【题】如图所示,电梯内有一秤盘,当你正站在其上时,缆绳突然断裂,电梯舱开始以自由落体的速度下降。
(1)在电梯下降过程中,秤盘的数字会出现什么变化?
(2)这时,水会从倒置的开口的罐子里流出来吗?
【解】电梯舱在自由落体时,该舱内所有悬挂着的物体都会以它们支点的速度下降;而所有立着的物体都会以它们底座的速度下降;所以,前者不会给支点施加压力,后者也不会对其底座施加压力。换句话说,这些物体类似于失重的物体。自由存在于空间内的物体也开始失重:降落的物体会停留在刚从手中滑落下的那个位置,而不会掉到地面上。和物体同时降落的还有舱室本身,而这两者降落的速度是一样的,所以物体不会贴近舱室的地面。简而言之,自由降落的电梯舱内的空间是一个特别的小地方,它的性质十分独特。在降落的舱室内我们获得了一个失去重力的空间,平常情况下,重力的存在会影响到实验的进展,所以这个空间对于进行物理实验的物体来说,会是一个极好的实验室。
通过上面的论述,我们也就知道了两个问题的答案。
(1)下降过程中,因为该物体完全不会对秤施加压力,所以秤盘的指针会停留在零上。
(2)此时,倒置的开口的罐子中的水不会流出来。
只要该舱是位于引力场内并且进行惯性运动,那么上述现象就会出现。所以不仅仅是在下降的舱内,在自由向上运动的舱内也存在这种现象。无论是舱室本身,还是舱内的物体,既然所有物体降落时的加速度是相等的,那么重力赋予它们的加速度也是一样的;就它们位置的相互关系而言也不会产生变化,同样即使不受重力影响的舱内物体也是这样的。
在技术领域有时也会碰巧发生上述现象。比如杰伦教授的《技术物理教程》和基尔皮切夫的《力学漫谈》中都有实例可见。下面我们就用基尔皮切夫的观点来论证一下。
升降机安全钳。将矿井中的人吊出井外的升降机通常都会配备安全钳,即防备起重绳索断裂的辅助装置,它一端固定在井壁的木桩上,另一端吊着载人的吊斗,保证吊斗不会从高处落下。我们来尝试制作安全钳,如图所示。
A是吊斗,里面站着几个正处于上升状态的人;B是位于矿井附近的木桩;C是起重绳索。该绳并不是直接固定在吊斗的上方,而是借助了拉杆D,该拉杆的支撑点固定在吊斗顶部。上升时,绳索受力;因此拉杆就会处于倾斜状态下(如图所示),不会碰到木桩B,也就不会影响吊斗向上运动了。当起重绳索断裂时,拉杆会处于水平状态,猛地撞击到木桩上,齿轮会紧紧地卡住木桩。此时的吊斗就会被挂在木桩上,人也就不会遭遇不幸了。
尝试给拉杆制作出转折点,即在拉杆末端分别安放两个平衡锤E。这两个平衡锤根本没有益处。绳索断裂时,吊斗开始做自由落体运动,此时平衡锤E丧失了向下的功能,相反会用更大的力拧动拉杆。这样,即使平衡锤很重也无补于事,应该安放弹簧或者板簧F取而代之。