况并没有发生。这是因为绿色植物广泛地分布在地球上,不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧,从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。

光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。因此,光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。

第一,制造有机物。绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的。据估计,地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物,这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。所以,人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。

第二,转化并储存太阳能。绿色植物通过光合作用将太阳能转化成化学能,并储存在光合作用制造的有机物中。地球上几乎所有的生物,都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量,归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。

第三,对生物的进化具有重要的作用。在绿色植物出现以前,地球的大气中并没有氧。只是在距今20亿至30亿年以前,绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势以后,地球的大气中才逐渐含有氧,从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。由于大气中的一部分氧转化成臭氧。臭氧在大气上层形成的臭氧层,能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线,从而使水生生物开始逐渐能够在陆地上生活。经过长期的生物进化过程,最后才出现广泛分布在自然界的各种动植物。

氧是人体进行新陈代谢的关键物质,是人体生命活动的第一需要。呼吸的氧转化为人体内可利用的氧,称为血氧。血液携带血氧向全身输入能源,血氧的输送量与心脏、大脑的工作状态密切相关。心脏泵血能力越强,血氧的含量就越高;心脏冠状动脉的输血能力越强,血氧输送到心脑及全身的浓度就越高,人体重要器官的运行状态就越好。

可是人却不能长时间呼吸纯氧,你知道这是为什么吗?人体各组织均不能承受过多的氧,这是因为氧本身不靠酶催化就能与不饱和脂肪酸反应,并能破坏贮存这些酸的磷脂;而磷脂又是构成细胞生物膜的主要成分,从而最终造成细胞死亡,这个过程叫做脂质过氧化。此外,氧对细胞的破坏还在于它可产生自由基,诱发癌症。实验证明,毁灭细胞培养物的办法就是将它置于过饱和氧的环境中。

同时,过量吸氧还会促进生命衰老。进入人体的氧与细胞中的氧化酶发生反应,可生成过氧化氢,进而变成脂褐素。这种脂褐素是加速细胞衰老的有害物质,它堆积在心肌,使心肌细胞老化,心功能减退;堆积在血管壁上,造成血管老化和硬化;堆积在肝脏,削弱肝功能;堆积在大脑,引起智力下降,记忆力衰退,人变得痴呆;堆积在皮肤上,形成老年斑。

了解了氧气对我们人类社会如此的重要,而且是我们人类生生不息地生存下来最基本的物质。所以为了保护氧气,我们应该正确地利用氧气;同时,保护绿色的自然资源,让它一直平衡人类与自然的和谐发展。

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