趣味物理学-第14部分
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钢”（这是从拉丁文invar译音的，原意是“不变的”）。
就是这样，艾菲尔铁塔的顶端在热天要比冷天高出一段来，高出的一
段大约有这本书上的一行这么长，这高出的一段是用铁做成的，但是这铁
却不值一文钱。
从茶杯谈到水表管
一位有经验的主妇，当她把热茶倒到客人的茶杯里去的时候，为了避
免杯子破裂，总不会忘记把茶匙放在杯子里，最好是银茶匙。是生活上的
经验教会她这个正确的做法的。那么，这个做法的原理是什么呢？
首先，我们要明白，在倒开水的时候，杯子为什么会破裂。
这原因是玻璃的各部分没有能够同时膨胀，倒到杯子里去的开水，没
有能够同时把茶杯烫热。它首先烫热了杯子的内壁，但是这时候，外壁却
还没有来得及给烫热。内壁烫热以后，立刻就膨胀起来，但是外壁还暂时
不变，因此受到了从内部来的强烈的挤压。这样外壁就给挤破了，——玻
璃破裂了。
你千万不要以为杯子厚就不会烫裂。厚的杯子在这方面来说，恰好是
最不可靠的：厚的杯子要比薄的更容易烫裂。这原因很明显。薄的杯壁很
快就会烫透，因此这种杯子内外层的温度很快会相等，也就会同时膨胀；
但是厚壁的杯子呢，那一厚层的杯壁要烫透是比较慢的。
在选用薄的杯子或者别种薄的玻璃器皿的时候，有一点不要忘记：不
但杯壁要薄，而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候，烫得最热的恰好是
杯子的底部；假如底太厚的话，那么，不论杯壁多么薄，杯子还是要破裂
的。有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器，也是很容易烫裂的。
玻璃器皿越薄，把它加热就越可以放心。化学家就是使用非常薄的玻
璃器皿的，他们用这种器皿盛了液体，就直接在灯上烧到沸腾，一点也不
怕它会破裂。
当然，最理想的器皿应该是在加热时候完全不膨胀的那一种。石英就
是膨胀得非常少的一种材料，它的膨胀程度大约只等于玻璃的15…20 分
之一。用透明的石英造成的厚壁器皿，可以随意加热也不会破裂①。你可
以把烧到红热的石英器皿丢到冰水里，也不必担心它会破裂。这一半因为
石英的导热度也比玻璃大。
玻璃杯不只在受到很快加热之后才会破裂，就是在很快冷却的时候，
也有同样的情形发生，原因是杯子各部分冷缩时候所受的压力并不平均。
杯子的外层受冷收缩，强烈地压向内层，而内层却还没有来得及冷却和收
缩。因此，举例来说，装有滚烫果酱的玻璃罐，决不可以立刻放到严寒的
地方或直接浸到冷水里面去。
好，让我们再回到玻璃杯里的银茶匙上来，究竟银茶匙是怎样保证杯
子不破裂的呢？
玻璃杯的内外壁，只有当开水一下子很快倒进去的时候，受热程度才
会有很大差别；温水却不会使杯子各部分受热有很大差别，因此也不会产
生强大的压力，杯子也就不会破裂。假如杯子里放着一柄茶匙，那么会发
生些什么情形呢？那时候，当开水倒进杯底的时候，在还没有来得及烫热
玻璃杯（热的不良导体）之前，会把一部分的热分给了良导体的金属茶匙，
因此，开水的温度减低了，它从沸腾着的开水变成了热水，对玻璃杯就没
有什么妨碍了。至于继续倒进去的开水，对于杯子已经不那么可怕，因为
杯子已经来得及略为烫热的缘故。
总而言之，杯子里的金属茶匙，特别是这柄茶匙如果非常大，是会缓
