《物理马戏团》是吉尔·沃克最知名的著作，已经译成十多种语言，风行世界三十多年，仍持续受到广大读者的欢迎，是物理迷们的顶级手册。《物理马戏团(运动学和声学问题)》共二章节，内容包括让你艺高人胆大的运动学问题、让你艺高人胆大的声学问题。本书给供物理爱好者阅读参考。

你知道路灯亮起的顺序吗？走钢丝的人是怎么保持身体平衡的呢？打水漂激发了一项武器的发明？小小的牛蛙怎么呱呱叫得那么大声？在哪个方向更易听到别人的悄悄话？耳朵也能发出声音？

物理并不是那些必须在物理教室里才能解决的问题。物理现象和物理问题每天都在发生，且与我们生活、工作、恋爱、甚至生老病死息息相关。希望《物理马戏团(运动学和声学问题)》（作者吉尔·沃克）能唤起你对物理的兴趣，找到你自己世界的物理马戏团。当你在做饭、搭飞机或只是懒洋洋地趟在小溪边，却开始思索物理问题时用到《物理马戏团(运动学和声学问题)》就值得了。总而言之，请各位以发掘趣味的心情来面对这些问题。

第一章 让你艺高人胆大的运动学问题

1.1 雨中穿行，跑还是走 002

1.2 车辆排队与交通阻塞 003

1.3 高速公路上的波动现象 005

1.4 汽车的最小尾随距离 007

1.5 闯黄灯 008

1.6 车辆的回形滑行与紧急刹车009

1.7 滑动如何发生（是滑行还是不滑行？）011

1.8 刹车013

1.9 刹车痕迹的记录016

1.10 啄木鸟、大角羊和脑震荡018

1.11 重力加速度的游戏019

1.12 迎面撞车021

1.13 火车头游戏022

1.14 追尾撞车与颈部过度曲张损伤023

1.15 赛车的转弯024

1.16 短跑跑道026

1.17 飞机起飞的幻象027

1.18 加拿大航空公司143号航班事故028

1.19 游乐园里的刺激与战栗030

1.20 马戏团的环绕滑车表演034

1.21 抓住一只飞过来的球037

1.22 高球039

1.23 击打棒球041

1.24  橄榄球的传球046

1.25 接抛杂耍047

1.26 撑竿跳高048

1.27 梭镖发射器和蟾蜍的舌头049

1.28 投石器051

1.29 印第安战斧053

1.30 流星锤054

1.31 攻城武器056

1.32 人体炮弹058

1.33 投篮060

1.34 罚球线上的纪录062

1.35 篮球和芭蕾中的悬空062

1.36 高尔夫球064

1.37 流星撞击来临前的死亡帷幕 066

1.38 跳高和跳远067

1.39 跳豆072

1.40 磕头虫的后空翻和螳螂虾的攻击073

1.41 破纪录的举重075

1.42 连锁碰撞076

1.43 扔下一堆球080

1.44 一个碰撞试验084

1.45 空手道084

1.46 拳击运动088

1.47 人行天桥的倒塌089

1.48 世贸中心的坍塌091

1.49 从破纪录的高度落下092

1.50 一次冒险的跳伞营救094

1.51 从高处坠落的猫096

1.52 冲地俯跳和蹦极097

1.53 被困在下落的电梯间099

1.54 炸弹撞击帝国大厦100

1.55 打架时跌倒及跳伞运动中落地102

1.56 胸口碎大石103

1.57 悬着的汤匙105

1.58 移动的岩石106

1.59 绳结107

1.60 攀岩109

1.61 大角羊攀岩114

1.62 在复活节岛上拖动雕像115

1.63 高耸的巨石阵115

1.64 为埃及金字塔抬起石块118

1.65 机灵鬼120

1.66 倾斜的砖塔121

1.67 比萨斜塔125

1.68 倒下的多米诺骨牌126

1.69 倒下的烟囱、铅笔和树木128

1.70 断裂的笔尖131

1.71 桥的断裂133

1.72 火车的弯折136

1.73 保龄球比赛中的全中137

1.74 美式台球和台球中的碰撞139

1.75 迷你高尔夫144

1.76 玩超级弹球（弹力球）中的技巧145

1.77 壁球149

1.78 一记颇具争议的进球151

1.79 网球152

1.80 自行车和摩托车155

1.81 摩托车的飞跃157

1.82 滑板158

1.83 投掷马蹄铁160

