【資料來源:科學教授 故鄉出版社】
一、夏季或冬季的鐵軌較長
倘若有人問:「連接莫斯科與列寧格勒的鐵路在十月份有多長?」
這時,也許會有人回答:「平均約六百四十公里,夏季則比冬季長約三百公尺。」
這種解答,乍聽之下好像相當有道理。如果從頭到尾只有一條鐵軌,鐵軌之間沒有任何接合處,則鐵軌在夏天時當然比冬天長。因為當溫度上升攝氏一度時,鐵軌就會增加原長度的十萬分之一。在炎熱的夏季,鐵軌受到陽光的加熱,溫度為攝氏三○~四○度,有時甚至更高,高得伸手去摸,可能熱得幾乎會燙傷的程度。但是,在寒冷的冬天,鐵軌的溫度則會降低到攝氏零下二五度。因此、假定冬夏鐵軌的溫差為攝氏五五度,則以鐵軌全長六百四十公里,乘上0.00001與55,解答為三百五十二公尺。則知莫斯科到列寧格勒鐵軌,夏天比冬天長三百五十二公尺。
當然,這裏的變化並非指鐵路的長度,而是指各條鐵軌長度的合計罷了。我們必須知道,鐵路長度和鐵軌長度並不相同。因為鐵路上的各條鐵軌,並非完全密切接合著;兩條鐵軌之間,往往留有一點空隙,在夏天被加熱時,鐵軌才可能自由伸展。由上面的計算顯示,鐵軌全長的合計,當然比考慮鐵軌間空隙長度的合計更長。換言之,炎夏的鐵軌比酷冬時伸展了三百五十二公尺。因此,十月鐵路的實際長度,夏天比冬天長約三百五十二公尺。
二、冬天會縮短的電線
每年一到冬天,莫斯科和列寧格勒間一部分電話和電信的電線,就會神秘失蹤。大家都知道,主犯便是酷寒的氣候。在前章所提有關鐵軌的事情,也適用於電線。但是,在溫度上升時,鋼絲的伸展比鐵絲大1.5倍。電話線和鐵軌不同,事先未曾留有空隙。因此,莫斯科到列寧格勒的電話線,冬天比夏天短約五百公尺,這種說法是有根據的。
每年冬天來臨時,寒冷就會竊取約五百公尺的電線,造成電話與電信上的混亂現象;直到暖和的季節,被竊的電線才會失而復得。
但是,在冬天,如果橋樑發生類似的縮短情形,則會造成不可收拾的危險。例如:一九二七年十二月的報紙,會有一段如下的記事。
「今年和往年不同,寒流連日的侵襲,使得法國全境都受到嚴重的影響。巴黎中心塞納河上的橋樑就被破壞。橋樑的鋼架因寒冷而縮小,造成橋上的鋪設材料浮升而支離破碎;所以這座橋暫時禁止通行。」
三、艾菲爾鐵塔的高度
從前章的敘述可知,艾菲爾鐵塔的高度(三百公尺),夏天和冬天也不盡相同。因為這種巨大的鐵製建築物,無法在任何溫度下,都維持固定的高度。而常溫度升高攝氏一度時,長度為二百公尺的鐵棒,就會增加原長度十萬分之一的長度,也就是三公厘。同理可知,當溫度升高攝氏一度時艾菲爾鐵塔也會升高三公匣。夏季晴朗的天氣,巴黎艾菲爾鐵塔之鐵材溫度會高達四○度;氣溫較低的雨天,則會降低到攝氏一○度;此外,在寒冷的冬天,鐵材則會降低到攝氏0度或攝氏零下一○度(在巴黎,降低到攝氏零下二○度以下的情形很少)。因此,溫度變化的輻度為攝氏四○度,也許還大於這數字…艾菲爾鐵塔的高度變化則為3×40=120公厘。換言之,變化輻度為十二公分。
根據直接測定的結果,艾菲爾鐵塔對溫度的變化比空氣還敏感;也就是說,無論伸張或收縮,艾菲爾鐵塔都比空氣快。縱使在陰天,太陽突然自雲端露臉,鐵塔的反應也比空氣敏銳迅速。關於這方面的測定,可利用溫度變化而長度不變的特殊鎳鋼絲。
由此可知,在炎熱的夏季,艾菲爾鐵塔的頂端,比寒冷時伸展了約十二公分。
四、為什麼熱水會使玻璃杯破裂?
要將熱水倒進玻璃杯中時,熟練的主婦就會先在杯中放一個湯匙。湯匙若為銀製則更佳。這雖然是日常生活上的普通常識,但這種方法究竟根據什麼原理呢?
