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第22章 趣味物理(3)

人体内部,进行血液活动的心脏,负责气体进出的肺脏,以及另一些有运动舒缩能力的脏器,一刻不停地发出不同的声音。有经验的医生根据某个脏器发出的声音变化,就能确定它正常或是处于病理状态。最初,医生隔着一条手巾用耳朵直接贴着病人身体的适当部位来听音。这种方法不太卫生,而且因听到的范围比较广,难于准确辨别音响发生的部位。虽然如此,历史上有将近1500年的时间,毫无发展地沿用这种方法。

1816年的某一天,法国巴黎一所豪华的府第门前,“嘎吱”一声停下一辆急驶而来的马车,车上走下着名的医生雷内克,他是被请来给这儿的贵族小姐诊病的。面容憔悴的小姐,在女仆的搀扶下,早已来到了客厅,她坐在长靠背椅子上,紧皱眉头,手捂胸口,看起来病情不轻。雷内克医生温和地问道:“小姐,哪儿不舒服?”小姐指着胸口诉说病情后,雷内克怀疑她是患了心脏病。

若要使诊断正确,最好是听听心脏跳动的声音。但病人是位年轻小姐,不宜用耳朵直接贴着她的胸部来听诊。这可怎么办呢?雷内克在客厅内一边踱步,一边思考新的方法。为了不打扰他,其他的人一点儿也不敢走动和说话,客厅内的空气像凝住了一般,只有医生机械的脚步声,告诉着大家时间在流过。

听着自己的脚步声,突然雷内克的脑海里浮现出了邻居小孩们在一根大圆木上的嬉戏:一个小孩在一端用针刮划,另一个小孩把耳朵贴在另一端,就能清楚地听到沙沙声。终于,他由此事得到了启发,马上叫人找来一张纸,将纸紧紧卷成一个圆筒,一头按在小姐心脏部位,另一头贴在自己耳朵上。果然,小姐心脏跳动的声音,给雷内克医生听得一清二楚,连其中轻微的杂音,也给他听出来了,真是比直接用耳朵贴着胸部还清晰。他高兴极了,告诉小姐病情已经确诊,并且一会儿就开好了药方。

雷内克医生急匆匆地赶回家中,又找人专门制作一根空心的木管,使用起来又方便又好,这就是第一个听诊器,与现在产科用来听胎儿心音的单耳式木制听诊器很相似。它的样子像根笛子,所以人们称它为“医生之笛”。后来雷内克又做了许多次试验,最后确定,用喇叭形的象牙管接上橡皮管子,效果更好。

仅仅使用了一根“医生之笛”,为什么雷内克医生隔着胸脯,听到了原来不能听到的小姐心脏跳动的声音呢?我们还是先看一看声音究竟是什么。原来各种声音并不是凭空发出来的,总是有一个物体在振动。我们敲一下锣,就听到锣响了,紧接着用手摸一摸锣面,就会觉得手有一些发麻,这就是锣面在振动。如果敲一下锣,又用手使劲把锣一按,锣面的振动停止了,也就听不到锣响了。当然,物体振动发出声音,声音传到我们耳朵里,才能听得到。是什么东西把它送到我们耳朵里呢?一般是靠空气。一个物体发生振动后,使它旁边的空气也振动,这部分空气的振动又带动前面的空气振动,由近到远,直到我们耳朵。空气传播振动时,一般向着四面八方分散,当距离较远时,这种振动也很微弱,也就是能听到的声音很小。但是,除了空气能传播振动外,木材、金属等固体也能传播振动,而且它们的传播本领比空气强,使用“医生之笛”时又让声音单方向传到医生耳朵里,所以雷内克医生借助“医生之笛”,能隔着胸脯听到小姐心脏跳动的声音。

长明的航标灯

在靠近港湾的近海,为了使船只安全进出港,总要设置很多航标灯为夜航船指引航向。以前的航标灯一般靠专人专船去安装或更换电池,非常麻烦,费用也很大。

1940年,英国工程师缪特尔发明了一种波浪发电机,利用海浪上下运动的力量驱动空气涡轮机发电,使航标灯点亮。它的原理并不复杂:当海浪上下波动时,浮体也上下运动,空气室中的空气不断受到压缩和扩张,如同风箱一样。受压缩的空气从露出海面的喷口处以极快的速度喷出,冲向涡轮机,使它快速旋转,这样就带动发电机发电了。

