第一节 压力和压强

蛋壳与物理学　

　　蛋壳对于压力的承受力是惊人的。人人皆知的是，在中国杂技佳作中，不仅有人踩鸡蛋的节目，更有提起两桶水踩蛋的精彩表演。这是巧妙地利用蛋壳承受压力能力的一个极好的例子。蛋不仅是整个生物界最大的单体细胞，以现代技术和工程知识系统的眼光来看，它还是一个集工程学、建筑学、防卫战略、保存能量和使空间利用达到最佳化与将其最完美结合于一身的大自然的绝妙之作。应该说，朴实无华的一枚蛋综合了人类只是在其文明进程的后来阶段才认识并加以应用的概念。蛋利用了拱顶的原理，由于所需要的作用不同，蛋壳对于拉力和压力有着不同的承受力。蛋壳虽然是绝缘材料，但又能让空气和湿气透过。在仅仅数厘米大的微小空间内囊括了多项先进的技术。　
　　我们的观察首先从鸡蛋，特别是从蛋壳开始。蛋壳是由94%的碳酸钙（以方解石晶体的形式）、1%的碳酸镁、1%的磷酸钙和4%的蛋白质构成的。方解石晶体基本上是随意排列的，因此在晶体之间形成了许许多多的小孔，这些蛋孔可以让空气和湿气能通过，而空气和湿度对于雏鸡，当然还有细菌（比如沙门氏菌）的生存来说是必不可少的。
　　方解石晶体的排列赋予了蛋壳与其作用相称的一个完美的结构，也就是它能够抗较大的压力，但对于拉力来说相对较弱。这样，如果通过两介凸出的顶端，对蛋壳施加压力，那么鸡蛋抗压力就显得很强，这也是由它们的拱状结构的力学特性决定的，拱形结构使圆屋顶和拱形物能够承受巨大的重量。在这种状态下，压力沿拱状结构（也就是沿蛋壁）分布，而不会使结构断裂。而蛋壳又必须是易碎的，这样雏鸡只用微弱的力就能破壳而出。雏鸡用嘴向外用力，从蛋壳内部看呈凹形的顶部很容易碎裂，因为它的抗拉力很弱。一个绝妙的以气室（类似一种安全气囊）和卵带（两根缠绕在一起的筋把蛋黄固定住）为基础的弹性气动系统可确保蛋黄位于蛋的中心位置。

帕斯卡生平简介 (1623-1662)

      帕斯卡（Pascal，Blaise），法国数学家、物理学家、近代概率论的奠基者．他提出一个关于液体压力的定律，后人称为帕斯卡定律．他建立的直觉主义原则对于后来一些哲学家，如卢梭和伯格森等都有影响．
    帕斯卡生于法国奥弗涅的克莱蒙费朗，帕斯卡从小就智力高人一等，12岁时就爱上数学，他父亲是一位受人尊敬的数学家，在其精心地教育下，帕斯卡很小时就精通欧几里得几何，他自己独立地发现出欧几里得的前32条定理，而且顺序也完全正确．12岁独自发现了 “三角形的内角和等于180度”后，开始师从父亲学习数学．16岁就参加巴黎数学家和物理学家小组（法国科学院的前身），17岁时写成数学水平很高的《圆锥截线论》一文，这是他研究德扎尔格关于综合射影几何的经典工作的结果．笛卡儿坚决不相信16岁的孩子能够写出来这样的书，帕斯卡反过来也不承认笛卡儿的解析几何的价值．1642年，刚满19岁的他，设计制造了世界上第一架机械式计算装置——使用齿轮进行加减运算的计算机，原只是想帮助他父亲计算税收用，这是他为了减轻父亲计算中的负担，动脑筋想出来的，却因此而闻名于当时，它成为后来的计算机的雏型．在加法机研制成功之后，帕斯卡认为：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维活动．
    1646年前帕斯卡一家都信奉天主教．由于他父亲的一场病，使他同一种更加深奥的宗教信仰方式有所接触，对他以后的生活影响很大．帕斯卡和数学家费马通信，他们一起解决某一个上流社会的赌徒兼业余哲学家送来的一个问题，他弄不清楚他赌掷三个骰子出现某种组合时为什么老是输钱．在他们解决这个问题的过程中，奠定了近代概率论的基础．在他暂短的一生中作出了许多贡献，以在数学及物理学中的贡献最大．1646年他为了检验意大利物理学家伽利略和托里拆利的理论，制作了水银气压计，在能俯视巴黎的克莱蒙费朗的山顶上反复地进行了大气压的实验，为流体动力学和流体静力学的研究铺平了道路．实验中他为了改进托里拆利的气压汁，他在帕斯卡定律的基础上发明了注射器，并创造了水压机．他关于真空问题的研究和著作，更加提高了他的声望．他从小就体质虚弱，又因过度劳累而使疾病缠身．然而正是他在病休的1651～1654年间，紧张地进行科学工作，写成了关于液体平衡、空气的重量和密度及算术三角形等多篇论文，后一篇论文成为概率论的基础．在1655~1659年间还写了许多宗教著作．晚年，有人建议他把关于旋轮线的研究结果发表出来，于是他又沉浸于科学兴趣之中，但从1659年2月起，病情加重，使他不能正常工作，而安于虔诚的宗教生活．最后，在巨大的病痛中逝世．
    帕斯卡定律是流体（气体或液体）力学中，指封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁．帕斯卡首先阐述了此定律．压强等于作用力除以作用面积．根据帕斯卡原理，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量．如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍，而两个活塞上的压强仍然相等．水压机就是帕斯卡原理的实例．它具有多种用途，如液压制动等．帕斯卡还发现：静止流体中任一点的压强各向相等，即该点在通过它的所有平面上的压强都相等．这一事实也称作帕斯卡原理（定律）．
    帕斯卡在数学方面的贡献也很杰出．1639年，他在一篇出色的数学论文《论圆锥曲线》，提出了一条定理，后人把它叫做帕斯卡定理．他还提出了有名的帕斯卡三角形，阐明了代数中二项式展开的系数规律．数学家德札尔格非常欣赏帕斯卡的才华，把这个曲线命名为 “帕斯卡神秘六线形”，并亲自担任了帕斯卡的教师．
    在他撰写的哲学名著《思想录》 里，帕斯卡留给世人一句名言：“人只不过是一根芦苇， 是自然界最脆弱的东西，但他是一根有思想的芦苇．” 科学界铭记着帕斯卡的功绩，国际单位制规定“压强”单位为“帕斯卡”，是因为他率先提出了描述液体压强性质的“帕斯卡定律”．计算机领域更不会忘记帕斯卡的贡献，1971年面世的PASCAL语言，也是为了纪念这位先驱，使帕斯卡的英名长留在电脑时代里．

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