我不妨先說明,為什麼熱水會使玻璃杯破裂。
原因是玻璃的膨脹不均勻,所以會破裂。因為當熱水進入杯子時,杯子的側壁無法一下子全被加熱。首先,側壁內側會被加熱,但外側仍停留在冷卻的狀態。因此,內側部分迅速膨脹,而外側部分卻維持原狀;所以外側會受到內側的強壓,將玻璃杯震破。
某些人以為較厚的杯子就不容易破裂,其實這是錯誤的觀念。因為,倒進熱水時,厚杯子更容易破,薄杯子反而較難破裂。原因是薄杯子的外側可以立刻被加熱,而促使內外溫度相等,膨脹也會因而均勻。但是,厚杯子的外側不可能立即被加熱,所以內外的溫差就大了。
然而,薄杯子僅僅側壁薄還不夠,杯底也必須要薄。因為,在倒進熱水時,首先被加熱的是杯底。如果杯底很厚,即使側壁很薄也沒用,杯子依舊會被。此外杯底附帶著厚臺的玻璃杯,也比較容易破裂。
玻璃容器愈薄,承受熱冰就愈不易破裂。例如非常薄的燒杯,在杯中放水,直接用瓦斯爐來加熱,也不會破裂。
如果加熱時能完全不膨脹,才是最理想的容器,目前,熱膨脹率最小的是石英,其膨脹只是玻璃的十五分之一,甚至二十分之一罷了。因此,透明的石英製容器,無論你如何加熱,它都不會破裂。就是把加熱成赤色的石英製容器,立刻丟入冰水中,它也不會破裂。而石英的熱傳導力比玻璃大很多,這也是一項主要原因。
現在,熱膨脹率小而能承受溫度積極變化之無水棚酸和二氧化矽合成的棚酸矽玻璃,或者石英玻璃製成的耐熱容器。杯子和鍋子,都已經為人類所使用。
玻璃杯不但在突然加熱時不耐用,就是在突然冷卻時,也很容易破裂;理由為收縮不均勻。換言之,在冷卻時,外側已開始收縮,內側卻尚未收縮;因此,外側壓迫內側,而導致破裂。所以,在把熱果醬放入瓶中後,務必要避免將瓶子放進水中冷卻。
說明到這裏,我再來分析杯中放進湯匙的作用。
在加熱時,杯子內側和外側的差異很大:這種情形發生在一下子就把熱開水注入杯中。如果注入的是冷水,就不會產生太大的差異;也就是說,杯子各部分的膨脹沒多大差異,杯子就不可能破裂。而在杯中放進湯匙,究竟有什麼作用呢?因為在熱水倒入熱傳導率低的玻璃杯時,湯匙會吸收一部分熱;假如湯匙為金屬製成,則是熱的良好導體。它能使熱水的溫度降低,使熱水變成溫水;在這種情況下,杯子當然不會破裂。按著,我們繼績倒入開水,就不會有太大的危險,因為玻璃杯的溫度只會升高一點點而已。
簡言之,將湯匙(尤其是大湯匙)放進杯中時,杯子就會均勻地被加熱;這樣一來,就能避免玻璃杯破裂。
銀匙為什麼更好呢,因為銀匙是熱的良好導體,銀匙吸收熱水中的熱量,比黃銅匙快多了。如果把銀匙放進裝熱水的杯中,手指卻忘記放開,則手指恐怕會被燙傷;由此可知,銀的熱傳導很快,相信大家都有過類似的經驗。也可由湯匙燙手的程度,來判斷湯匙的材料是什麼。幾乎燙傷手指的是銀匙,否則便是黃銅湯匙,由於玻璃杯側壁的膨脹不均勻,才導致玻璃杯破裂。然而這種狀況未必僅僅發生在玻璃杯,測定鍋爐水位的水位計,也會發生相同的情形。水位計是一種玻璃管,它的內側比外側更容易受水蒸氣或熱水加熱所影響而膨脹。由於管內的蒸氣和熱水的壓力大,玻璃管很快就被破壞。應該如何防止呢?一般水位計的內側和外側,是用不同的玻璃製造而成,就內側玻璃的質地而言,它的熱膨脹率比外側的玻璃小。
五、泡過熱水澡後腳穿不進長統靴嗎?
「冬天晝短夜長,夏天則恰巧相反,為什麼?因為在冬天,一切物體都因寒冷而縮小,白晝也因寒冷而縮短;夜晚則因為有燈火,有蠟燭,比較溫暖,所以夜晚變長。」
蘇俄作家契詞夫在其短篇小說「痴呆的退役下士」中,就有這種荒誕的想法,令人看了忍唆不住。雖然我們覺得這想法十分可笑,但往往有人抱持與之類似的傻觀念。在古代,便有蘇俄人認為,剛泡過熱水澡後,腳會膨脹,所以穿不進長統靴;當然,這觀念有矯正的必要。
當我們泡在浴缸裏時,體溫不會升高太多;通常在一度以下,如果洗蒸氣浴,頂多也不會超過二度。人體不容易受周圍的溫度影響,能保持一定的體溫,所以這就是人和哺乳動物被稱為「恆溫動物」的理由。
縱使我們的體溫增加一度或二度,但身體體積的膨脹程度卻很小,連自己也不會感覺到,穿長統靴當然毫無問題。人體柔軟部分和堅硬部分的膨脹率,都在幾千分之一以下;因此,腳板底面的寬度或小腿的粗度,最多只會增加0.01公分。
這種0.01公分的增加,會影響穿長統靴嗎?除非蘇俄的長統靴都太合腳了,嚴密得連一根手部無法容納。
我們在浴缸裏泡過熱水澡,腳之所以穿不進長統靴,跟腳的熱膨脹完全無關。真正的原因是我們的腳充血,腳的表皮會因吸收水分而鼓起,使得表皮擴張,所以無法穿進長統靴。