周岷 主持
我妹妹很會蕩秋千,我看到她站在秋千上,不用人推,只是往前那么一蹬,然后再往后那么一扯,秋千就越蕩越高了。但我有一個疑問:我沒有看見任何外力的作用,秋千卻蕩得越來越“有勁”,這是怎么回事呢?
——讀者逸明
我特別想說,等你學(xué)了高中物理就會明白。不過這樣的回答是不是貌似太敷衍了呢?好吧,我嘗試做一些盡可能“通俗易懂”的解說。
現(xiàn)在讓我們在腦海中給你妹妹在秋千上的動作來一個“慢鏡頭回放”,你會發(fā)現(xiàn):當(dāng)秋千往前擺的時候,她在秋千板上做了一個由下蹲的姿勢轉(zhuǎn)向站起來的動作,在秋千擺到最高處時,她完全站了起來;當(dāng)秋千開始往回擺的時候,妹妹一定是開始彎曲膝蓋,逐漸蹲了下來,并在秋千擺回到中點(diǎn)的時候,蹲到最低;其后,秋千開始向后擺,這時妹妹再次站起身來……仔細(xì)回想一下,你所說的“往前一蹬,往后一扯”,實(shí)際上就是這樣一個不斷重復(fù)“蹲—站”的過程,對不對?
你現(xiàn)在已經(jīng)學(xué)會用“力”來解釋觀察到的物體運(yùn)動,很快你就將接觸到另一個概念:能量。舉個簡單的例子吧。你把一個球往上拋起,你給球施加了力,于是這個運(yùn)動起來的球就具有了某種能量,使它越飛越高,這種能量叫做“動能”;但這個球越飛越“沒勁”,飛到一個高度以后就再也飛不上去了,是能量消失了嗎?不,是動能轉(zhuǎn)化成了“勢能”,球的位置越高,它的勢能也越大,在最高點(diǎn)達(dá)到了最大。接下來會發(fā)生什么?當(dāng)然,球掉了下來,而且墜落得越來越“有勁”——沒錯,你肯定也知道了,這是勢能又轉(zhuǎn)化成了動能。
再回到妹妹蕩秋千的場景。運(yùn)動起來的秋千帶著妹妹向高處擺去,這就是一個“動能變勢能”的過程,當(dāng)擺到最高點(diǎn)的那一瞬間,勢能最大,而動能為零?,F(xiàn)在我們假設(shè)妹妹一直蹲在秋千上沒做任何動作,那么此時秋千“勢能變動能”,開始從這個最高點(diǎn)往回擺,而回擺的幅度,就算沒有任何阻力,最多也只能擺動到跟剛才那個最高點(diǎn)一樣的高度。
但是妹妹很聰明,她站了起來!這樣一來,“秋千板+妹妹”這個“擺錘”的重心自然比不站的時候高了一點(diǎn),等于是給原本已經(jīng)達(dá)到“最大”的那個勢能又加注了一點(diǎn)額外的勢能。當(dāng)秋千下落(回擺)的時候,就能轉(zhuǎn)化出更多的動能來,更多的動能就能把秋千推得更高……如此循環(huán)往復(fù),妹妹就成了“秋千達(dá)人”!
你說你沒有看見“外力”的作用,這話其實(shí)也沒錯,不過妹妹會告訴你,蕩著秋千飛來飛去除了開心之外,其實(shí)也蠻累的——實(shí)際上,妹妹的每一次下蹲和站起,都要消耗體力,也就是體內(nèi)的化學(xué)能,這些能量又跑哪里去了呢?想必你現(xiàn)在也應(yīng)該想到了,它們轉(zhuǎn)化成了秋千“再高一點(diǎn)點(diǎn)”的那一部分額外的勢能。