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我本人要請假一天，單位突然有急事，忙到現(xiàn)在。

梅樂芝經(jīng)理的這本科普文的第一二節(jié)正在重寫，先發(fā)第三章，由于要給漢唐集團用，歡迎大家指正。

第3節(jié)重力-浮力

走在地球上，都能感覺到重力的影響，比如爬山就比走平路累。不過有意識思考分析這個問題的人是英國人牛頓。或許有其他人在牛頓之前分析過，但尚未發(fā)現(xiàn)文獻記錄。牛頓發(fā)現(xiàn)，地球上缺乏支撐的物品，總是落在地面上，而月球卻一直掛在空中，造成這種情況的原因就是地球?qū)θ魏挝矬w都有吸引力，我們通常稱之為重力。而月球一直在遠離地球，地球又在吸引月球，二者剛剛好達到平衡。如果月球遠離的趨勢更大一些，月球就一去無影蹤。如果地球吸引力更大一些，月球就一頭扎進地球的懷抱。但不必贊嘆我們的運氣，那些遠離趨勢和吸引力達不到平衡的衛(wèi)星，早就消失了。只有達到平衡的，才能等到我們出現(xiàn)。

重力使大氣得以存在，海洋得以形成。水有重量，并且我們的身體大部分都是水，我們大致就相當于一個人形的水囊。大氣也有重量，這個重量壓在我們身上，就是大氣壓。

我們在水中游泳或走動，和在地面上跑走相比，就感到很吃力。而在地面上跑走，其實是在大氣中進行的，但是感覺差異如此之大，是因為大氣和水相比，稀薄得多。當然如果跑得飛快，也能感到迎面風的力度在增加。

大氣：

我們生活的大氣層厚度可以達2000公里，但實際上從地面算起，超過10公里就非常稀薄了。（在地球上，地面高度變化很劇烈，使用海面作為高度的基本指標可以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一。所以后面的高度都是按照海平面為基礎(chǔ)的，稱之為海拔高度。）超過100公里，可以完全忽略。對于我們實際可以接觸到的情況，從地面開始10公里，命名為對流層，我們看到的大氣現(xiàn)象，比如風、雨、雷等等，都是在這里發(fā)生的。在對流層內(nèi)，隨著高度增加，平均氣溫在下降。從10公里開始到50公里，是平流層。這里空氣稀薄，基本沒有水份，在高度相同的區(qū)域，溫度恒定，高度10公里保持著零下55度。隨著高度增加，溫度在增加。高度上升到30公里后，溫度上升到0度左右。現(xiàn)在的客機，都保持著平流層飛行。

這上百公里厚的大氣壓在我們身上，就是我們平常承受的大氣壓，定義為1個大氣壓。這么厚的大氣為什么沒把我們壓傷呢？我們體內(nèi)有向外的壓力，剛好和外面的大氣壓平衡，所以我們沒事。如果內(nèi)外壓失去平衡，就會出問題。現(xiàn)在航天技術(shù)使人上到太空，那里的大氣可以完全忽略。這樣人內(nèi)部的壓力沒有外部平衡，，肺內(nèi)的氣體全部流失，腹腔內(nèi)的氣體會極度膨脹。宇航員在太空修理飛船時，都穿著厚厚的宇航服，保證了人體內(nèi)外部壓力平衡，提供空氣呼吸，保持體溫等等。在木星上，也有濃厚的大氣層，并且木星的吸引力遠遠大于地球，所以那里大氣壓力比地球大得多，我們在那里就會被壓扁。

現(xiàn)在旅游普及，生活中沿海的人到高原旅行，經(jīng)常有高原反應(yīng)。這并不是內(nèi)外壓力差造成的，因為身體的內(nèi)外壓會緩慢進入平衡狀態(tài)。而是因為隨著高度增加，大氣逐漸變得稀薄，人體需要的氧氣供應(yīng)不足造成的。另外高度增加，大氣溫度在緩慢降低。高原平均氣溫降低，晝夜溫差增加，也促使身體不適。比較好的解決方法是在旅游前一段時間進行身體鍛煉，主要是增強心肺功能，比如游泳。

觀察：

1.如果體會不同高度大氣壓力的變化呢？在坐火車時，如果從平原（海拔高度低）經(jīng)過高原（海拔高度高），或到達高原。保持長時間安靜或睡眠狀態(tài)，會發(fā)現(xiàn)耳鳴或耳疼痛，聽到的聲音音量比實際小。這是因為人的內(nèi)耳封閉空間的壓力和外面的大氣壓不平衡導致的。坐飛機也會出現(xiàn)這種情況。如何解決？深深地打上幾個哈欠，可以讓內(nèi)耳和外面進行空氣交換，恢復(fù)壓力平衡。運氣好的時候還可以聽到氣流在內(nèi)耳進出時的聲音呢，只是并不悅耳。