1.84 转呼啦圈和投套索162

1.85 溜溜球163

1.86 展开绳索、释放溜溜球166

1.87 驾车穿越音障169

1.88 旋转实验爆炸170

1.89 皮划艇的滚动171

1.90 苏格兰冰壶172

1.91 走钢丝174

1.92 斗牛175

1.93 撕扯卫生纸176

1.94 石头和炸弹的水漂177

1.95 旋转的滑冰运动员180

1.96 转书181

1.97 猫的坠落、宇航员的滑稽动作，以及跳水183

1.98 四空翻187

1.99 翻转的吐司188

1.100 芭蕾189

1.101 滑雪191

1.102 冰面逃生195

1.103 转动的顺序问题196

1.104 陀螺的特性197

1.105 任性的行李箱200

1.106 倒转陀螺201

1.107 旋转的鸡蛋202

1.108 空竹202

1.109 回旋陀螺205

1.110 摆动的硬币和瓶子206

1.111 柔道、合气道和奥运会的摔跤207

1.112 子弹自旋和长传210

1.113 荡秋千212

1.114 香炉摆213

1.115 陷阱里的钟摆214

1.116 倒立的钟摆，独轮车骑手216

1.117 头顶货物217

1.118 用摆动的扁担挑担子218

1.119 耦合摆220

1.120 弹簧摆222

1.121 不会响的铃铛225

1.122 意大利面效应226

1.123 蜘蛛和苍蝇227

1.124 步行桥和舞台地板的晃动229

1.125 建筑和岩石中的不稳定平衡232

1.126 沉没的库尔斯克号核潜艇234

1.127 沙漠蝎的侦测236

1.128 雪浪237

1.129 足球场人浪238

1.130 防弹衣239

1.131 弓箭手的悖论240

1.132 摆动的植物242

1.133 高层建筑物的振荡243

1.134 跳板跳水244

1.135 抛投飞钩245

1.136 福克兰群岛战役中的巨炮247

1.137 杰克和通向太空的豆茎249

1.138 春倦症和鸡蛋的站立250

1.139 都是月亮惹的祸252

1.140 重力山253

1.141 从地心穿过255

1.142 塑料购物袋拉伸257

1.143 巨人之路和淀粉柱258

1.144 断裂的指甲259

1.145 把纸揉成一个球团260

1.146 戏说爆炸扩张的悲惨案例261

1.147 悬挂的图片为什么会弯曲262

1.148 奇异双弹簧263

1.149 易拉罐的稳定性265

1.150 威尔伯福斯钟摆（韦氏耦合摆）266

1.151 短程高速赛车开动267

1.152 转弯还是停车268

1.153 与公共汽车擦身而过269

1.154 胶带的压迫区域270

1.155 弯道中的雪橇271

1.156 速度产生的停留272

1.157 小王子的家乡273

1.158 带着南瓜跳伞的人274

1.159 鱼很活跃时如何收线274

1.160 把戏棍275

1.161 带凹槽的木棍上的螺旋桨效应277

1.162 推铅球和掷链球278

1.163 滑雪赛下坡时的跳跃279

1.164 拉桌布280

1.165 用牙拉车281

1.166 颤动的椅子281

1.167 用手指提起一个人282

1.168 火箭和冰船的问题283

1.169 从地球到金星285

1.170 锤子的选择286

1.171 压力调节器287

1.172 手指上滑动棍子287

1.173 举行拔河比赛288

1.174 在坡上射击289

1.175 湿滑的路面上起动汽车289

1.176 平衡轮胎290

1.177 嘉年华上的瓶子摆动291

1.178 挂住高脚杯，准备破坏吧292

1.179 破坏的钻头293

1.180 摇摆的手表294

1.181 扁平的金门大桥294

1.182 追逐的火车295

1.183 汽车天线的振动296

1.184  船只的防侧倾蓄水池297

1.185 道路皱褶298

1.186 只看到的月球的一面299

1.187 间谍卫星300

