物理思維:一滴水從一萬米的高空落下,能不能砸死人?

2020-12-05 科學塢

這是一個很「古老」的笑話了。

某人誤入一個博士群。見到有一個人提問:一滴水從一萬米自由落體下來,砸到人會不會砸傷?或砸死?群裡一下就熱鬧起來,各種公式,各種假設,各種風力,阻力,重力,加速度等等的討論,足足討論了近一個小時。這時,某人默默的問了一句:你們沒有淋過雨嗎? 群裡,突然死一般的寂靜......然後,然後,某人就被踢出群了……

本文當然不是來嘲笑博士們沒有常識、也不是去嘲笑某人沒有學問,而是想借著這個笑話來講述一下物理思維,讓我們更清晰地理解力及力的作用效果。下面我就站在一滴水的角度,用第一人稱來與您描述一下這個有趣又奇妙的過程。

一、合力讓「我」漂浮在空中

在晴朗的天空中,只要您抬頭就能看到空中飄浮著朵朵的白雲。其實大家看到的就是「我」和「我的兄弟姐妹們」聚集在一起的樣子。

我在誕生之前是水蒸氣,主要來自海洋的蒸發,陸地上江河中的水的蒸發只佔很小的比例。來自太陽的輻射讓我具備了足夠的動能,使得我衝破了海水表面其它兄弟姐妹之間的拉扯的力量,跑到空氣當中,變成了一個自由的水分子。

雖然這時候,身邊不再那麼擁擠,但也不斷受到空氣中氮氣和氧氣分子的碰撞,由於我的比重比它們輕,所以在碰撞中能夠獲得更高的速度並逐漸向上漂浮。這個過程中,當然不是沒有重力的作用,而是與碰撞獲得的力量相比,重力要小好多的數量級。

這個時候,主導運動狀態的不是重力,而是來自空氣分子的碰撞。就這樣我在碰撞中不斷上升。

在上升途中,我也會遇到其它的物體,比如灰塵和其他的水分子,由於我是極性分子,所以我對外的不同方向是表現出電極性的,所以我會吸附在灰塵上,或者與其他水分子重新拉起手來。這時候我們就重新變成小水滴,而灰塵叫做凝結核。

在這個過程中,我會失去一部分的運動速度,對外釋放出熱量。繼續與其他水分子結合,變成更大的水滴,最後在重力和空氣分子的碰撞中保持平衡,無數個我這樣的小水滴聚集在一起,就形成了雲。

大家要注意一下,讓我漂浮在空中並保持雲的狀態,影響我的不只是重力,而是重力與空氣分子碰撞的合力,垂直方向達到了力的平衡。

二、空中墜落(降雨)

我在不斷長大。這是因為我與兄弟們之間拉手的力量(氫鍵電磁力)要大於重力幾十個數量級,當我和其他小水滴之間發生碰撞,或者是撞到其他水分子,我們之間就會融合,形成一個更大的小水滴。

在小水滴的外表面,我和兄弟們緊緊地手拉著手,形成了一張向內收縮的張緊的、接近完美球形的膜,將其他的水分子包裹在內部。在長大的過程中,會繼續失去部分動能(釋放熱量)。

隨著我的體積增加(單個小水滴的重量增加),終於打破了空氣分子給我的碰撞力與重力的之間的平衡,這一刻我開始下落,就是大家口中所說的降雨。

在開始墜落的那一刻,垂直方向上,我受到的重力大於了來自空氣分子碰撞的力量,運動速度從零開始加速,並且墜落的速度不斷增加。這就是我在高空中發生的情況。

三、再次平衡

在下落的過程中,我會不斷受到下方空氣分子的阻擋,所以我就要把它們撞到一邊去,才能降落到地面上。這些碰撞過程產生的力,就是空氣阻力。

隨著下落速度的增加,我在單位時間內撞開的空氣分子數量急劇增加,換句話說,來自空氣助力的影響以速度的平方呈現指數增加。

最後,來自空氣的阻力,再次與重力達到一個平衡的狀態。而此時的我,已經具備了一定的運動速度。按照牛頓第一定律,物體在不受外力,或者合外力為零的情況下,將保持原來的運動狀態。所以,在降落到地面之前,在垂直方向表現出來的就是一種勻速直線運動狀態。

四、綜合分析

從前面的介紹中大家可能看出來了,其實,不論我在上升、凝聚還是下降過程中,空氣都起到了至關重要的作用。它們一直在參與並且扮演重要的角色。如果沒有空氣,我在成為自由的水分子之後不會上升,也不會發生其他方向的運動,而快速遇到其他小夥伴凝結成小水滴。

如果在一萬米高空中的我,沒有空氣直接下落的話,當我到達地面時,我的速度將接近1.5倍音速,即使是只有一小滴(0.1毫升),即使不會致人死命,也會讓人受到重創。正因為有了空氣,才能夠形成美麗的雲和滋潤大地的雨,而不是一顆顆致命的「子彈」。

結束語

親愛的小夥伴們,降雨雖然是一種常見的自然現象,但其過程中卻深藏著深奧的物理學原理。在人類幾百萬年的進化過程中,能夠清晰、完整地描述這個過程的時間才100多年。大自然還有更多的謎團等待著我們去發現、去揭示,所以我們需要認真觀察、好好學習。

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    這個問題有兩個重點:1、一滴水,2、自由落體。在現實中,在地球上,一滴水是不可能自由落體的,原因很簡單,因為有空氣阻力。當水滴在空氣中自由下落的時候,會受到空氣阻力,隨著速度增加阻力也會增加,當下落速度達到一個閾值,水滴的下落速度就會與空氣阻力達到平衡,自由下落過程不再加速,水滴會保持勻速下落,這個最終保持勻速的下落速度稱為終末速度,也就是水滴下落最終能達到的最高速度。在地面上這個終末速度大約是10m/s。
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    這個問題有兩個重點:1、一滴水,2、自由落體。 在現實中,在地球上,一滴水是不可能自由落體的,原因很簡單,因為有空氣阻力。
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