2.如何體會高度不同，大氣稀薄程度不同？在低海拔生活的人，到達高海拔地區(qū)以后，因為大氣稀薄，導致氧氣供應(yīng)不足，為了彌補，人會自發(fā)進行深呼吸。通常人是偶爾進行深呼吸，這時候全程進行深呼吸。前提是心肺功能足夠正常，不然只能與氧氣罐為伍或回家。與此類似，人在久坐以后，呼吸一直處于淺呼吸狀態(tài)，供氧不足。這時候打哈欠，伸懶腰，都是補氧的自發(fā)動作。當供氧不足時間較長后，身體會調(diào)整，降低對氧氣的需要，就進入休眠狀態(tài)。二氧化碳含量增加，也會產(chǎn)生同樣效果。所以進入封閉的空間、洞穴等，發(fā)現(xiàn)困意十足，這是危險的信號，趕緊離開，不然就離不開了。

3.有機會坐飛機的話，觀察窗外可看到，在任何時候，都是萬里晴空，那些云雨雷電，都在飛機下方。這時候，你就處于平流層中。如果你發(fā)現(xiàn)飛機周圍有云，那一定是飛機高度不夠。

4.在某些地區(qū)，暖濕的空氣被風吹向山脈，而隨著山高度的增加，溫度下降，空氣中的水蒸氣凝成水，以雨的形式降到地面。這是地形成雨。中國雨城有四川雅安和臺灣基隆。世界上的雨城是印度的吉拉朋齊，那里可以連續(xù)下幾年的雨。都是受地形影響下雨。在另外一些地方，空氣越過山脈進入谷地，受地形壓縮，高度降低時，溫度增加很快。但是空氣中的水蒸氣不增加，空氣顯得干燥，溫度增加越高則越干燥。形成焚風。比如四川德榮的太陽谷，美國加州的硅谷。觀察附近的地區(qū)，尋找地形降雨和焚風。這個本身是很普遍的現(xiàn)象，在外出旅游時，觀察山兩側(cè)植被的差別，可以估計出此地風的方向。若山兩側(cè)植被基本沒差異，說明什么？

5.夏威夷群島，在南島語系人沒有抵達之前，存在大量的鳥類，其巢穴都構(gòu)建在陸地上。人類抵達后，大量滅絕。夏威夷雁的祖先是加拿大雁，遷徙中被風吹至夏威夷。通常鳥類長途遷徙，高度抵達對流層頂部。而對流層高度在極地區(qū)域是8千米，赤道區(qū)域可達1萬3千米。這就是為什么這些鳥會被吹偏方向的原因。

6.第一次世界大戰(zhàn)，德國克虜伯公司制造了“巴黎大炮”，射程120公里，炮彈可抵達32公里高度。為什么大炮的射程如此遠？

水：

大氣有壓力，水同樣也有。但大氣的稀薄程度不均勻，10公里以上的大氣總重量才占全部大氣重量的四分之一。大氣本身重量又很輕，最終100公里厚的大氣和10米厚的水造成的效果是相同的。

如何衡量水和空氣在制造壓力上的差異呢？我們引入密度，就是相同體積內(nèi)的重量。使用密度時，一般讓體積為某個具體數(shù)值。比如1個立方米，就是邊長高都是1米的一個方塊。討論1立方米的空氣和水的重量，這個重量值就是空氣和水的密度。水的密度是1立方米是1000公斤，大氣中最稠密空氣的密度是1立方米是1.2公斤。因為水的密度遠遠大于空氣，并且大氣層不均勻，最終10米水等效100公里大氣。

海洋最深處是馬里亞納海溝，達到10公里以上，這個壓力的效果和大氣10公里的效果不可相提并論，此刻壓力是大氣壓的1000倍。宇航員在太空，需要平衡1個大氣壓即可。在海底最深處，要平衡1000個大氣壓。所以探索海洋難度超過了太空。

在游泳池中或小河中，會感覺到身體變輕，不怎么需要腿部力量支撐。這又是怎么回事呢？

觀察上面左右2個圖。左邊青色部分是水，綠色的十字部分也是水。右邊青色部分是水，橙色的十字部分是某物體。左右兩圖中綠色和橙色部分的形狀完全相同。先觀察左圖。青色部分的水保持形狀不變，是因為綠色部分有水填充著。如果綠色部分的水消失了，青色部分的水的形狀就要變化，水面就降低了。觀察左右兩圖中青色部分的水，發(fā)現(xiàn)兩部分水的形狀沒有任何區(qū)別，這說明右圖中橙色部分的物體對青色部分水所產(chǎn)生的效果和左圖中綠色部分水對青色部分水產(chǎn)生的效果完全相同。否則兩邊的青色部分會有差別。現(xiàn)在觀察左圖，綠色部分的水保持在中間位置不移動。按照牛頓的觀察，此部分水是有支撐的，否則就會沉下去到底。而這個支撐的力和綠色部分水的重量完全相同。對于右圖而言，青色部分并不知道橙色部分是什么，僅僅知道橙色部分對青色部分作用的效果等同于橙色部分充滿水，那么青色部分對橙色部分的作用就是產(chǎn)生支撐力，等于橙色部分全部都是水的重量。現(xiàn)在命名這種支撐力為浮力。現(xiàn)在我們把水全部換成汽油、酒精或者什么其他液體，那么上述的分析不變。也就是說浮力（或者說支撐力）的大小就等于某個物品所占據(jù)液體體積所對應(yīng)的液體重量。記錄中以阿基米德討論為最早。