1.188 空气阻力增加卫星速度301

1.189 8字形月球航行302

1.190 地球和太阳对月球的引力302

1.191 重力弹弓效应303

1.192 绘制印度地图303

1.193 用双刃刀片剃须304

1.194 河流侵蚀的习惯305

第二章 让你艺高人胆大的声学问题

2.1 狂风怒吼308

2.2 电线和松针在歌唱308

2.3 哨子和吹口哨310

2.4 说和唱313

2.5 用氦气说话316

2.6 用喉咙歌唱317

2.7 打鼾318

2.8 喘鸣声及咆哮声319

2.9 副栉龙发出的声音320

2.10 老虎和大象的声音321

2.11 牛蛙呱呱叫 322

2.12 蟋蟀和龙虾323

2.13 蛙坐在树腔里，蟋蟀挖洞325

2.14 澳大利亚蝉的攻击性326

2.15 企鹅的声音326

2.16 鲸鱼发出的啪嗒声327

2.17 反射音328

2.18 远距离的声音329

2.19 声影333

2.20 窃听苏联的潜艇335

2.21 拉拉队队长的号角和雾笛336

2.22 讲悄悄话要找准方向337

2.23 多普勒频移339

2.24 蝙蝠如何辨别昆虫341

2.25 蝙蝠如何辨别花朵344

2.26 在水下倾听345

2.27 鸡尾酒舞会效应346

2.28 耳朵发出的声音348

2.29 头部里的音乐349

2.30 噪声导致失聪352

2.31 噪声加强声波354

2.32 听筒和呼吸的声音355

2.33 拉紧吉他的弦和拉紧皮筋356

2.34 拉小提琴358

2.35 小提琴的光彩四散361

2.36 海螺壳362

2.37 迪吉里杜管 363

2.38 筒仓抖动及歌唱364

2.39 歌唱的波纹管365

2.40 咖啡杯的声学现象367

2.41 瓶子的共鸣368

2.42 黑板上的手指370

2.43 摩擦酒杯371

2.44 用声音粉碎酒杯373

2.45 潺潺小溪和雨水的声音374

2.46 罐子和烧杯的共鸣375

2.47 水管发出的隆隆声376

2.48 指关节发出的咔嚓声376

2.49 柯式声音 377

2.50 杀手虾的攻击379

2.51 沸水产生的声音380

2.52 食物被嚼碎发出的声音382

2.53 急促、尖锐的声音383

2.54 飞机和子弹发出的爆音384

2.55 火车隧道产生的爆音 387

2.56 打雷388

2.57 天上传出的神秘轰鸣声391

2.58 落石及树倒392

2.59 甩动皮鞭和湿毛巾394

2.60 咳嗽和打喷嚏395

2.61 房间中的音响，以及音乐厅396

2.62 各种围墙内的回音廊399

2.63 圣保罗大教堂内的回音廊400

2.64 墙壁、角落及树林产生的回声 402

2.65 楼梯和篱笆墙产生的音乐回声403

2.66 古时建筑的声学效果 405

2.67 一边沐浴一边唱歌406

2.68 楼上吵闹的邻居407

2.69 轰轰响的沙子和吱吱响的沙子408

2.70 开裂的冰和贝格赛尔策现象410

2.71 雪中的声音411

2.72 雪中走路的声音412

2.73 你能听出鼓的形状吗412

2.74 超低音波414

2.75 玉米成长的声音416

2.76 抖动布条发出的声音417

2.77 管道中的哨声417

2.78 斯林琪的哨声420

2.79 在永久冰冻的区域，有类似步枪射击发出的噪声421

2.80 极光和火球发出的声音421

2.81 澳大利亚的普瑞欧423

1．1闪电

闪电是由什么引起的？为什么雷声和闪光会出现？既然我们可以从很远的地方看到闪电，那么闪电是不是覆盖了很大的范围？

答案：闪电是云和地面之间强烈的放电现象。虽然现在人们已经可以计算和测量这种放电的细节，但是时至今日，人们仍然还没有完全理解云为什么会带有大量电荷，以及触发闪电现象的根本原因。目前对云带电的标准解释是，冰雹和更小的冰晶之间的碰撞，导致冰晶向冰雹转移了电子，这些电子最终降落到云层底部。使电子携带负电荷，因此，云层底部带负电，而云层顶部失去了这些电子，带正电荷。同时，也有少量正电荷存在于底部附近。