和杯子受热的不平均，因而防止了杯子的破裂的。
但是，为什么说茶匙假如是银制的，就会更好一些呢？因为银是热的
良导体；银茶匙要比不锈钢的茶匙散热得更快。你一定知道，放在开水杯
里的银茶匙是多么烫手！单凭这一点，你就已经可以毫无错误的确定茶匙
的原料了，钢制的茶匙是不会感到灼手的。
玻璃器壁膨胀不平衡的现象，不但威胁玻璃杯的完整，并且还威胁蒸
汽锅炉的重要部分——用来测定锅里水位的表管计。水表管只是一段玻璃
管，由于内壁受到蒸汽和锅里沸水的作用，要比外壁膨胀得多。此外，蒸
汽和水的压力更加强了管壁上所受的压力，因此这个管子（水表管）很容
易破裂。为了防止它破裂，有时候用两层不同的玻璃管来做，里面一层的
膨胀系数比外面一层小。
关于洗完澡穿不进靴子的故事
① 假定钢轨长度是8 米，在摄氏0 度时候这个间隙应该是6 毫米，因此，这样大小的间隙要到摄氏65°才会
胀满。电车钢轨敷设的时候，因为受到技术条件的限制，不可能留出间隙。幸亏电车钢轨一般都是嵌在地
里的，温度的变化没有这么大，而且电车钢轨的安装方法也阻止它向旁边弯曲。但是在非常热的时候，电
车钢轨也会给胀弯的，就象图67 上所示的样子，这张图是依据一张照片画出来的。这种胀弯现象，在铁路
上也偶有发生，因为列车在斜坡上行进的时候，时常会把轮子下面的钢轨带着前进（有时候甚至连枕木都
给带动了），因此，这种地方的间隙时常无意间给取消了，使得前后两根钢轨密接起来。
是什么缘故使冬天昼短夜长，夏天昼长夜短呢？冬天昼短，和一切别
的可见或不可见的物体一样，是由于冷缩的缘故；至于夜长，是因为点起
了灯火，暖了起来因此胀长的缘故。
上面这一段不可思议的奇妙论调，是从契诃夫一篇小说《顿河退伍的
士兵》那里引来的，你看了一定会发笑。可是，笑这种说法的人，自己也
时常会创造出许多同样不可思议的怪论来。譬如，常常听到有人说或者甚
至在书上读到，说什么洗完澡以后，靴子所以穿不进，是因为“脚给热水
烫热膨胀，因此增加了体积”。这个有趣的例子已经变成常见的例子，而
一般人常常做了完全不合理的解释。
首先，大家应该知道，人体在洗澡的时候温度几乎没有升高。在洗澡
的时候人体温度升高一般不超过摄氏1 度，至多是2 度。人体机能会很好
跟四周环境的冷热影响作斗争，使体温保持在一定的度数。
而且我们的身体温度即使增加了摄氏1…2 度，体积增加得也非常有
限，穿靴子的时候是绝对不会觉察到的。人体不管软的硬的各部分的膨胀
系数都不超过万分之几。因此，脚板的阔狭和胫骨的粗细一共只能胀大百
分之几厘米。那么，难道普通一双靴子，会缝制得精确到0。01 厘米，象
一根头发那么粗细的程度吗？
但是，事实却的确是这样：洗澡以后靴子的确很难穿进。不过穿不进
的原因不在受热膨胀，而是在别的原因，例如充血、外皮肿起、皮肤润湿，
以及别的许多根本跟热无关的现象。
“神仙显圣”是怎样造成的？
古希腊的机械师亚历山大城的希罗，希罗喷水泉的发明人，告诉我们
两个巧妙的方法，是埃及的祭司曾经用来欺骗人民，叫他们相信“神仙显
圣”的。
你在图68 上可以看到一只空心的金属做的祭坛，下面的地下室里装
着一个机构，用来开动这座宙宇的大门。祭坛设在庙门外面。当坛里烧起
火来的时候，下面的空气受到热，就要向地下那只瓶里的水加压力，把瓶
里的水从旁边一个管子里压出来，流到桶里去，那桶一重就要落下去，带
动一个机构转动起来，把门打开。旁观的人谁也不会想到地下会有特别的
