一定 會 叫 前 兩 排 的 學生 把 筆記本 閤上 ， 以免 被 弄溼 。 我 帶 著 生菜 到 課堂 上 ， 在 實驗桌 的 水槽 裡 把 它們 清洗 乾淨 ， 再 將 它們 放進 濾盆 裡 。 「 準備好 了 嗎 ？ 」 然後 用力 地 甩動 我 的 手臂 ， 讓 它 繞 一 個 垂直 的 圓圈 轉動 。 水 濺 得 到處 都 是 。 當然 ， 我們 現在 已經 有 那 種 無趣 的 塑膠 製 生菜 沙拉 脫水機 來 取代 我 外婆 的 方法 — — 這 真 是 一 大 遺憾 。 現代 生活 中 的 許多 發明 似乎 已經 讓 事物 變 得 不再 那麼 羅曼蒂克 。 當 太空人 做 加速度 運動 ， 沿著 軌道 繞 地球 轉 時 ， 他們 也 會 經歷 同樣 的 這 種 人造 重力 。 我 的 一 位 朋友 ， 同時 也 是 我 在 MIT 的 同事 ， 傑弗瑞．霍夫曼 （ Jeffery Hoffman ） 曾經 搭乘 太空梭出 過 五 次 任務 ， 他 告訴 我 ， 在 太空梭 發射 的 過程 中 ， 組員 們 會 經歷 一 系列 不同 的 加速度 ， 從 一 開始 的 0.5 g ， 逐漸 增加 到 固態 燃料 最後 階段 的 2.5 g 。 接著 它 短暫 地 降到 1 g ， 這 是 液態 燃料 開始 燃燒 的 階段 。 接著 ， 加速度 再次 增加 ， 在 發射 階段 的 最後 一 分鐘 來到 3 g — — 發射 過程 總共 花 了 約 八 分 半 鐘 ， 最後 達到 每 小時 約 兩萬七千 公里 的 速率 。 而 這 過程 一點 也 不 舒服 。 當 他們 最終 進入 軌道 時 ， 他們 變成 毫無 重量 ， 而 他們 可以 感受到 這 種 零重力 狀態 。 你 現在 已經 知道 ， 不論 是 感受到 濾盆 推力 的 生菜 ， 或是 感受到 座椅 推力 的 太空人 ， 它們 都 會 經驗到 某 種 的 人造 重力 。 我 外婆 的 設計 ， 以及 現代 的 生菜 脫水機 ， 當然 都 是 某 種 的 離心機 ， 它們 可以 把 生菜 及 附著 在 葉子 上 的 水 分開 ， 讓 水 從 濾盆 的 孔 裡 飛出去 。 你 不 需要 當 太空人 ， 就 可以 體驗到 這 種 人造 重力 。 想像 你 在 遊樂園 玩 那 種 稱為 「 大 轉盤 」 的 恐怖 遊樂 器材 。 你 站 在 一 個 大型 轉盤 的 邊緣 ， 背部 貼靠 著 金屬 圍欄 。 當 它 開始 愈 轉 愈 快 時 ， 你 感覺 自己 被 愈來愈 用力 地 推向 圍欄 ， 不 是 嗎 ？ 根據 牛頓 第三 定律 ， 你 施加 在 圍欄 上 的 力 的 大小 ， 就 和 圍欄 推 你 的 力 相同 。 圍欄 推 你 的 力 被 稱為 「 向心力 」 （ centripetal force ） 。 它 提供 你 必要 的 加速度 ， 讓 你 能 在 轉盤 上 繞 著 圓心 轉 ； 你 的 速率 愈 快 ， 向心力 就 愈 大 。 還 記得 嗎 ？ 如果 你 繞 圓圈 轉 ， 你 就 需要 受到 某 個 力 （ 因此 ， 有 一定 的 加速度 ） ， 即使 你 的 速率 沒有 改變 。 同樣地 ， 重力 提供 了 行星 們 所 需要 的 向心力 ， 讓 它們 能 繞 著 太陽 旋轉 ， 細節 請 參見 我 在 〈 附錄 2 〉 裡 的 討論 。 你 推 牆 的 力 通常 被 稱為 「 離心力 」 （ centrifugal force ） 。 向心力 與 離心力 的 大小 相等 ， 方向 相反 。 