地面通常拥有大量可以自由移动的电子，但是，当一个带电的云在地面的一定高度上形成，这些可以自由移动的电子会被云层底部的负电荷赶走。因此，由于失去了电子，云层正下方的地面带正电荷。地面上的这些电荷和分布在云层中的电荷使云和地面之间形成了一个强大的电场。如果这个电场超过一个临界值，分布在云层底部的电子会突然跳跃到少量正电荷所在的位置，于平横截面积比人类大得多的物体在雨中移动，那么这个方法对它就不适用了。即使这样的物体移动速度和雨水水平方向上的速度相同，它的顶部依然会积聚数量可观的雨水。为了尽可能不被淋湿，它的移动速度越快越好。

如果你在雨中开车，你关心的是视野是否清晰，而不担心被雨淋湿。如果雨水是垂直落下或者迎面袭来，低速行车最为合适。如果顺着下雨的方向开车，最好以与雨水水平运动相同的速度行驶，但这可能很难做到。

1．2车辆排队与交通阻塞

如果想让熙熙攘攘的车流在街道上畅行无阻，该如何对十字路口交通灯变换的顺序设定时间呢？交通高峰时段开始后。定时会不会不同呢？为什么有时候，比如在风雪天，交通全面大堵塞，机动车基本原地不动的状况下，这个定时规则会失效呢？

答案：车子组成队伍行进被称为车队。现在假设车队在1号十字路口的红灯前停下了。当交通灯变绿灯以后，车队的领头车先加速，然后按照一定的驾驶速度行驶。在到达2号十字路口之前，那里的交通灯应该变绿，这样车队才不会减速。如果知道两个十字路口之间的距离、车队领头车一贯使用的加速度及匀速行驶的时间，就可以算出2号十字路口的交通灯应该在什么时候变绿。

交通灯变绿以后，车队靠后的车子将延迟出发，因为他们要等启动波传递到自己这里——也就是前面的车子先后一辆辆启动出发后才能轮到自己的车启动(车队里的所有司机不能同时加速启动)，这个过程大致需要几十秒。如果队尾的车子等了很长时间才启动，那么它就会被2号十字路口的红灯拦下。假设下一个车队和上一个车队一样长，或者比它还要长，那么被2号十字路口的红灯拦下的车辆将会更多。

如果车队越来越长，情况将会变得更糟糕。停在2号十字路口的车将会越来越多，一直延伸到1号十字路口，把双向的交通都堵死，这样就出现交通拥堵的现象了。为了减轻这个问题，1号和2号十字路口的红绿灯变化的顺序应该颠倒一下：2号十字路口的交通灯应该先于1号十字路口的交通灯变绿。这样的话，在第二个车队到达2号十字路口之前，第一个车队的车已经离开。交通灯变化的顺序可以由人工或电脑通过测试停在2号十字路口前的车子数量进行调整。

隧道(特别是不允许变换车道的隧道内)和双向单车道的乡间公路上也能看见车队。在这种情况下，当行驶较快的车遇到行驶较慢的车，比如卡车时，就会形成车队。在乡间公路上，如果司机能成功超过行驶较慢的车，就不会有车队了。  1．3高速公路上的波动现象

为什么当高速公路上的车流密度增大，司机减速或者加速会引起车流波动的现象，而且这种波动会沿着车流传播？这种车流波动可能是由交通事故或者抛锚的汽车阻挡车道产生的。有时，这些变化也有可能是由假车祸(诈领保险)引起的，在这种情况下，车辆更换车道等一些非常细小的变化就会导致交通流量减缓。那么，这种波动到底是沿着车流行驶的方向运动？还是和车流逆向而行呢？为什么即使事故车或抛锚的车辆被移走后，这些激波仍然会持续一段时间？P2-5

