Wmn76u：为什么两个铁球同时落地？_风闻

运动的定律，不仅是传统物理学的最基本原理，也是现代科学发展的支柱和根本。通过讨论力、加速，与动量之间的关系，我们可以了解到现实世界中的各种运动的成因。

在经典力学中，一切的运动都由下面的法则来支配：

在相对静止的观察者的眼中，物体要么静止，要么一直以现有的速率，朝着固定的方向做匀速直线运动。然而，一旦受到了外力的影响，物体的运动状态就会改变。改变的快慢，等于外力除以物体的质量；另外，在对物体施力的同时，施力者也会受到一个来自物体的，大小相等而方向相反的力的影响；当外力的影响停止之后，物体将会以那时的速度继续做匀速直线运动。

在地球上，我们不会看到物体永远以均匀的速度运动下去，这是因为空气阻力和摩擦力等等，总是会让它们慢下来。而且，运动的物体越重，就越不容易停下，因为要使它们的运动状态尽可能快地改变，需要相对较大的力。这就是为什么火车比小汽车更难刹得住车。

力的作用永远是相互的。在推车的时候，人在向车发力的同时，车同时也在向人施加着力量。为了克服这个反向的作用力，人会用脚顶住地面前行。也就是说，地球承受了推动汽车所需要的力。地球的运动状态自然会因此而改变，但是程度微乎其微，因为一个十分有限的力，对地球这样的大质量物体所能造成的影响实在是太小了。

如果地球所受到的外力非常大，影响就会十分直观。比如，太阳对地球的强大引力，会倾向于将地球拖向它的质量中心。尽管地球也对太阳有一定的引力，但是不足以抗拒；与此同时，地球的移动，会试图维持住它原有运动方向。结果就是，太阳的吸引，与地球的运动的影响结合了起来，作用于两者的方向之间。这就是地球总会围绕着太阳公转，而不是直接坠向它的原因。其它的行星与太阳，还有地球与月球的系统也是如此运作的。

同样形式的运动，也使得过山车能够从倒转的弯道上安全通过。一方面，不断向上的运动会驱使过山车继续爬升，另一方面，地球的引力会尝试将过山车拉回地面。如果过山车的速度足够快的话，它的运动方向就会是一直沿着轨道的，引力便不可能及时让过山车从上面掉下来。

在骑自行车（或者摩托车）的时候，如果人的身体向一边倾斜，车身就会自然地向那个方向转弯。这是因为转动的车轮上的每一个点都在同一时刻有着不同的转动方向，因此，当我们的身体侧倾时，整个车轮的运动方向会圆滑地变动，而不是立即直挺挺地向一边倒下去。这会给我们造成一个错觉，就好像人所施加的力与车轮的转动方向时刻都保持着垂直一样。这也是我们骑行的速度越快，就越容易保持平衡，而速度越慢，便越容易倾倒的原因。

同样的道理，只有在转动起来的时候，陀螺才可以长时间保持不倒，因为引力就好像总是与它即将倒下的方向成直角一样。这种类型的运动被称作 “进动”（precession）。

地球由西向东自转，赤道的长度大约有四万千米，而在两极，纬线的长度却是零。这意味着，更靠近赤道的陆地，比更靠近两极的陆地转动得更快。因此，以北半球为例，对于一架从赤道向正北方飞行的飞机，在引擎向北极方向施力的同时，飞机原有的运动会倾向于维持住它在更接近赤道时的那个较快的速度，结果就是，在地面上的人看来，飞机的运动轨迹并不是朝向正北方，而是偏转向东方。类似地，从北极飞往赤道的飞机，在人们看来则会偏转向西方。

除此之外，地球的自转还会造成一些其它的怪异现象，比如 “气旋”。

这是一种发生在除赤道之外，地球各处的大型气体漩涡。“气旋” 中心的气压较低，周围的空气会向这个低气压的区域内流动。这样一来，由于前面所提到的原因，在一个半球上，两股朝着相反的方向流动的空气，会向相反的方向偏转，这就造成了整体的旋转；在北半球，飓风总是逆时针转动，而在南半球，飓风总是顺时针转动。这种现象叫作 “科里奥利效应”（Coriolis effect）。

很多人认为，由于 “科里奥利效应”，南北半球的水槽中的水的漩涡的流转方向也一定是相反的。这个结论实际上并不科学，因为地球的自转只可能对气旋那样较大的事物产生明显的影响，“科里奥利效应” 无法百分之百地决定所有此类的事件。无论在哪个半球上，人们完全有可能观察到向任意方向流转的水的漩涡。

