相信很多人都做過火車,那你有沒有想過,為什麼在高速運行的火車裡,人向上起跳時會落在原地呢?當我們在地面上起跳後,人會落在原地。因為地球雖然在不斷自轉,但是人相對於地面來講,位置始終是沒有變化的。如果按照在地面上的情況,火車在高速運行的狀態時,人體跳後滯留在空中的幾秒時間內,火車應該已經前進了一段距離,人應該落在距離原地以後幾米的地方。如果火車速度越高,人落地的地方也就距離原點越遠。
但事實上,不光火車速度有多高,人體掉後都會落在原地。在解釋問題之前,先了解一下是什麼慣性,慣性又稱牛頓第一定律是指物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質。它是物體的一種固有屬性,表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度。質量是對物體慣性大小的量度。當作用在物體上的外力為零時,它將保持其運動狀態不變,即保持靜止或勻速直線運動。當作用在物體上的外力不為零時,則表現為外力改變物體運動的狀態的難易程度,在同樣的外力作用下,相同加速度的物體質量越大,慣性越大。因為是物質自身的屬性,所以物體的慣性在任何時候,任何情況下都不會改變,也不會消失。舉個簡單的例子,乘車時如果突然剎車或起步,人就會向前傾或者向後仰,這就是慣性。
了解完了慣性,現在我們就來看看前文提出的問題。首先從火車開動時講起,假設人站在車廂內,手抓著上面的吊環。在火車未開動之前,人和火車都是靜止的。當火車開始運行時,人會突然往後仰,此時人會受到腳底摩擦力和手上的肌肉力影響,前者的存在可以確保人可以和火車一啟動,後者則使得人不會突然跌倒。接著隨著火車的移動,人會逐漸和車保持同樣的速度前進。當然這是在沒有其他外力作用的情況下,此時如果突然起跳,火車和人雖然已經分離,但是由於慣性仍在起跳的瞬間,會和火車擁有相同的初速度和方向。在騰空的幾秒時間內,人和火車經過的距離是相同的,當人落地時仍然會落在原本的位置。
講到裡,你可能會疑惑,火車上不是也有空氣阻力嗎?為什麼它沒有改變人的運動狀態?這是因為火車是封閉的,所以裡面的空氣就保持與火車相同的速度。所以這個外力因素可以忽略不考慮。當然,相同位置只是相對於人和火車來說,但把它們作為整體來看的時候,這個位置是不會變化的。
但是相較於其他參照物,比如鐵軌或者路邊的樹位置就會發生變化,在世界上沒有絕對靜止。所謂的靜止不動,都是針對某個或某些參照物來講的。現在你明白為人在火車上起跳,他的位置沒有發生變化的嘛。