請 別 將 這 兩 者 混為一談 。 只有 向心力 （ 而 非 離心力 ） 作用 在 你 身 上 ， 而且 只有 離心力 （ 而 非 向心力 ） 作用 在 圍欄 上 。 某些 大 轉盤 可以 轉 得 非常 快 ， 甚至 當 他們 把 你 腳 下 的 地板 往 下 調降 時 ， 你 也 不至於 往 下 滑 。 但 你 為什麼 不會 往 下 滑 呢 ？ 仔細 想 一下 ， 如果 大 轉盤 沒 在 轉動 ， 你 所 受到 的 重力 會 讓 你 往 下 掉 ， 因為 你 和 圍欄 之間 的 摩擦力 （ 方向 應該 是 朝上 ） 不 夠 大 * ， 無法 抵抗 重力 。 然而 ， 當 你 腳 下 的 地板 已經 往 下 調低 ， 而 大 轉盤 又 快速 轉動 時 ， 你 與 圍欄 之間 的 摩擦力 就 會 增加 ， 因為 摩擦力 的 大小 和 向心力 大小 有關 。 向心力 愈 大 （ 假設 你 腳 下 的 地板 已經 被 調降 ） ， 摩擦力 就 愈 大 。 因此 ， 如果 大 轉盤 轉 得 夠 快 ， 摩擦力 就 會 大 到 足以 平衡 重力 ， 因此 就算 你 腳 下 的 地板 已經 被 調降 ， 你 也 不會 往 下 滑 。 有 很多 種 方式 可以 體驗 人造 重力 。 這裡 就 有 一 個 你 可以 在 你 家 後院 嘗試 的 實驗 ： 把 繩子 綁 在 一 個 空油 漆罐 的 提把 上 ， 在 桶子 裡 裝 水 ， 我 會 建議 大約 半 滿 ， 不然 罐子 會 太 重 ， 不 容易 讓 它 旋轉 。 接著 盡 你 所 能 地 甩動 那 個 罐子 ， 讓 它 在 你 頭 上 繞 圓圈 。 你 可能 需要 多 練習 幾 次 ， 才 能 讓 它 轉 得 夠 快 。 一旦 你 能 達到 這 個 地步 ， 就 會 發現 沒有 半 滴 水 從 罐子 裡 流出來 。 我 請 學生 們 在 課堂 上 做 這 個 實驗 ， 我 不得不 說 ， 那 真是 大 騷動 啊 ！ 這 個 小 實驗 也 解釋 了 為什麼 在 某些 搞怪版 的 大 轉盤 中 ， 轉盤 可以 逐漸 翻轉 ， 直到 在 某 一 時刻 你 整 個 人 變成 頭 下 腳 上 ， 但是 你 卻 不會 掉到 地 上 （ 當然 ， 基於 安全 考量 ， 他們 還是 會 要求 你 繫上 安全帶 ） 。 於是 ， 體重 計給 我們 的 推力 ， 決定 了 體重計 的 讀數 ； 是 重力 ， 而 不 是 無 重力 ， 讓 太空人 處於 失重 狀態 ； 而 當 一 個 蘋果 掉到 地球 上 時 ， 地球 也 掉向 蘋果 。 牛頓 定律 很 簡單 ， 影響 深遠 、 深刻 ， 而且 非常 違背 直覺 。 在 發展出 他 著名 的 定律 時 ， 牛頓 爵士 是 在 與 一 個 非常 奧妙 的 宇宙 奮戰 ， 因為 他 有 能力 解開 這些 奧祕 並且 幫助 我們 用 全新 的 角度 來 看 我們 的 世界 ， 從此 讓 全 人類 獲益 良多 ！ 第4 章 __UNDEF__ 吸管 及 呼吸管 的 長度 __UNDEF__ — — 大氣 壓力 與 水壓 我 最 得意 的 一 個 課堂 示範 實驗 需要 用到 兩 個 油漆罐 和 一 把 步槍 。 我 在 一 個 罐子 裡 裝滿 水 ， 然後 硬 將 蓋子 蓋上 。 接著 在 第二 個 罐子 裡 裝 不少 的 水 ， 但是 留下 兩 、 三 公分 的 空間 ， 然後 同樣 把 蓋子 封上 。 將 兩 個 油漆罐 在 桌 上 前後 相鄰 排成 一 列 之後