我們的身體主要成份是水，不易被壓縮。假設(shè)是空氣的話，我們就不能潛水。即便采用一些手段潛水，潛入10米，我們就要被壓到原來體積的一半了。

正常情況下，空氣無所不在，如果想要消除大氣壓力，就要完全消除空氣。某個空間中沒有任何氣體、液體或其他物質(zhì)，我們稱之為真空。比如太空中就可以稱之為真空，而且這個真空比地面上我們制造出來的真空更干凈。100公里厚的大氣等效為10米高的水柱，也等效為0.76米的水銀柱。因為水銀的密度是水的10/0.76=13.4倍。如右圖，取1米長的玻璃厚管，其中一端是封閉的，另一端開口。灌滿水銀，堵住開口放入水銀池后放開堵口，水銀池表面橙色部分承受大氣壓力，粉色部分承受玻璃管內(nèi)水銀壓力，當兩者相同時，水銀面保持平衡。也就是說，100公里高的大氣和0.76米高的水銀柱產(chǎn)生的壓力相同。而在玻璃管內(nèi)超出0.76米的部分就是真空。實際上里面有少量水銀蒸氣。

思考：

1.現(xiàn)在我們將液體換成氣體，也就是說，空氣對其中的物體有沒有浮力？【氫氣球為什么要用繩子牽著？不然就飛跑了】

2.鳥在空中飛行，飛機在空中飛行，是浮力起的作用嗎？【我們?yōu)槭裁达w不起來？】

3.早年農(nóng)村可以見到手動式抽水機，在使用前要給上面的橡膠活塞倒些水來密封。那么井水最高能抽高多少米？【1個大氣壓對應(yīng)多少米高的水？為什么可以這樣估計？】

4.人蹲久了，突然站起來，為什么會眼前發(fā)黑、發(fā)暈？【人心臟的壓力，至少可以把血液提高多少？考慮到維持血液流動】

5.接問題4，長頸鹿身高5.5米，什么情況對它生命可能造成威脅？【脖子長，采食范圍大，可高可低，那么…】

生活中出現(xiàn)的壓力和浮力：

1.自來水系統(tǒng)、噴泉

2.抽水馬桶水箱（浮力結(jié)合杠桿實現(xiàn)自動注定量水、水壓力實現(xiàn)沖）

3.打氣筒

4.過橋米線的湯

5.血壓計

6.孔明燈

7.公園里面的游船

在地球上，任何物體都受到地球的吸引力，所以重力無所不在。我們生活在大氣中，周圍物體都受到大氣的浮力。不過空氣密度小，浮力很小，多數(shù)情況下都可以忽略。當某些物體很大時，浮力就是不可忽略的。

古代的應(yīng)用：

船，是影響人類文明進程的工具。道路和運輸，一直是制約文明交流和發(fā)展的主要因素。在現(xiàn)代機械和化工沒有發(fā)展起來前，水運是性價比最高的運輸手段。在4000年前，古希臘人就駕馭船，殖民地中海和黑海區(qū)域。南島語系的人征服印度洋和太平洋也必須使用船。在運輸量需求大的地方，人類開鑿運河溝通水路。比如靈渠、京杭大運河、基爾運河、巴拿馬運河、蘇伊士運河。船的漂浮是依賴浮力，而前進的動力則可以是人力（希臘三槳座戰(zhàn)船trireme）、風力（中國硬帆、阿拉伯軟帆）、機械動力（蒸汽機.富爾頓）、核動力（鸚鵡螺號）。

近代的應(yīng)用：

1.氣球，包括熱氣球和氫氣球。可以帶人飛上天空，從新的角度觀察世界。在飛機不成熟的年代，氣球可以進行偵查（炮兵校準）、空中運輸（齊柏林伯爵）。在航天技術(shù)不成熟的年代，氣球可到達平流層頂部，進行天文觀察。

2.挖掘石油，往油井中注入高壓熱水，可使石油自動噴出。像自流井是內(nèi)部本身壓力大，足以克服液體升高至地表對應(yīng)的壓力。在深井中采水，依靠泵水機強大的壓力克服水自身的重力。采水溶性礦(巖鹽)或熱熔性礦(硫磺)，方法類似。

觀察：

1.香煙對身體有害，但是很多人在吸。觀察吸煙的過程，看煙是如何進入身體的，注意站在上風口避免受害。