装置，他们因此就看到了“神仙显圣”：只要祭坛上烧起火来，庙门就“听
从着祭司的祷告”自动打开了。。
祭司想出的另外一个骗人的“神仙显圣”，见图70。当祭坛上烧起
火以后，膨胀了的空气就把油从下面的油箱里压到两个祭司像里面的管子
里，于是油就会自动加到火上去。。但是只要管理这个祭坛的祭司悄悄地
把油箱上的一个塞子拔掉，油就会不再流出（因为空气受热以后已经可以
通过塞孔逃了出去）；这一手，祭司是预备碰到吝啬的祈祷人的时候用的。
不要发动的时钟
前面我们已经说过不要发动的时钟（见第102…104 页）——说得更
正确些，是不要人手发动的时钟，——那种时钟的构造，是利用了大气压
力的变化的。现在我们来谈一种利用热胀原理做成的这一类时钟。
这种时钟的构造见图71。它的主要部分是两根长杆Z1 和Z2，两杆都
用特别的合金制成，那种合金有极大的膨胀系数。Z1 杆贴附在齿轮X 的齿
上，当这根杆受热伸长的时候，会把齿轮X 略略推转。Z2 杆却挂在齿轮Y
的齿上，当它在受冷缩短的时候，会把齿轮Y 也向那同一方向转动，这两
个齿轮（X，Y）装在同一根轴W1 上，这轴转动的时候，会把那个大轮带
转，大轮上装有许多勺子。大轮转动的时候，下部的勺子会汲进槽里的水
银，带到上边来，从这里流到左边的一个轮子，这个轮子也装有勺子。左
边轮子上的勺子装满了水银，就会由于重力的作用转动起来，带动绕在K1
轮（K1 和轮子装在同一根轴W2 上）和K2 轮上的链带KK；K2 轮就把时钟的
弹簧带动。
左边轮子上流下来的水银怎么样呢？它会沿着斜槽R1 流回到右边大
轮下面，再给右边大轮上的勺子提升上去。
这样看来，这个机构是应当动起来的，而且只要Z1、Z2 两杆在伸长
或缩短，它就不会停止下来。因此，为了发动这只时钟，只要四周空气的
温度不停地升降就可以。而实际上也正是这样，根本用不到我们操心：四
周空气温度上的随便什么变化，总会引起长杆的胀缩，因此，时钟的发条
就给慢慢地、但是不断地卷紧了。
这种时钟可以叫做“永动机”吗？当然不可以。是的，除非这只时钟
的机构由于磨耗而损坏，否则就会永远走下去，但是它的动力来源却是它
四周空气的热量；是热膨胀的功给这只时钟零碎地贮藏了起来，以便把它
不断消耗在时钟指针的运动上。这只是一架“不花钱”的动力机，因为它
既不需要照料，也没有什么消耗。但是它却并不能够无中生有：它的动力
的最初来源是晒热地面的太阳的热能。
另外一只这一类自己发动的时钟，见图72 和73。这只时钟的主要部
分是甘油，甘油能够随着空气温度的升高而膨胀，利用这一点来提升起一
个小重锤；这个重锤落下的时候把时钟的机构带动。因为甘油只在摄氏零
下30 度才凝固，在零上290 度才沸腾，因此这只时钟可以给城市广场和
别的开阔的地方应用。只要温度的变化达到2 度，就可以使这只时钟走
动。有一只这样的时钟就曾经给试验过，它在一年里面走得非常好，而在
这一年里没有人去动过它一次。
那么，根据上面的原理，造出比较大的动力机，是不是有利呢？初看
这种“不花钱”的动力机应该是非常经济合算的，可惜计算告诉我们的是
另外一个答案：为了把一只普通时钟上的发条旋紧，使它能够
走足一昼夜，大约一共要
71 公斤米的功。这大约等于每秒钟要用600；000
分之一公斤米；我们知道一马力等于每秒75 公斤米，因此，一只时钟的
功率大约等于一马力的45；000；000 分之一。于�
