可爱的物理 : 日常用具原理之美

“父亲以前是名木工，会制作各种各样家里需要的东西。因此，一提到工具箱，我就会想起自己屏息凝视父亲做木工活儿的时光，意识到符合原理的东西就是美的。长大后，我学习了解释事物的基本原理，被它的理性之美迷住。就这样，我带着与父亲的回忆走上了物理之路。”
                                                                ——田中幸

希望通过阅读这本书，大家能重新思考工具的可贵之处、人类的智慧以及物理。
                                                              ——结城千代子

★一本奇特又简单的物理入门书，讲述了25种日常用具及其所隐藏的物理学奥秘。清新的手绘插图搭配轻松有趣的文字，与一众“硬核”科普书完全不同，拿到书的一瞬间，就让人不禁惊叹原来物理学还可以这么“可爱”啊；

★初高中时期学到的“物理”通常被认为是无用的，但事实上，它们是各种工具所具有的“实用之美”的基础。现在就像我们像像欣赏音乐和绘画一样欣赏物理；

★包含流动工具、刺入工具、切割工具、保持工具和运输工具5大类，25个每人都使用过的日常用具，如用点刺的叉子、用惯性法则划水的箩筐、刀刃无限长的比萨刀、用空中支点移动杠杆的剪刀，等等。没有任何复杂的公式或计算，在一个个生活细节中感受物理的奇妙。

★图文结合，全彩手绘，画面清新、色调恬静、线条笔触柔和，文风细腻亲和。

★超高颜值的装帧设计：小32开，全四色，裸脊锁线设计，阅读时，可180度平摊开来。小巧便携，随时随地欣赏物理之美。就像本书的设计总监所言：“希望读者在拿着到这本书的时候，抛开内容本身，也能感受到书是一种美的‘物’”；

★三位主创皆为女性，通过细腻、亲切、新颖的笔触，将拒人于千里之外的「坚硬物理」具象化、浅显化和生动化。

初高中时期学到的“物理”通常被认为是无用的，但事实上，它们是各种工具所具有的“实用之美”的基础。一本奇妙又简单的物理学入门书，讲述了25种日常用具及其所隐藏的物理学奥秘。用点刺的叉子、用惯性法则划水的箩筐、刀刃无限长的比萨刀、用空中支点移动杠杆的剪刀，等等，我们周围的一切都基于自然的原理和规律。

本书分5章讲述这些工具：流动工具、刺入工具、切割工具、保持工具和运输工具。没有任何复杂的公式或计算。另外，还有很多诞生于以前但至今仍未改变的工具，如汤匙和车轮，通过再次关注它们的形状和结构，就能发现即使经历了漫长岁月也不会过时的工具的设计和功能。

著者：田中幸，现居东京。毕业于上智大学理工学部物理学科，曾在庆应义塾高中、都立日比谷高中等高中担任讲师，现任桐荫学园高中讲师。东京书籍中学理科教科书编写委员，协助制作NHK高中课程“物理基础”。结城千代子，现居东京。曾在上智大学理工学部物理学科、筑波大学大学院任职，现任埼玉大学和昭和大学物理讲师，东京书籍初中理科、小学立刻和小学生活科教科书编写委员会成员，还曾担任NHK高中课程“物理基础”讲师。绘者：大塚文香，插画师。1989年生于日本滋贺县，毕业于京都精华大学设计学部。目前以绘制书籍和杂志的插画为主。2020年，获得HB Gallery File Competition vol.30永井裕明奖。

流动工具 
勺子 带圆弧形的秘密
漏斗 利用地球的引力让物体下落
花洒 制造强劲的水流
电风扇 聚集空气制造风
红酒杯 控制流速与香气的设计 

刺入工具 
叉子 以点刺入，然后拿起
注射器 减少摩擦后顺畅地刺入
订书机 利用杠杆原理轻松刺入
葡萄酒开瓶器 好钻不好拔的螺旋状工具 
端子 插入就会产生不可思议的电流 