1968年的一个漆黑枯燥的夜晚，我的脑海中出现了“物理（飞行）马戏团”，那时我还是马里兰州大学的一名研究生。是的，事实上，对于大多数研究生来说几乎所有的夜晚都是漆黑枯燥的，但我想说的是那天晚上格外的漆黑枯燥。当时我是一名全职助教，那天早些时候我给我的一名学生莎朗出了一个测试题。她的题答得很差，最后却反过来质问我，她说：“这到底跟我今后的生活有什么关系啊？”

我跳起来对她说：“莎朗，这是物理！它跟你生活的方方面面都有关系！”

此时，她转过身子面向我，眼睛盯着我，用紧绷的声音和有节奏的语速对我说：“那你给我举出些例子。”

我想了半天一个也没想出来。学了六年物理，我竟然连一个例子都举不出来。

那天晚上我突然意识到，我面对的问题和莎朗一样：这个叫做物理的东西是人们在物理实验室里研究的，与莎朗（或者我）的现实生活却没有什么太大的关系。于是，我决定要搜集一些现实生活中的例子，而且为了吸引莎朗的注意力，我给这一系列的合集起了一个名字叫“物理（飞行）马戏团”。通过日积月累，我逐渐充实了这个合集。

很快，人们就来找我要《物理（飞行）马戏团》材料的副本了，一开始是莎朗班上的同学，然后是我的研究生同窗，接着一些老师也来要材料。在马里兰州大学的物理系把我的这份材料印制成“技术报告”后，我与“约翰威利”出版社签订了图书出版合同。

1975年，《飞行马戏团》出版了；在1977年我又进行了修订。从那以后，这本书被翻译成11种语言在世界各地出版。本书是《物理马戏团》的第二版，已经重新进行了编写和设计。

我刚开始编写《物理（飞行）马戏团》的材料的时候，只能通过一页一页地翻看几十种期刊，寻找与本书相关的论文。诚然，我那时把这件苦差事比喻成在一座贫瘠的山腹里寻找金子——这金子既稀少也难以寻得。

如今，每年有数百篇可能与《物理（飞行）马戏团》有关的文章发表，在我看来这就像是找到了一座大金矿。现在，我再也不局限于在那几十本期刊上寻找资料了；而是直接查阅400种期刊，同时用搜索引擎整理其他的几百种材料。大多数时间我只需坐在电脑前轻松地用手指敲敲键盘。我希望莎朗能够看到我找到的这些有趣的东西。通过我的这些工作，你们将会发现物理“和你的生活有千丝万缕的联系。”

物理飞行马戏团网站

请你进入www.flyingcircusofphysics.com网站查找与本书相关的内容：

超过10000篇与自然科学、工程学、数学、医学和法学有关的引用资料。这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。

物理飞行马戏团名称的由来

根据早期那些玩命飞行员令人毛骨悚然的飞行特技表演，我给最初的材料合集命名。我认为这样的飞行表演一般被人们称为“飞行马戏团”，而我也希望那些铤而走险的飞行员形象能够吸引一些人来读我的作品。

据我了解，飞行马戏团最早是指乘火车四处巡演的马戏团，后来又有一架德国飞机被人们以这个名称命名，它因飞行如马戏表演一样惊心动魄而得名，并和驾驶它的著名德国飞行员红色男爵著称于世，红色男爵在第一次世界大战期间将他的飞机涂成血红色，威慑他在空中的对手。

我采用飞行马戏团这个名字一年后，戏剧表演团蒙提派森（也称“蒙提巨蟒”）的飞行马戏团也在英国崭露头角。那年，这个名字应该已经在大西洋两岸流行起来了。（不过，“死鹦鹉”的搞笑段子可完完全全是蒙提派森原创的。）  参考书目

所有引用资料都已列入物理飞行马戏团的网站，这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。该网站包含超过10000篇引用资料。

请把你们的资料发给我

我非常希望收到读者对本书的更正、评价、新点子及各种引用资料。如果您想给我发来引用资料，希望您能发给我全文而不是缩写，还有该资料完整的页码。但如果无法做到这些，即使是一个片段也能引起我的兴趣。如果您能给我寄资料的复印件或者网址就再好不过了。

