第二章 物体的掉落

不知道大家有没有听过《橡果和南瓜》的寓言故事，听过这个故事的人有没有嘲笑加罗的不幸？故事中的加罗是一个心地善良但是却有点自负的人，他是一个佃农。他认为南瓜不应该是长在土里，而应该是长在橡树上、取代橡果的，只有像南瓜这样的果实才配长在橡树上。就这样，加罗一边极度不满地批评着上帝的杰作，一边在橡树下睡着了。

突然一个橡果从树上掉下来，砸到了他的鼻子，他痛醒了，被砸到的部位开始流血。这时候他马上改变了口气，嚷嚷道：“哎哟，要是从树上掉下来的不是小小的橡果而是南瓜的话，我可就惨了。原来上帝安排橡果长在树上、南瓜长在地上是对的，现在我明白这个道理了。”

我亲爱的读者们，你们肯定也会同意加罗的看法吧。如果橡树上长的是南瓜，还有谁敢在橡树下乘凉呢？

如果掉落的橡果让加罗明白了上帝的安排是正确的，那么掉落的苹果让牛顿明白了：上帝都是按照数量、重量以及质量来安排一切事物的，天体都是遵循一定的力学定律才能够有规律地运动的。牛顿从小就对知识充满了渴望，在他很小的时候，当他走过一片苹果园的时候，突然有一颗苹果落在他面前。要是你的话，肯定会把它捡起来，然后吃掉，就没了。可是，当时的牛顿就问自己：为什么苹果会掉落？真是个愚蠢的问题！你肯定会说：苹果是因为太熟了，所以才从树枝上掉下来的。但是等一等，先回答我的问题，可能你就会觉得很难不去思考一个小小思想家所提出的疑问。

假如苹果是在和白杨树一样高的苹果树上，它还是会掉下来吗？毫无疑问，会的。假如是从有这棵苹果树10倍甚至是100倍高的树上呢？苹果还是会掉下来的。我们都非常清楚石头会从塔顶或者山顶掉下来。假如这棵苹果树奇迹般地长到4千米高，那么苹果还是会掉下来吗？还是会的。这就如同坐在上升的热气球里的人往外扔物体一样，无论气球升到多高的地方，被扔出的物体终究会落到地球上的。既然这样，那苹果在40千米、400千米，甚至是4000千米的地方，还是会掉到地面吗？还在质疑吗？没有什么好质疑的：无论苹果在多高的地方，它还是会掉到地面上的。不同的是，从越高的地方落下来，落到地面的瞬间速度就越大。

那么现在，我和你们都赞成这个观点：无论这棵苹果树耸入云间还是消失在天际，苹果总归是会掉到地面的。但是，假如把苹果换成铅球呢，还是会像苹果一样掉到地面上吗？当然会啊，你肯定会这样回答，因为铅球比苹果重，不论从多高的地方，肯定会比苹果更容易掉下来。回答得很好，那么照你们看，苹果和铅球不管从多高的地方掉下来，都是会掉到地面的。关于物体的落下是否与高度有关系，你们也解释得很清楚了。有时候我甚至会觉得即使铅球是在月球那么远的地方，也还是会掉到地面上的。你们觉得呢？这个问题，值得深思。是啊，如果没有什么阻止它落下，它怎么可能不落到地面呢？照你们所说的，应该是会落到地面的。

在一个洒满月光的夜晚，当你们抬头望着天空时，看见了那颗巨大的会发光的球了吗，它没有任何支撑地悬挂在夜空中？小心一点！照你们所说的那样，这颗球会以飞快的速度落下，重重地砸在我们头上。这颗巨大的球就是月球，它的面积是地球的五十分之一。到时候，你们肯定会尖叫：“啊，月亮掉下来了！”是的，亲爱的小读者们，月亮确实掉下来了，那么也引出了牛顿坐在苹果树下所思考的问题。如果月亮落到我们所在的地方，那么在巨大的撞击力下，地球上的一切都会被撞得粉碎，最终毁灭。事实上，月亮总是在下降的，不过不必惊慌，因为即使月亮总是持续在下降，但是它和地球的距离是始终保持不变的。在你们看来，这似乎是很矛盾的。那么，我们马上继续最开始的研究，就可以得到一个很好的解释了。

我从地上捡起一块石头，松开手，那么石头就会掉回地面，如果是一块木头、一个铁球、一滴水、一颗子弹，结果也是一样的。但是像烟、云或者气球，是不会落到地面，相反它会升到空中，在特定的高度悬浮着。被扔出去的物体一定会掉回地面这个基本定律并不适用于所有物体。这是因为这些能够悬浮在空中的物体本身的特性，还是因为受到外界的影响呢？站在地面上扔木头时，木头会掉回地面，但是站在水里时，木头并不会沉下去，而是会浮到水面，这是因为木头比水轻。