切割工具
菜刀 切断分子间的结合
披萨刀 不是直线，而是圆弧形的刀刃
剪刀 用空中的支点撬动杠杆
砂纸 用面磨平凹凸 
沥水篮 利用惯性定律沥水

保持工具
回形针 用小弹簧将纸张固定
拉链 利用咬合力闭合
吸盘 用看不到的空气的力量粘住 
软木塞 用生物材料密封
保温瓶 制造真空进行保温

运输工具
车轮 转动着运送重物
手杖 为运输提供支撑，防止倾倒 
筷子 用与重力相当的力拿起
托盘 在空中水平地搬运物体
移液管 用没有底的容器搬运

专栏
扁平的冰激凌勺
让咖啡冲泡得更美味的 “蚁狮巢穴”
变成形状清晰的水滴的原因
如何将颗粒均匀地粘在砂纸上
离心力是虚幻的力吗
找到重量不均匀的木棒的重心
weight和mass的区别
沙子的摩擦角形成山的倾斜

后记

想必大家每天都在使用这本书里提到的工具，但是几乎没有人意识到其中潜藏的物理知识。
拥有绝对音感的人会说“听到的所有声音都是音阶”，这和从事与物理相关工作的人也有相似之处。不了解我们背景的人听到后可能会大吃一惊，而从事其他行业的家人或熟人又会吐槽说“哎呀，又来了”，所以我很少把这些说出口。在日常生活中，我们会不自觉地开始思考，如“这是惯性定律”“已经超过了弹性极限”之类的问题。对我们来说，物理是工作、是兴趣，也是一种思考问题的工具。
我的父亲以前是名木工，他会制作各种各样的东西，但主要收入来源是制作炉灶用的木锅盖。到了20世纪五六十年代，在煤气和电饭锅出现后，父亲很快就放弃了这一家业。我上小学时，他成为一名上班族。尽管如此，周日他还是会打开工具箱，打磨凿子和刨子，从不懈怠。有时他会用心地制作洋娃娃箱、菜刀或刀鞘（父亲做的刀鞘，形状和刀
完美匹配，极具美感）等家里需要的东西，还给他的孙子辈（我的孩子们）制作了与学校书桌相匹配的抽屉。
因此，一提到工具，我就会想起父亲的工具箱，想起我屏息凝视父亲做木工活儿的时光。意识 到“符合原理的东西就是美的”，或许就是我从父 亲那里继承下来的财产。长大后，我学习了解释事 物的基本原理，被它的理性之美迷住。就这样，我带着与父亲的回忆走上了物理之路，并用满腔热情写下了这本书。 
顺便一提，另一位作者的想法在后记中。
一本书有两位作者的情况似乎很少见，因此， 经常有人问我们是不是分工写作，其实都是两个人一起写的。首先由其中一方粗略地写好初稿，之后两人就像投接球一样互相交换修改，最后完成终稿。 我们俩是大学同学，一直都在创作与物理相关的书。我们还开展了名为“和妈妈一起学科学”的活动。而作为活动的一环，每月发行的杂志《不可思议新闻》也已经超过200期，因“新冠”疫情而中断的“科学游戏”项目目前也已重启。 
在之前的作品Wonder·Laboratory系列中，我在前言中写道：“希望读者可以像欣赏音乐和美术一样欣赏物理。”现在看来，这个目标似乎已经达成。在本书中，我们想给大家讲讲，那些经历了漫长的岁月且凝聚了人类智慧的工具如何完美地符合物理学的原理。 
一直以来，我们写书的目的就是希望读者能像我们一样，以更轻松、更潇洒的姿态享受“物理”这门学科，而本书可以说是体现我们这一理念的集大成之作。 
本书由“流动工具”“刺入工具”“切割工具”“保持工具”“运输工具”5个章节组成。每一章分别介绍5种工具，总共介绍了25种工具与物理之间的关系。我们先定下各个章节的标题，再根据标题选择合适的工具，所以有很多让人意想不到的工具，比如“切割工具”这一章中出现了“沥水篮”。
在这次写作中，为了将我们这些“与物理相关的从业者”无意识地认为理所当然的事情（如“重量”和“质量”的区别等）一一挖掘出来，然后用那些对物理不感兴趣的人也能理解的方式重新解读，我们着实费了一番心力。这种苦思冥想的过程，回过头再看也是一段幸福的时光，比如“离心力”其实并不是实际存在的力，而是一种假想的力，对 
于“由于离心力的作用……”这样随处可见的表达，我们作为物理工作者不能熟视无睹，于是啰啰唆唆地进行了说明，还请大家见谅。 
本书中介绍的所有工具、物理理论都有一个共同点，就是“符合原理的东西就是美丽的”。下面就让我们带领大家走进由物理编织出来的美丽世界吧！

