给孩子的趣味科学:趣味物理学
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这不是个开玩笑的问题

这里还有一个更有趣的问题:在一辆行驶的火车上,譬如说在一辆从圣彼得堡开往莫斯科的火车上,是否存在这样一些点,相对于火车路基来说,是朝相反方向运动的,也就是从莫斯科向圣彼得堡方向运动?

是的,在任意瞬间,在每个火车车轮上,都有这样朝相反方向运动的点。那么,这些点究竟在火车车轮的什么地方呢?

您当然知道,火车的车轮边缘上有一个凸出的边(凸缘),就是位于这个凸缘下部的点,在火车向前行进时绝对不是向前走的,而是向后走。

这个是不难证实的,让我们做一个小实验。找一个小圆片,比如一枚硬币或者纽扣,用蜡把一根火柴棍粘在这个小圆片上,要沿着小圆片的半径粘这根火柴棍,并且让很长一段火柴棍伸到小圆片的外面。现在,我们把这个小圆片放在直尺边上,在点C的位置(图8),按住,然后把这个小圆片从右向左略微滚动。这时可以看到,火柴棍上伸到圆片以外的那些点F、E和D并不是向前移动,而是向后。火柴棍上距离小圆片边缘越远的点,在小圆片向前滚动时的倒退现象就越明显(D点移动到了D'位置)。

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图8 圆圈与火柴棍的实验。在这里轮子是向左边滚动的,然而火柴棍上伸到轮外的那部分上的点F、D、E却是向相反方向移动的

火车车轮凸缘上点的运动情况,同我们这个实验中火柴棍上伸到圆片以外的那部分的运动情况是相同的。

现在您不应该觉得奇怪了吧,在火车上的确存在着不是向前运动、而是向后运动的点。

当然,这个反方向的运动只会持续几分之一秒,但是不管怎么说,前进中的火车上还是可以观察到反方向的运动,这和我们平时的印象是不一样的。这个结论,在图9和图10上可以找到很好的解释。

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图9 当火车车轮向左滚动时,车轮凸缘的下部却是向右运动的,也就是说,是朝相反方向运动的

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图10 本图上方给出的曲线是旋轮线,车轮边缘上的每一个点,在车轮向前滚动时都会画出一条这样的旋轮线。而下方给出的,是火车车轮凸缘上的点在火车前进时画出的曲线