Wmn76u：為什麼兩個鐵球同時落地？_風聞

運動的定律，不僅是傳統物理學的最基本原理，也是現代科學發展的支柱和根本。通過討論力、加速，與動量之間的關係，我們可以瞭解到現實世界中的各種運動的成因。

在經典力學中，一切的運動都由下面的法則來支配：

在相對靜止的觀察者的眼中，物體要麼靜止，要麼一直以現有的速率，朝着固定的方向做勻速直線運動。然而，一旦受到了外力的影響，物體的運動狀態就會改變。改變的快慢，等於外力除以物體的質量；另外，在對物體施力的同時，施力者也會受到一個來自物體的，大小相等而方向相反的力的影響；當外力的影響停止之後，物體將會以那時的速度繼續做勻速直線運動。

在地球上，我們不會看到物體永遠以均勻的速度運動下去，這是因為空氣阻力和摩擦力等等，總是會讓它們慢下來。而且，運動的物體越重，就越不容易停下，因為要使它們的運動狀態儘可能快地改變，需要相對較大的力。這就是為什麼火車比小汽車更難剎得住車。

力的作用永遠是相互的。在推車的時候，人在向車發力的同時，車同時也在向人施加着力量。為了克服這個反向的作用力，人會用腳頂住地面前行。也就是説，地球承受了推動汽車所需要的力。地球的運動狀態自然會因此而改變，但是程度微乎其微，因為一個十分有限的力，對地球這樣的大質量物體所能造成的影響實在是太小了。

如果地球所受到的外力非常大，影響就會十分直觀。比如，太陽對地球的強大引力，會傾向於將地球拖向它的質量中心。儘管地球也對太陽有一定的引力，但是不足以抗拒；與此同時，地球的移動，會試圖維持住它原有運動方向。結果就是，太陽的吸引，與地球的運動的影響結合了起來，作用於兩者的方向之間。這就是地球總會圍繞着太陽公轉，而不是直接墜向它的原因。其它的行星與太陽，還有地球與月球的系統也是如此運作的。

同樣形式的運動，也使得過山車能夠從倒轉的彎道上安全通過。一方面，不斷向上的運動會驅使過山車繼續爬升，另一方面，地球的引力會嘗試將過山車拉回地面。如果過山車的速度足夠快的話，它的運動方向就會是一直沿着軌道的，引力便不可能及時讓過山車從上面掉下來。

在騎自行車（或者摩托車）的時候，如果人的身體向一邊傾斜，車身就會自然地向那個方向轉彎。這是因為轉動的車輪上的每一個點都在同一時刻有着不同的轉動方向，因此，當我們的身體側傾時，整個車輪的運動方向會圓滑地變動，而不是立即直挺挺地向一邊倒下去。這會給我們造成一個錯覺，就好像人所施加的力與車輪的轉動方向時刻都保持着垂直一樣。這也是我們騎行的速度越快，就越容易保持平衡，而速度越慢，便越容易傾倒的原因。

同樣的道理，只有在轉動起來的時候，陀螺才可以長時間保持不倒，因為引力就好像總是與它即將倒下的方向成直角一樣。這種類型的運動被稱作 “進動”（precession）。

地球由西向東自轉，赤道的長度大約有四萬千米，而在兩極，緯線的長度卻是零。這意味着，更靠近赤道的陸地，比更靠近兩極的陸地轉動得更快。因此，以北半球為例，對於一架從赤道向正北方飛行的飛機，在引擎向北極方向施力的同時，飛機原有的運動會傾向於維持住它在更接近赤道時的那個較快的速度，結果就是，在地面上的人看來，飛機的運動軌跡並不是朝向正北方，而是偏轉向東方。類似地，從北極飛往赤道的飛機，在人們看來則會偏轉向西方。

除此之外，地球的自轉還會造成一些其它的怪異現象，比如 “氣旋”。

這是一種發生在除赤道之外，地球各處的大型氣體漩渦。“氣旋” 中心的氣壓較低，周圍的空氣會向這個低氣壓的區域內流動。這樣一來，由於前面所提到的原因，在一個半球上，兩股朝着相反的方向流動的空氣，會向相反的方向偏轉，這就造成了整體的旋轉；在北半球，颶風總是逆時針轉動，而在南半球，颶風總是順時針轉動。這種現象叫作 “科里奧利效應”（Coriolis effect）。

很多人認為，由於 “科里奧利效應”，南北半球的水槽中的水的漩渦的流轉方向也一定是相反的。這個結論實際上並不科學，因為地球的自轉只可能對氣旋那樣較大的事物產生明顯的影響，“科里奧利效應” 無法百分之百地決定所有此類的事件。無論在哪個半球上，人們完全有可能觀察到向任意方向流轉的水的漩渦。