运动的定律，同样左右着飞行器的动力来源。

直升机顶部的旋翼，在转动起来的时候，会把上方的空气向下抛。这时，空气就会对旋翼产生一个向上抬升的力，使得直升机得以起飞；然而，顶部的旋翼在转动的同时，会向下方的整个机身施加一个大小相同，而方向相反的力，这会让座舱朝着相反的方向转动起来。直升机之所以要有尾部的旋翼，就是为了产生出一个能够抵消这种作用力的力，使机身不会因为顶部的旋翼的旋转而反向转动起来。尾部旋翼是可以调节的，用来产生出大小不同的力。当这个力与顶部旋翼所产生出的力形成一定的差距的时候，直升机便可以左右转向。

如果尾部的旋翼失去了动力，那么直升机就会因为完全作用于顶部的旋翼的力，而发生剧烈地转动。反过来，如果直升机顶部的旋翼不再运作了，那么机身就会完全作用于尾翼所产生的力的影响，同样无法保持平衡；我们在电影里经常会看到类似的情景，一架被击伤，或者失灵的直升机总是在空中一边旋转，一边向地面坠落。

对于固定翼飞机，当它还没有发动起来的时候，机翼上下的空气压力应该是相等的，可以相互抵消。然而，当飞机以一定的速度运动起来时，机翼的独特外形会迫使它上方的空气比下方的更快速地流过。根据流体力学上的 “伯努利定律”（Bernoulli’s principle），这会使得上方的空气压力变得比下方的小。当下方的空气压力足够大时，飞机就会被抬起来，飞上天空。

机翼的设计只能在有空气的环境下发挥作用。太空里没有空气，因此对于只在外层空间中运作的宇宙飞船来说，没有必要拥有机翼，只需要推进装置。

提到宇宙飞船，我们知道，空间站中的宇航员会一直处于失重的漂浮状态，然而这并不是因为地球距离他们太远，无法对其施以足够的引力，而是由于空间站与宇航员自身的运动状态一直是一致的。

简单地说，一个处于地球轨道上的宇航员，就像月球一样，在受到地心引力的同时，也有自己本来的运动。正如前面所提到的，这个运动保护着他们，使之不会直接坠向地面。然而，承载着宇航员的空间站也在以与宇航员完全一样的方式运动着。由于空间站与宇航员总是在太空中一起运动，这就造成了一个假象，使我们认为，太空站里的宇航员是 “不受重力” 的。

另外，假如一架飞机径直从天上自由落下，里面的乘客也会感觉到失重，甚至悬浮在机舱里。要明白这是怎么回事，就不得不讨论到引力的特殊之处。

如果对物体施加一个一般的力，较轻的物体的速度一定会变化得更快。或者说，物体越轻，加速得就越快。不过，引力却不是这样影响物体的。引力的作用，总是会对较轻的物体施加较小的力，对较重的物体施加较大的力。根据运动的定律，物体的速度的变化快慢，等于物体所受到的外力除以它的质量。如此一来，在引力的作用下，一切物体，无论轻重，下落的速度的变化的快慢就都是相同的，所以在理论上，不同重量的物体会同时落地。

在实际情况下，特别是在地球上，其实并不能准确地声称，重量不相等的物体就一定会下落得一样快。这是由于物体所受到的空气阻力不同，而空气阻力的大小是由物体和环境的很多属性来决定的。降落伞就是依靠获得尽可能大的空气阻力来运作的。

在没有空气的地方，比如月球上，我们可以看到不同重量的两个物体真正同时地落地。在 “阿波罗15号” 的登月任务中，宇航员重现了当年伽利略在比萨斜塔上做过的那个经典的实验。当同时放开一片羽毛和一把锤子后，人们可以看到两个重量相差巨大的物体，确实同时落了下来。

在外层空间里，物体之间一般只有引力的作用，因此所有的天体都会对引力做出相似的反应。这也正是轨道上的空间站与空间站里的宇航员能够一起运动的根本原因。

牛顿很早便注意到了引力与其它的力的不同之处，但是他当时也无法做出合理的解释，为什么普通的力都必须直接施加给物体，而引力却可以隔空运作？直到一百多年前，谜底才最终被爱因斯坦揭开了。

“广义相对论” 指出，实际上，引力并不是一种真实存在的 “力”，而是 “时空”（space-time）本身的几何形状。“时空” 是理论物理学上，时间和空间的 “四维” 结合体，一个非常真实的存在。任何拥有质量的物体，都会使时空弯曲。弯曲的程度，取决于物体的质量的大小。

现在，如果我们反观月球与地球的系统，就会明白到，月球其实并没有受到任何的来自地球的力的影响。月球有的，只是自己原有的运动。然而，地球的较大质量造成了时空的明显变形，使得直线变成了曲线，因此月球所做的直线运动，也就变成了围绕着地球的圆周运动。

这就像在一张橡胶垫上，放下两个重量不同的球体一样。重量较小的球体会沿着重量较大的球体在垫子上所压出来的凹痕做运动。不同的物体，都要在相同的被弯曲的时空上运行，这就是为什么在 “引力” 的影响下，物体的速度的改变的快慢会是一样的。

引力就是依靠着这种幻象，蒙蔽了人们数千年。