1分鐘物理:中科院物理所幫你解答“為什么”
來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2019-03-15 12:03:57
Q:如果失控的電梯在做自由落體運(yùn)動(dòng),里面的人在電梯即將落地時(shí)跳起,電梯在人落地前落地,那么此人會(huì)受傷嗎?
別笑,很多人小時(shí)候都想過(guò)用這種方法避險(xiǎn)。答案當(dāng)然是不行了。我們?cè)敿?xì)分析一下為什么不行。男子跳高世界紀(jì)錄是2.45米,別忘了這是背越式的,運(yùn)動(dòng)員實(shí)際重心升高不到2米。這還是在有助跑的情況下。美國(guó)職業(yè)籃球聯(lián)賽球星克里斯?韋伯(ChrisWebber)原地起跳紀(jì)錄是1.33米,別忘了人家跳之前會(huì)下蹲蓄力加抬腿。
很不幸,你在自由落體的電梯里面,所以別說(shuō)助跑了,下蹲都做不了。
現(xiàn)在,假設(shè)我們什么都不管了,我們瘋了,我們認(rèn)為你骨骼清奇,原地一蹦2米高。可那又怎樣?比如,電梯從10米高的地方失控,那你蹦完之后速度一抵消的效果,等于你從8米高的地方開(kāi)始失控。你還是“妥妥滴”......
現(xiàn)在,我們假設(shè)你是不世出的絕頂高手,苦修40年就是為了今天,你一蹦10米高!而且電梯天花板也非常懂事地先自己消失一會(huì)兒。這回你終于能活下來(lái)了吧?
很遺憾,并不能。你還是“妥妥滴”......
要記住,真正殺死你的不是速度,而是加速度。
Q:為什么光可以用東西擋住,聲音卻不可以?
其實(shí)聲音也是可以用東西擋住的,光也可以不被東西擋住。你問(wèn)題
中的光指的是我們能夠看見(jiàn)的可見(jiàn)光,你問(wèn)題中的聲音也只是可以聽(tīng)到的聲音。
在物理上,光和聲音都是一種波動(dòng)現(xiàn)象。只不過(guò)一個(gè)叫電磁波,一個(gè)叫機(jī)械波而已。而決定一個(gè)波會(huì)不會(huì)被一個(gè)東西擋住的因素很簡(jiǎn)單:波長(zhǎng)的尺度與物體的尺度。如果波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于物體的尺度,那么這樣的波就會(huì)被物體擋住。反之則不會(huì)。
人能夠聽(tīng)到的聲音的波長(zhǎng)在17毫米到17米這樣一個(gè)尺度范圍內(nèi)。日常生活中的絕大多數(shù)東西也恰好都在這個(gè)尺度范圍內(nèi)。結(jié)果就是聲波很容易繞過(guò)這些物體被我們聽(tīng)到。這種現(xiàn)象就叫衍射。
另一方面,可見(jiàn)光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)只有幾百個(gè)納米,這個(gè)尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日常生活中物體的尺度。所以光看上去幾乎就是直線傳播的。
問(wèn)題的關(guān)鍵不是光或者聲音,而是波長(zhǎng)。聲波波長(zhǎng)很短時(shí)就不能繞開(kāi)物體了,超聲波就是準(zhǔn)直線傳播的聲波。同樣,波長(zhǎng)長(zhǎng)的光波/電磁波也可以繞開(kāi)物體。這就是你在家到處都能收到Wi-Fi信號(hào)的原因。(Wi-Fi信號(hào)是電磁波,2.4GHz協(xié)議,它的波長(zhǎng)差不多就跟你的臉一樣寬。)
Q:據(jù)說(shuō)孫悟空是以音速飛行的,因?yàn)樗慕疃吩凭褪且舯,這是真的嗎?在水中以音速運(yùn)動(dòng)又是怎樣的情況呢?
聲音的本質(zhì)就是介質(zhì)振動(dòng)的疏密波(縱波)。一架飛機(jī)飛行的過(guò)程中碰撞空氣產(chǎn)生振動(dòng),這種振動(dòng)就以聲波的形式向外擴(kuò)散。
當(dāng)達(dá)到音速的時(shí)候,飛機(jī)在碰撞自己跟前的空氣,而空氣卻來(lái)不及將這種擠壓擴(kuò)散出去,因而被緊密地壓在一起,對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生劇烈的阻力和擾動(dòng),這一現(xiàn)象叫音障。
在這一過(guò)程中,被擠壓的空氣有很大的壓強(qiáng),高壓下空氣中的水蒸氣被液化成小水滴,形成一片白色的“云”。這一現(xiàn)象就叫音爆云。
音爆云和音爆都只在飛機(jī)突破音速的那一刻產(chǎn)生,一般來(lái)說(shuō)持續(xù)幾秒鐘—沒(méi)有飛機(jī)會(huì)一直卡著音速飛行。速度完全超過(guò)音速以后,飛機(jī)自身反倒平靜了許多。飛機(jī)仍在碰撞空氣,但它將自己發(fā)出的聲音甩在了身后,本來(lái)應(yīng)該以球面波形式傳播出去的聲波波前此時(shí)形成了一個(gè)錐形面—飛機(jī)在錐尖的位置。
飛機(jī)外面的你在“聲錐”之外什么都聽(tīng)不到。當(dāng)聲錐界面經(jīng)過(guò)你的位置時(shí),空氣壓強(qiáng)的突變會(huì)使你聽(tīng)到如爆炸一般“砰”的一聲,這就是音爆現(xiàn)象。之后你在聲錐之內(nèi)了,聽(tīng)到的就是正常的飛機(jī)飛行聲。
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