2月7日(也許是8日、9日、10日、11日或者其他時(shí)間)是個(gè)特殊的日子,美國(guó)宇航局NASA曾經(jīng)說(shuō)過(guò)這一天地球的引力最小,所以?huà)咧隳軌蛘酒饋?lái)。我們網(wǎng)上搜索了和“NASA 掃帚”相關(guān)的訊息,可是這只有論壇上的消息,并沒(méi)有NASA官方的消息。好吧,如果NASA真的說(shuō)過(guò)這樣的話(huà),那么一定就會(huì)有英文材料
首先,它不是因?yàn)樾行堑呐帕谢蛘叩厍虻淖赞D(zhuǎn)。美國(guó)的《連線(xiàn)》雜志曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)計(jì)算,離地球最近的金星和太陽(yáng)系中質(zhì)量最大的木星,它們施加的引力(10-8 N)都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球?qū)咧愕囊Γs10N),根本不可能起到讓掃帚直立的作用。
其實(shí)這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單,因?yàn)閽咧愕闹匦谋葤咧惚母唿c(diǎn)更靠近地步掃帚毛。你可以試著把掃帚水平地放在手指上,就好像蹺蹺板一樣,以此來(lái)測(cè)試掃帚的重心。
所以當(dāng)你把掃帚毛劈開(kāi),重心自然就在距離底部很近的地方,并不難找到一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)。如果掃帚是新的,掃帚毛又直又硬,想要支撐這個(gè)重心就更簡(jiǎn)單了。
下面,我們就從力學(xué)的角度來(lái)討論力學(xué)原理。
1.起源 昨晚的掃把風(fēng)暴源于一張來(lái)歷不明的截圖,如下。也就是說(shuō),NASA說(shuō)這一天(2.11)是地球引力的特殊日子,是掃帚唯一能站起來(lái)的一天。
事實(shí)上,大家一看就明白,掃帚能不能站起來(lái),跟NASA說(shuō)的地球的特殊引力沒(méi)有關(guān)系。稍微懂點(diǎn)力學(xué)就能明白,掃帚之所以能直立,在于掃帚本身的結(jié)構(gòu)。
NASA再也受不了了,出來(lái)說(shuō):這只是一個(gè)基本的物體現(xiàn)象,每天都可以重復(fù)。事實(shí)上,目前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的解析文本或視頻。
他們的解釋是眾所周知的原因:重心在接觸面。但是,這個(gè)解釋太粗糙了。
這種解釋畢竟只是日常生活經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),遠(yuǎn)沒(méi)有上升到理論層面。2.特別重力?眾所周知,地球的運(yùn)動(dòng)其實(shí)有點(diǎn)復(fù)雜,公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行。
那么,2月11日,地球是否處于一個(gè)特殊的位置,從而使地球上的引力進(jìn)入一個(gè)特殊的狀態(tài)?首先2月11日排除自轉(zhuǎn)的影響,大概率是地球公轉(zhuǎn)的引力影響。這里我們必須給出重力公式如下。
g是引力常數(shù),m和m是兩個(gè)物體的質(zhì)量,r是它們之間的距離。這個(gè)表達(dá)式告訴我們,引力只和MMR有關(guān),因?yàn)镚是常數(shù)。
對(duì)于地球上的物體,如掃帚,它們的質(zhì)量是恒定的。因此,影響因素是m和R.地球本身的質(zhì)量不變,唯一可能的影響是其他天體的引力,比如太陽(yáng)和月亮。
而掃帚不到1kg,掃帚到太陽(yáng)或月亮的距離是108000英里,所以它們的影響可以忽略不計(jì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),地球上物體的引力是由地球本身支配的。
這其實(shí)排除了公轉(zhuǎn)對(duì)引力的影響。另外,地球其實(shí)是一個(gè)不規(guī)則體,地球上每個(gè)點(diǎn)的半徑r其實(shí)是不一樣的。
因此,根據(jù)萬(wàn)有引力公式,同一物體在每一點(diǎn)的引力值都會(huì)不同。而地球的平均半徑為6371km,地表的起伏對(duì)最終重力值影響不大。
至此,我們可以判斷2月11日地球引力完全沒(méi)有特殊性。3.平衡和穩(wěn)定 既然地球引力沒(méi)什么特別的,也就是說(shuō),你其實(shí)隨時(shí)都可以架起掃帚。
所以,我不禁要問(wèn),掃把是怎么站起來(lái)的?在分析這個(gè)掃帚之前,我們先簡(jiǎn)單介紹一下基本力學(xué)原理。上圖是“平衡”的技術(shù)。
有一群人對(duì)平衡非常敏感,可以根據(jù)奇怪的角度堆疊物體。看似不可能,其實(shí)符合力學(xué)原理。
所謂平衡,其實(shí)不僅僅是物體的合力等于零,它只是條件之一。另一個(gè)合成力矩等于零,這也是必須滿(mǎn)足的條件。