从此以后,绝大多数的航标灯都采用了这种装置。再也不用派人去为航标灯点亮了。

缪特尔工程师是一个善于思考的聪明人。他的别墅建在山上,经常停水,他便在别墅的房顶上设置了一个水池。他把一个家用的活塞式抽水机用连杆与别墅的大门连接在一起。每一个人推门进屋都可以给屋顶上的水池压上20千克的水。客人们到别墅来都抱怨缪特尔家的大门太重了,开门特别费劲,建议他修理一下。缪特尔总是笑着说:“不用修。这大门是我家水池抽水机的能源。你一推门,我用水就不犯愁了!”客人们了解内情后,都夸缪特尔会动脑筋。正是这种善于想窍门动脑筋的性格使缪特尔成为一个拥有多项专利的发明家。

缪特尔还是一个做事非常执着的人。他认准了的事,千方百计也要做成功。

鸡蛋能不能在光滑的桌面上立住?这是一个古老的问题。

人们都认为这是不可能的,但后来却找到了两种解决的办法。

一种是大家熟知的哥伦布解法。他把鸡蛋往桌子上一磕,蛋壳碎了,但是鸡蛋立住了。谁也没像哥伦布这么做过、想过,哥伦布做了,并体现了一种超常的创新探索精神。这正是发现“新大陆”所需要的精神。

另一种是比较科学的巧妙做法。将鸡蛋一旋,鸡蛋在旋转中也立住了。

此后的几百年间,人们只把这个问题当做“脑筋急转弯”的题来考孩子们。但还有一些人仍然不屈不挠地把它当作一个科学命题来研究。即:如果不把鸡蛋磕碎,也不旋转鸡蛋,鸡蛋能不能立住呢?

缪特尔就是这些“钻牛角尖”的人中的一个。他把鸡蛋放到显微镜下观察,发现蛋壳表面是个起伏不平的粗糙面:高处的平均高度是02毫米,高点的平均间距是08毫米。在铅笔芯那样大的面积内,至少有3个以上的高点。从物理学的原理讲,只要鸡蛋的重心垂线通过这3个点的中间,鸡蛋从理论上讲就可以立起来。缪特尔反复进行了无数次的实验,真的把鸡蛋完好无损地静止地立起来了。

缪特尔就是这么一个极富智慧又具有认真分析观察态度的科学家。

有一次,缪特尔从英国乘海轮到法国去。傍晚时分,他看到航标工们驾着小船去给航标灯更换电池。他想,海浪一起一伏的动力,为什么不利用来发电,解决航标灯的电源呢。从此,他与海浪结下了不解之缘,常常一个人坐在海边观察海浪,思索如何将上下运动的波能转变成高速旋转运动的机械能,从而带动发电机发出电力。有一天傍晚,他在海边呆久了,直到下起了小雨,他才匆匆往回赶。路途中,雨越下越大,缪特尔躲进一家铁匠铺避雨。看着铁匠太太的手一进一出地扯动风箱,他不禁心中一动。他冒雨冲回家中,连夜在地下室里干了起来。经过3天的奋战,缪特尔造出了像风箱一样的空气活塞式波浪发电装置。

这个发电装置有一个直径60厘米、长4米的圆筒,上面设有两个活塞室,垂直沉下海去,部分浮出水面,活像一个浮标。当海浪上下波动时,活塞室中的空气不断受到压缩和扩张,如同风箱一样。受压缩的空气从露出海面的喷口中以极快的速度喷出,冲向涡轮机叶片,使它快速旋转,从而带动浮筒上面的发电机发电。缪特尔将发电装置送到海里试验,一会儿,浮筒上的灯果然亮了起来。缪特尔高兴极了,他又对发电装置做了一些改善,使发电性能更好。一个发电装置可以发100千瓦的电,完全够航标灯使用。

海洋波浪是由海上的风引起的海面上的水的运动。波浪的大小取决于风,风大浪就高,风小浪就低。在一个典型的海洋中部,8秒的周期里就能涌起15米高的波浪,而大风暴掀起的海浪可高达10米以上。奔腾起伏的海浪,蕴藏着巨大的能量。据科学家测试,海浪对海岸的冲击力每平方米可达20~30吨,大的海浪甚至达到60吨。它像一个力大无穷的壮士,能将10多吨重的岩石抛到20~30米的高处,能把上千吨的混凝土防波堤连基冲垮,甚至还能把万吨巨轮掀到岸上去。在1平方公里的海面上,一起一伏的海浪蕴藏着20万千瓦的能量,全世界的波浪能总蕴藏量为109千瓦,是一笔巨大而取之不尽、用之不竭的能源。

