科普:雨滴、種子和萬有引力

2020-12-14 科學塢

當陽光播撒向大地,江河湖海中的少量水分子獲得了較高的運動速度,突破水面進入到空氣中。這些水分子在高空遇到冷空氣就會凝結成直徑大約為0.01~0.02毫米的小水滴,這些小水滴聚集在一起就形成了雲。

雲中的這些小水滴會相互碰撞合併,也會不斷通過凝結和凝華不斷增大體積。當這些小雨滴的直徑 達到1~2毫米的時候,空氣中的上升氣流就無法繼續託住它們在空中飄行,便從雲中墜落地面,這就是降雨。

雲中的這些小水滴會相互碰撞合併,也會不斷通過凝結和凝華不斷增大體積。當這些小雨滴的直徑 達到1~2毫米的時候,空氣中的上升氣流就無法繼續託住它們在空中飄行,便從雲中墜落地面,這就是降雨。

當雨滴開始下落的時候,就只剩下雨滴和地球之間的相互吸引,雨滴在重力的作用下會產生加速度,下落的速度越來越快。隨著墜落的距離增加,雨滴獲得的速度也在增加,不過在地球表面,這個問題並不簡單。

重力的加速度是有限的。因為雨滴受到的力不止重力一種,雨滴所受到的加速度取決於所有力的合力。隨著速度的增加,單位時間內需要推開的空氣越來越多,空氣會阻擋雨滴的下落,部分抵消重力的效果。

重力的加速度是有限的。因為雨滴受到的力不止重力一種,雨滴所受到的加速度取決於所有力的合力。隨著速度的增加,單位時間內需要推開的空氣越來越多,空氣會阻擋雨滴的下落,部分抵消重力的效果。

到了某個時刻,雨滴所受到的重力與空氣阻力達到平衡,則雨滴的下落的速度就不再增加。按照經驗公式,1毫米的雨滴下落的平衡速度為6米/秒左右,2毫米的雨滴最後的速度大約為11米/秒。這就是為什麼雨滴從很高的天空中墜落下來砸在我們身上,我們卻沒有受傷的原因。

如果把雨滴換成人,想在地面附近獲得重力與空氣阻力平衡的話,這個大約需要達到53米/秒。如果人是以一個較低的速度墜落,空氣阻力基本上可以忽略不計。一個人如果從5米的空中墜落,其接觸地面時候的速度大約為10米/秒,這樣的速度已經足以讓一個未經訓練的人受到嚴重的傷害。

我們腳下這顆星球對於它表面及附近的物體一視同仁,都會產生一個吸引的力量,這個力量指向這顆星球的質心。正是因為這個力的存在,我們才有了上和下的概念。然而種子,同樣能夠感受到重力的存在。

不論採用什麼角度將種子埋在土壤裡,當它發芽的時候,嫩芽都會頑強地頂開土壤,而根著扎向地下。植物能夠知道上下,是因為細胞內有一種的澱粉顆粒。這些顆粒的密度大於細胞內的其它物質,它們沉到細胞的底部,蛋白質織成的網絡可以感知到這些顆粒的位置。

1687年,英國科學家艾薩克牛頓出版了著名的《自然哲學的數學原理》一書,首次提出了萬有引力定律。任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引,該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學組成和其間介質種類無關。

牛頓的萬有引力定律以簡潔、明確、有效地解釋了我們這個星球對地面物體的吸引,以及天體之間相互吸引的規律,我們只需要知道兩個物體之間的質量和質心的距離就可以計算它們之間的引力大小。

不過牛頓的引力解釋儘管相當巧妙,卻有一個致命的缺陷,他並沒有指出引力產生的根源。引力這種超距作用究竟從何而來?難道有一根看不見的繩子?或者是天使的推動?直到230年後,愛因斯坦提出了廣義相對論,這個問題才有了比較令人滿意的答案。

不過,牛頓的萬有引力定律從它誕生直到今天仍然被應用,因為它真的很有效。

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