葡萄酒开瓶器 | 好钻不好拔的螺旋状工具

葡萄酒开瓶器也被称为“拔塞螺丝刀”。螺旋状工具在我们身边随处可见，如螺丝、弹簧、钻头（或者螺丝刀）和螺旋楼梯等。自然界中的螺旋状事物就更多了，如蝾螺等海螺、牵牛花等植物的藤蔓，以及传递生物遗传信息的DNA（双螺旋结构）。人类一定是从大自然里的螺旋形状中汲取灵感，才创造出了螺旋状工具的。为什么这些工具的形状是螺旋状而不是笔直的呢？

旋转着前进的螺旋 
有记录可查的最早运用螺旋形状的工具是阿基米德的螺旋泵（阿基米德螺线的直接运用）。虽然不确定阿基米德是不是最先想到这个办法的人，但据说他当时就是使用这个水泵，将船里的水排出船外的。 
螺旋泵的管子里有一根带螺杆的轴。当轴转动时，螺杆也会随之旋转，吸到管子里的水随着螺杆的旋转被输送上去，就像我们爬螺旋楼梯那样。因为这种结构便于运输，现在也常被用于混凝土搅拌运输车等。 
螺旋泵、螺丝和钻头，如果你仔细观察，就会发现它们虽然在旋转，其实是在笔直前进。螺旋结构的最大特征是“将直行运动转变为斜向旋转运动，使作业更加轻松”。直线运动很费力，而斜向运动往往可以减轻负担。比起一级一级地爬楼梯，沿着斜坡慢慢走上去会感觉更轻松。爬楼梯时，我们必须逆着重力将身体笔直地抬起，而在斜坡上行走时， 
由于斜坡能够提供支撑，我们抬起身体所需要的力就小得多。 
葡萄酒开瓶器或螺丝等向下钻的时候，阻碍它们运动的不是重力，而是摩擦力。如果你将开瓶器和螺丝的螺旋拉直，就会发现它们制造了一个像斜让它们一点点钻进去，因此所需的力气比钉钉子时 要小得多。 

为了将软木塞一起拔出 
从“容易刺入”这一角度来说，直钉也可以用锤子轻松地钉入木板。我们再来看看“拔出的难度”。葡萄酒开瓶器的主要作用是在开瓶器紧紧卡进软木塞里之后，将软木塞拔出。要想将软木塞一起拔出，葡萄酒开瓶器的尖端就不能轻易脱离软木塞。把直钉刺入软木塞可能很容易，但当向外拔时，就只能拔出直钉，无法把软木塞一起拔出。直钉只 能从尖部和侧面承受软木塞的弹性力（→第 60 页）。显然，“刺”和“弹性”之间有着密切联系。
螺旋状的葡萄酒开瓶器与软木塞接触的面积比直钉更大，因此，从软木塞那里承受的弹性力也更大。当你试图拔出开瓶器时，夹在螺旋缝隙中的软木塞也会跟着受力，开瓶器会被软木塞的弹性力从上下左右各个方向紧紧抓住。就这样，开瓶器与软木塞互相施加力量，紧紧地结合在一起，所以只要拉一下开瓶器，软木塞也就跟着一起拔出来了。 
实现像注射针一样“易扎易拔”不难，但要实现“易扎难拔”并不容易。螺旋结构完美地满足了 我们的这种“任性”要求。 

将软木塞完美拔出的方法 
虽然很好拔，但还是很难用葡萄酒开瓶器顺利地拔出软木塞……遇到这样问题的人恐怕不在少数，笔者就是其中的一员。如果失误了，软木塞就会被刮得破烂不堪，最后只能用钳子将其拔出……这样一来，用力打开香槟软木塞的华丽表演也泡汤了。有没有什么能把软木塞完美拔出的窍门呢？ 
让我们重新回顾一下摩擦力。在“注射器”中，我们讲过“使静止物体运动的摩擦力大于物体运动时的摩擦力”（→第 70 页）这个定律。请牢记这一点，将葡萄酒开瓶器插进软木塞后，不要想着一口气用力拔出来，而是要慢慢地用力向外拉。这样向外拉的过程中，就会有一个瞬间忽然感觉变得轻松了。这时请保持用力，不慌不忙地继续向外拉。 
然后你应该就能听到令人愉悦的“啵”的开瓶声了。 
通过这样的分析，我们知道葡萄酒开瓶器充分活用了螺旋的物理学原理。思考工具所蕴含的物理原理，有助于我们更有效地使用它们。只有符合原理的使用方法，才能将工具的功能最大限度地发挥出来。