现在地球上的我们就好像处在浩瀚的海洋底部一样，因为地球的周围就是一片大气海洋，而我们就在大气海洋的底部。因此，比周围空气轻的烟和云朵当然会从大气海洋的底部上升，就像在海底的木头会浮到海面一样。但是如果没有空气的话，那么烟呀，云朵呀，还有气球都不会上升，这时候一切物体都会像铅球一样落到地面。而且，在没有空气的情况下，所有的物体会以相同的速度下落。石头啊，木头啊，软木塞啊，金属啊等，尽管它们的性质以及重量是如此不同，但是假如在同一时刻，同一高度，扔下这些物体，那么它们将会同时到达地面。也就是说，假如同时扔出的是一个100千克的铅球和一小撮蓟花冠毛，那么它们会同时到达地面。到这里，我已经从你们疑惑的表情中感觉到怀疑的气息了。什么？不可能吧？开玩笑吧？一张纸、一片羽毛、一朵棉花从空中落下的速度怎么可能和铅球落下的速度一样呢？假如往窗外同时扔出一个铅球和一张纸，我们很清楚：铅球肯定会先落到地面，而纸会在空中飘一会儿再落到地面。这点我同意，但是在指责我的错误之前，让我们再来看看这个按照你们的思考方式所设想出来的“绝对正确”的实验。

我要告诉你们的是：金属球之所以会先于纸张到达地面，是空气造成的，因为空气会对两个物体产生阻力，影响物体的下落。对于纸张来说，这个阻力是非常大的，因为纸张的表面积大，质量又小；但是对于金属球来说，空气阻力就非常小了，因为金属球表面积小，质量又大。因此，既然这个阻力对于铅球来说比较小，那么它当然会先落到地面。假设有两个人，他们的跑步水平是一样的，当他们在一片布满草丛的地面上跑时，谁会先到达终点呢，是那个可以迅速推开草丛的强壮的，还是那个只能费力推开草丛的瘦弱的呢？很明显，当然是前者会先到达。那么，铅球也是这样的，比起纸张，它更强更重，因此它就可以轻而易举地冲破阻力，率先到达终点。

我们再来看一下这两个人在密密麻麻的草丛中赛跑的例子。在这个例子中，假如第二个人没有自己开辟出一条路，而是紧跟在第一个人的后面，直接从第一个人开辟的路跑过去，在没有任何阻碍的情况下，作为一名好的跑步健将他肯定会紧随前面一个人到达终点的吧？你会说：那是肯定的啊。好，我们现在就要先扔出金属球，再扔出纸张，那么金属球就可以在前面开出一条路来，然后呢，我们就会看见纸张沿着金属球所走的路线落下，而且它的速度是和金属球的一样的。现在呢，我们拿出一个一分硬币和一张纸，用剪刀在纸上剪出一个和硬币大小差不多的圆形，然后把这个小圆形放在硬币上面，记住不是用胶水把它粘住，但是可以用唾液，让它糊在上面，然后把硬币和纸张放在手指上，纸面向上，让它们从窗户落下。当听到硬币落地的声音时，实验结束了。我们会发现硬币和纸张是同时到达地面的。无论你站在多高的地方做这个实验，结果都会是一样的：硬币和纸张会一起到达地面，除非纸张在下落的途中脱离硬币。

不可以说是硬币推着纸张下落的，因为硬币是在纸张的下面。这两者之所以能够同时达到，只是因为它们在下落的过程中有着相同的速度，这就跟空气中没有阻力的情况是一样的。那么我们可以得出这样的结论：如果没有空气阻力，所有的物体下落的速度都是一样的。那现在你们相信这条很不可思议的定律是正确的了吧，我希望下次你们在说某一件事不可能之前，先找出证据。世界上有很多看似不可能的事情在经过思考之后，就变成铁铮铮的事实了。

落下的物体到达地面时就会停止，因为坚固的地面阻止了它的前进。但是假如是落到一个无底洞呢，那么它会朝哪个方向前进呢？这就是我们需要找寻的答案。

首先，我们用一条绳子的一端系一颗子弹，这样就形成了一条铅垂线，然后拿着绳子的另一端，让子弹自然下垂，这时候子弹就会随意摆动，但是到最后它还是会停下来的。当子弹完全静止时，被拉直的绳子所指的方向就是子弹的方向，因为很明显：绳子不可能在没有被拉伸的情况下，往子弹的方向走的。因此，为了找出物体落下的方向，我们只需要找出铅垂线所指的方向。举个例子，假如你把铅垂线放在绝对静止的水面上，然后观察，你会发现铅垂线并不会往任何一个方向偏，而是竖直向下的，也就是说：是垂直的。绳子所指的方向就是垂直方向。与静止的水面垂直的线是不会向任何一个方向倾斜的，这条垂直线就是这个水面的垂线，而这个水面就叫做水平面。