我們通常說(shuō)物體平衡時(shí),只說(shuō)兩個(gè)力平衡,這是不準(zhǔn)確的。平衡可以分為三種情況,如上圖。
顯然第一個(gè)球不穩(wěn)定,會(huì)掉下來(lái)。而第二個(gè)球是穩(wěn)定的,總是回到原來(lái)的位置。
第三個(gè)球到處都是平衡的。上面顯示的平衡技術(shù)和垂直掃帚是不穩(wěn)定的平衡。
4.平掃帚分析 正如其他人所說(shuō),掃帚能夠直立的一個(gè)直觀(guān)原因是它的重力作用線(xiàn)穿過(guò)接觸面。但這只是經(jīng)驗(yàn)總結(jié),遠(yuǎn)不是一個(gè)很深的力學(xué)理論。
掃帚豎起后,受力如上圖。很簡(jiǎn)單,只是重力和地面支撐。
在這兩個(gè)力的作用下,掃帚的合力和力矩都為零,所以可以保持平衡狀態(tài)。上圖藍(lán)色是掃帚和地面的接觸面,里面的叉子是重力的作用線(xiàn)。
只有當(dāng)重力作用線(xiàn)位于接觸面時(shí),地面向上的支撐力才能形成一對(duì)相互抵消的力矩。如果重力作用線(xiàn)在外面,地面上向上的力形成的力矩缺少另一個(gè)力矩來(lái)平衡。
這是掃帚不能失靈的機(jī)械原理。因此,掃帚的重心非常重要。
掃把由掃把頭和掃把桿組成,其中掃把頭質(zhì)量較重。所以站起來(lái)之后,整個(gè)重心更靠近掃把頭。
正好滿(mǎn)足重力作用線(xiàn)通過(guò)接觸面的要求。了解了原理之后,我們?cè)賮?lái)分析掃把頭。
因?yàn)閽咧泐^畢竟比較軟,不能直觀(guān)的支撐直立的掃帚。普通掃帚頭是毛毛-shaped塑料制成的。
雖然很薄,但也有一定的剛性,這樣就可以用一定的刮力清洗。掃帚頭毛毛上的力如上所示。
這種略微擴(kuò)大的毛毛實(shí)際上略微增加了接觸面積,這更有利于平衡。因此,只要掃帚頭的毛毛整體向外擴(kuò)張,而不是凹陷,那么掃帚就可以很容易地豎立起來(lái)。
5.摘要2月11日掃帚的引力和其他日期一模一樣,沒(méi)有任何特殊性。平衡的原因是掃帚能站起來(lái)(合力和力矩都為零)。
為了實(shí)現(xiàn)掃帚的平衡,掃帚頭的毛毛必須是直立的或向外延伸的,而不是凹形的。
恩德武威同時(shí)并用,是古來(lái)將帥、君王所重視的統(tǒng)御謀略之一。《百戰(zhàn)奇法·愛(ài)戰(zhàn)》云:“凡與敵戰(zhàn),士卒寧進(jìn)死,而不肯退生者,皆將恩惠使然也。”《孫子兵法·地形篇》云:“視士卒如愛(ài)子,故可與之俱死。”孫武認(rèn)為,統(tǒng)御部卒,必須用恩威并施之謀。“厚而不能使,愛(ài)而不能令,亂而不能治,譬若驕子,不可用也。”
典故1:李靖是唐初杰出的軍事家。當(dāng)初李淵任隋朝官員鎮(zhèn)守太原時(shí),與李靖有矛盾,李淵準(zhǔn)備起兵反隋時(shí),李靖曾想告發(fā)他。后來(lái),李淵占領(lǐng)長(zhǎng)安捉住了李靖,差點(diǎn)把他殺了,因李世民求情才得以免死,可見(jiàn)李淵與李靖之間存在恩怨瓜葛。616年,李淵令李靖征討蕭銑,李靖初戰(zhàn)有功,李淵不計(jì)前嫌,論功行賞,使李靖深為感動(dòng)。后來(lái)李靖在戰(zhàn)爭(zhēng)中又有失利,李淵大怒,嚴(yán)斥李靖貽誤戰(zhàn)機(jī),要將他處斬,這時(shí),又有人為之求情,李淵又放了他一馬,使李靖對(duì)李淵感恩戴德,忠心耿耿。李靖決心戴罪立功,620年,李靖率800精銳大敗開(kāi)州(今四川開(kāi)縣)蠻族首領(lǐng)冉肇則,俘5000多人,乘勝收復(fù)開(kāi)州、通州,為李淵奪取西南立下了汗馬功勞。
典故2:三國(guó)時(shí)期,諸葛亮七擒孟獲的故事,也是運(yùn)用恩威并施策略的典范。蜀后主建興三年(225年),諸葛亮領(lǐng)兵聲討南中(今云南曲靖一帶),馬謖對(duì)諸葛亮說(shuō),南中一帶的軍民倚仗地勢(shì)險(xiǎn)阻,一直不服蜀漢統(tǒng)治,我們現(xiàn)在攻破南中易如反掌,但是在我們離開(kāi)之后,他們還是會(huì)叛變,所以,我們不如攻心為上,以心戰(zhàn)治之。諸葛亮采納了馬謖的建議,當(dāng)年5月份渡瀘水(今云南保山縣西北),擒拿了孟獲,為了徹底征服孟獲的心,諸葛亮故意把自己排兵布陣的方略擺給孟獲看,孟獲不以為然,說(shuō)初次與諸葛亮打交道,不明虛實(shí),只要像這樣的陣勢(shì),我肯定能取勝,于是諸葛亮放了孟獲,孟獲不久又領(lǐng)兵來(lái)戰(zhàn),又戰(zhàn)敗而歸,被諸葛亮俘住,就這樣擒了放,放了擒,連續(xù)七次,直到第七次再放孟獲時(shí),他卻不肯離去,說(shuō)諸葛亮是天威,南中不再反了,孟獲的心被攻下了。然后,諸葛亮把南中各地的首領(lǐng)召集起來(lái),宣布南中各地繼續(xù)為他們管轄,蜀軍不設(shè)官,不留兵,并將隨軍的衣物、糧草捐獻(xiàn)給了當(dāng)?shù)毓俦匝a(bǔ)償連年戰(zhàn)爭(zhēng)給百姓造成的損失,得到了南中軍民的擁護(hù)。從此,夷漢相安無(wú)事。
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