運動的定律，同樣左右着飛行器的動力來源。

直升機頂部的旋翼，在轉動起來的時候，會把上方的空氣向下拋。這時，空氣就會對旋翼產生一個向上抬升的力，使得直升機得以起飛；然而，頂部的旋翼在轉動的同時，會向下方的整個機身施加一個大小相同，而方向相反的力，這會讓座艙朝着相反的方向轉動起來。直升機之所以要有尾部的旋翼，就是為了產生出一個能夠抵消這種作用力的力，使機身不會因為頂部的旋翼的旋轉而反向轉動起來。尾部旋翼是可以調節的，用來產生出大小不同的力。當這個力與頂部旋翼所產生出的力形成一定的差距的時候，直升機便可以左右轉向。

如果尾部的旋翼失去了動力，那麼直升機就會因為完全作用於頂部的旋翼的力，而發生劇烈地轉動。反過來，如果直升機頂部的旋翼不再運作了，那麼機身就會完全作用於尾翼所產生的力的影響，同樣無法保持平衡；我們在電影裏經常會看到類似的情景，一架被擊傷，或者失靈的直升機總是在空中一邊旋轉，一邊向地面墜落。

對於固定翼飛機，當它還沒有發動起來的時候，機翼上下的空氣壓力應該是相等的，可以相互抵消。然而，當飛機以一定的速度運動起來時，機翼的獨特外形會迫使它上方的空氣比下方的更快速地流過。根據流體力學上的 “伯努利定律”（Bernoulli’s principle），這會使得上方的空氣壓力變得比下方的小。當下方的空氣壓力足夠大時，飛機就會被抬起來，飛上天空。

機翼的設計只能在有空氣的環境下發揮作用。太空裏沒有空氣，因此對於只在外層空間中運作的宇宙飛船來説，沒有必要擁有機翼，只需要推進裝置。

提到宇宙飛船，我們知道，空間站中的宇航員會一直處於失重的漂浮狀態，然而這並不是因為地球距離他們太遠，無法對其施以足夠的引力，而是由於空間站與宇航員自身的運動狀態一直是一致的。

簡單地説，一個處於地球軌道上的宇航員，就像月球一樣，在受到地心引力的同時，也有自己本來的運動。正如前面所提到的，這個運動保護着他們，使之不會直接墜向地面。然而，承載着宇航員的空間站也在以與宇航員完全一樣的方式運動着。由於空間站與宇航員總是在太空中一起運動，這就造成了一個假象，使我們認為，太空站裏的宇航員是 “不受重力” 的。

另外，假如一架飛機徑直從天上自由落下，裏面的乘客也會感覺到失重，甚至懸浮在機艙裏。要明白這是怎麼回事，就不得不討論到引力的特殊之處。

如果對物體施加一個一般的力，較輕的物體的速度一定會變化得更快。或者説，物體越輕，加速得就越快。不過，引力卻不是這樣影響物體的。引力的作用，總是會對較輕的物體施加較小的力，對較重的物體施加較大的力。根據運動的定律，物體的速度的變化快慢，等於物體所受到的外力除以它的質量。如此一來，在引力的作用下，一切物體，無論輕重，下落的速度的變化的快慢就都是相同的，所以在理論上，不同重量的物體會同時落地。

在實際情況下，特別是在地球上，其實並不能準確地聲稱，重量不相等的物體就一定會下落得一樣快。這是由於物體所受到的空氣阻力不同，而空氣阻力的大小是由物體和環境的很多屬性來決定的。降落傘就是依靠獲得儘可能大的空氣阻力來運作的。

在沒有空氣的地方，比如月球上，我們可以看到不同重量的兩個物體真正同時地落地。在 “阿波羅15號” 的登月任務中，宇航員重現了當年伽利略在比薩斜塔上做過的那個經典的實驗。當同時放開一片羽毛和一把錘子後，人們可以看到兩個重量相差巨大的物體，確實同時落了下來。

在外層空間裏，物體之間一般只有引力的作用，因此所有的天體都會對引力做出相似的反應。這也正是軌道上的空間站與空間站裏的宇航員能夠一起運動的根本原因。

牛頓很早便注意到了引力與其它的力的不同之處，但是他當時也無法做出合理的解釋，為什麼普通的力都必須直接施加給物體，而引力卻可以隔空運作？直到一百多年前，謎底才最終被愛因斯坦揭開了。

“廣義相對論” 指出，實際上，引力並不是一種真實存在的 “力”，而是 “時空”（space-time）本身的幾何形狀。“時空” 是理論物理學上，時間和空間的 “四維” 結合體，一個非常真實的存在。任何擁有質量的物體，都會使時空彎曲。彎曲的程度，取決於物體的質量的大小。

現在，如果我們反觀月球與地球的系統，就會明白到，月球其實並沒有受到任何的來自地球的力的影響。月球有的，只是自己原有的運動。然而，地球的較大質量造成了時空的明顯變形，使得直線變成了曲線，因此月球所做的直線運動，也就變成了圍繞着地球的圓周運動。

這就像在一張橡膠墊上，放下兩個重量不同的球體一樣。重量較小的球體會沿着重量較大的球體在墊子上所壓出來的凹痕做運動。不同的物體，都要在相同的被彎曲的時空上運行，這就是為什麼在 “引力” 的影響下，物體的速度的改變的快慢會是一樣的。

引力就是依靠着這種幻象，矇蔽了人們數千年。