波浪除了上下运动的能量外,还有横向运动的能量和旋转运动的能量。缪特尔的成功,激发了人们向海浪要能量的热情,目前,世界上许多国家已经就不同方向运动的能量设计了不同的装置进行试验。

最常见的就是缪特尔发明的空气活塞式波力发电机。单个的这种发电机发电能力有限,现在科学家建造了装有许多个装置的波力发电船。这种船长80米,宽12米,重500吨,装有20个浮筒,在3米高海浪的水面上,能发电2000千瓦左右。

现在还研制出了一种固定式海岸波力发电装置。它把空气活塞室固定在海岸边,通过管道内水面的升降来代替浮筒的上下,使活塞室内的空气反复受到压缩和扩张,从而将横向运动的波能转化为机械能,带动发电机发电,每一个海岸固定式发电机容量为1000千瓦。

美、英、法、日等国在20世纪90年代还研制出一种更为经济的发电装置——气袋式波力发电机。科学家们将一个个特制软质气袋浮漂在海面上,再用链状轴将它们串连成排,如同一条横跨海面的粗大胶管。海浪扑打气袋,气袋里的空气受到压缩。被压缩的空气驱动空气涡轮机,再带动发电机发出电来。一套由4000个气袋组成的波力发电装置,可以发电2000万千瓦。

最近,日本又开发出一种叫“人造环礁”的波力发电装置,直径达75米,好像一个巨大的油煎环饼,只有顶部露出水面。海浪冲击环礁边沿,并从中央喷口喷出,冲击中间的涡轮机工作,发出电来。一个装置的发电量为10万千瓦。

自20世纪初期以来,人类就锲而不舍地探求发掘波浪能的方法。到20世纪末,科学家们已卓有成效地研制出各种各样的波力发电装置。英国、美国、法国、日本、意大利等国已经开始利用波能发电,节省了大量能源。中国也在积极研制波力发电装置,并已投入试验。对于中国这样一个有漫长海岸线的国家而言,光是大陆沿海就至少有12亿千瓦的海浪能量等待我们去开发利用。

科学家们预计,21世纪初,波力发电装置进一步改善以后,将大量投入使用。到21世纪中叶,波浪将与石油、煤、风、潮汐等能源一样为人类服务。它不仅能让航标灯发光,而且能将光明送到地球的多个角落,照亮人类的生活。

诺曼底上空的电子战

1944年6月6日,英美联军在法国西北部的诺曼底发动了一场举世闻名的登陆大战役。这一大战役是英美联军着名的“霸王行动”的重要组成部分,目的是夺取集团军群登陆场,为开辟欧洲第二战场,发展对西欧的进攻,配合苏德战场最后击败纳粹德国创造有利条件。

第二次世界大战后期,德国希特勒已经到了穷途末路、困兽犹斗的地步。德军为了作最后的垂死挣扎,在诺曼底半岛的海岸线上构筑了“大西洋壁垒”的防线,妄图倚仗海峡天险抵挡预料中的英美联军的登陆。防线中设置的雷达如蜘蛛网密集,以便密切侦察、监视英美联军的飞机、军舰的活动。这些雷达,在战役开始的前一个多月,便遭到英美联军的飞机和火箭猛烈袭击,摧毁了其中的80%。

“兵不厌诈”。为了不让敌人知道登陆的确切地点,英美联军于战役开始的前夕,也就是6月5日,在多佛尔海峡组织了一次大规模的电子干扰佯攻。那天的傍晚,在夜色掩护下,英美联军出动大量舰艇,艇上装载有角反射器,并拖着涂有铝粉的亮晶晶大气球,上空还用飞机抛撒了许多银灰色的金属箔条。角反射器有很强的反射电波能力,使德军雷达观察员误认为是大型军舰;上空抛撒的金属箔条,则造成有大批飞机掩护登陆的假象。另外,还在附近海岸空投人体模型模拟空降伞兵部队,又用一小批装有干扰机和投放金属箔条的飞机,模拟成飞向德国军队驻地的大规模轰炸机群。干扰时间长达3~4小时,成功地欺骗了德军的“眼睛”,使德军误认为英美联军出动了大量舰船和大批飞机,正向布伦方向攻来,赶忙调动许多舰船、飞机和防御部队进驻布伦地区,以防御英美联军从布伦登陆。

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