我基本上不将网址列入引用资料，因为我不能保证时时检查网站是否依然还在运营。

我是全职的老师，也是本书全职的作者，还要投入双倍的时间完成物理学基础的教科书的写作工作。我的时间真的很紧张，而且精力也有限。所以，请谅解我不能回答每一封来信和每一条留言。

关于克利夫兰州立大学

如果你想到一所可靠并且是中等规模的大学上学，那么你可以选择来坐落在俄亥俄州克里夫兰的克利夫兰州立大学（www.csuohio.edu）。我已经在这里教了30年的书了，而且还没有要隐退的打算（尽管我听说自然规律最终会让我退休）。我就是这么一个在一间小小办公室里工作，身边堆满各种研究论文，在电脑键盘上敲敲打打赶在截稿日前拼命赶稿的家伙。

关于教科书

本书适合的读者应学习过小学的初级物理或物理科学课程，如果你想配合本书阅读一些物理教科书，那么我向你们作如下推荐：

《万物如何运转：日常生活中的物理知识》，作者是路易斯A，（由约翰威利出版社出版），在介绍物理学的过程中没有辅助任何数学原理；

《物理学》，作者是约翰D卡特奈尔和肯尼斯W约翰逊（由约翰威利出版社出版），在代数知识的基础上介绍物理学；

《物理学基础》，作者是戴维哈利迪、罗伯特雷斯尼克和吉尔沃克（由约翰威利出版社出版），在微积分知识基础上介绍物理学。

致谢

我需要感谢很多人，因为每当我认为“一切希望都将破灭的时候”他们会站出来鼓励我，当然这只是其中一部分原因。另外也是因为许多人在我完全痴迷于工作和了解我“每天都要工作得像活不到明天一样！”的想法时对我的宽容。

吉尔沃克和玛莎沃克（他们是我的父母，在我还是十几岁时，他们肯定曾经度过无数个不眠的夜晚，担心我的未来），鲍勃飞利浦（我的高中数学和物理老师，是他为我开启了通往新世界的大门），费尔迪拉沃尔（他把我带进教师这一行），乔雷迪希（他在将《物理飞行马戏团》的原稿作为马里兰州大学物理系的技术报告刊发时帮了我很大的忙），费尔莫里森（他是第一个鼓励我出版飞行马戏团的人，随后还在《科学美国人》杂志上为我的书写了一篇精彩的图书评论，这也许就是我在此后的13年中一直为这本杂志写“业余科学家”专栏的原因），丹尼斯弗兰纳甘（他是《科学美国人》的编辑，是他录用了我并给予我多年的指导），唐纳德狄耐克（20世纪70年代约翰威利出版社的物理图书编辑，他给了我《物理（飞行）马戏团》的第一份合同），卡尔卡斯伯和伯纳德哈默麦希（他们为了我的写书工作着想，特意聘用我作克利夫兰州立大学的助理教授），戴维哈利迪和罗伯特雷斯尼克（是他们允许我在1990年接过《基础物理学》教科书编写的接力棒），艾德米尔曼（是他教会我如何写教科书），玛丽珍桑德斯（她是克利夫兰州立大学的校长，是她建立起了这样一个活跃的学术气氛让《物理（飞行）马戏团》得以完成，她还用批判的眼光评论了本书的许多篇手稿），斯图尔特约翰逊（约翰威利出版社的物理图书编辑，他指导我完成这本书及此后各版次的《物理学基础》），卡罗尔西泽尔（她通读了本书的手稿，并对很多内容做出了必要的修改），玛德琳莱瑟（本书的设计师），伊丽莎白斯维恩（约翰威利的图书制作编辑，负责制作编辑本书），克里斯沃克、希瑟沃克和克莱尔沃克（我长大了的孩子们，是她们容忍我痴迷于我的写作和我对她们一直以来的唠叨），帕特里克沃克（我正在成长中的孩子，他不仅容忍我常年在地下室工作，还教会了我如何在攀岩馆里对付岩壁上那些突起的小点），还有（最最重要的）玛丽格里克（我的妻子，她为本书贡献了许多好的想法，而且每次在我大喊“所有希望都破灭了！”的时候都会鼓励我继续走下去）。

物理就在：

第一次约会时；

酒吧里；

一架航班上；

洗澡和上洗手间时；

整理庭院时。