这个确保垂直的方法在很多地方都用得到，而且很重要，特别是在建筑中，如果建筑工人在施工过程中没有确保这条铅垂线是直的的话，那么建筑就会不稳。假设你现在要确认房子的一角是不是直的，那么你就应该站在这个角的前面，拿一个铅垂线，让它自然下垂，然后看一下墙角这条竖直的线是不是被这个铅垂线完全挡住了，如果没有被挡住，那就说明房子没有建好，是斜的。

刚刚我们学习到：物体落下的轨迹是与静止的水面垂直的，也就是说物体是垂直落下的。现在我们用海平面来代替这个水面，那么从上面掉下来的物体每时每刻都是与这个水面保持垂直的。我们知道水面都是球面的，因为地球表面是球面的关系，而其他物体并没有这个规律。无论是海平面、湖面还是盆或水桶里的水面，因为它们的面积很小，表现出来的球面不是那么明显，所以我们就暂且把它们当成是平面。如果物体是垂直落到平静的海面和水平面，那我们可以得出什么样的结论呢？在下面的这幅图中，我们用以O为中心的球体来代替地球，有三条线A、B、C是与球面垂直的，也就是说这三条线与球面上的弧线是完全垂直的，没有任何偏移，假如把这三条线延长的话，它们最终将在O点相交，但是我们来看一下D这条线，它并不是与球面垂直，而是偏向一方，那么延长它的话，是不会通过O点的。因此，既然物体都是垂直地落到地球表面，那么落下的物体肯定都会往地球中心移动。

在这个中心点有着什么东西，能够吸引所有的物体都朝它运动呢？是不是有一块具有强大力量的磁铁在里面呢，就像普通磁铁能够吸引铁一样？不是的，它的里面并不存在那样一块磁铁。我们并不是很清楚在地球中心到底有什么东西，但是有一点可以肯定的是：所有物体之所以会朝地球中心方向运动并不是因为那个中心里面的任何东西。假如让一个物体自动下落，它能够落到地面，是因为地球的引力。这个引力不专属于地球的任何一部分，而是整个地球的所有部分共同作用的结果，有向左的力、向右的力、向上的力，还有向下的力，这些力中的任何一个力单独作用都可能会引起落下的物体向这个方向运动，只有这些力同时作用时，才会让掉落的物体向地球中心的方向运动。

一辆由两匹马拉着的马车，如果只给右边的那匹马套上马缰，那么这辆马车会向右偏；如果只给左边的马套上马缰，那么它就会向左偏；如果同时给两匹马套上马缰，那么这辆马车就会往前直走。对于一个自由落体的物体来说也是这样的，我们假设地球是可以分两部分的，左边的部分呢，就相当于马车左边的马，右边的部分呢，就相当于马车右边的马，如果只是右边的力起作用，那么物体的运动方向就会偏右，如果只是左边的力起作用，那么物体就会向左运动，如果是两个力同时起作用，那么物体就会向地球的中心落下。所以，所有的物体落下的方向都朝着地球中心并不是因为这个中心点存在着某种特殊的引力，而只是因为地球是以这个点为中心对称的。

实验证明物体自由落体时，第一秒走过的路程是4.9米。我们都知道一秒是非常短的，是一分钟的1/60，而一分钟只是一小时的1/60。自由落体时，物体的速度会越来越快，因此每秒下落的距离就越来越大，下落距离的规律如下表所示：

注意到了吗？4=2×2，9=3×3，16＝4×4，25＝5×5。也就是，如果要计算物体在某一时间内掉落的距离，

那么就要把这个时间乘以它运动的时间，然后再乘以4.9。

这个规律的应用非常有趣。假设你现在站在塔顶或者悬崖边，又或者在深井旁，你想要知道塔、悬崖的高度，或者井的深度。这时候，你只要站在这些地方，然后往下扔一块石头，接着用手表开始计时（如果没有手表，可以数自己脉搏跳动的次数），从物体落下的那一刻开始，到物体到达地面或井底的那一刻结束。假如整个过程花费了6秒，我们就用6乘以6得到36，然后再用36乘以4.9，得到176.4，这就是我们想要知道的数字，这个数字就是我们想要的高度或者深度的大概数。