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            【物理脑洞】一滴水从很高很高的当地落下来会砸死人吗?

            admin 2019-05-26 382人围观 ,发现0个评论

            有一个适当陈旧的段子是这么说的:

            为了涨姿态(长知识),我参加一个物理博士群,见到有人问:一滴水从很高的当地落下来,会不会弄死人?

            群里一下就热烈起来,各种公式、各种假定、各种阻力、重力、加快度的评论。

            一小时后我静静的问了一句:你们没有淋过雨吗?

            群里,忽然死一般地幽静……

            然后,然后我就被踢出群了……

            显着这个段子只不过是用来讪笑高学历人缺少知识的(当然或许是自嘲!)。道理懂了,但【物理脑洞】一滴水从很高很高的当地落下来会砸死人吗?水从高处落下来,到底会发作什么呢?

            第一种状况:水(仅限液态)在地球上不经人类任何干与而掉下来

            满意这一状况,只能是降雨。

            所谓降雨,便是高空云层中凝聚的小水滴,由于重力超越了气流承载力,而落下来。气流承载力并不是很大,所以雨滴也没办法变得很大;就算有些雨滴能变得稍大一点,下落的进程也会很简单让它土崩瓦解。

            其成果便是,雨滴很快就会由于空气阻力而抵达所谓的“终末速度”——重力和阻力平衡,不会再加快。

            在密度和形状不变的状况下,重力和长度的三次方成正比,但阻力只和长度的二次方成正比,所以大略说来,越大的物体终末速度越快。

            雨滴直径一般不过几毫米,5 毫米雨滴的分量不过 0.1 克,终末速度大概在 9-13 米/秒,和自行车的速度(一般状况下)适当。再加上它仅仅液体,这点能量对人来说啥都干不了。

            所以咱们尽可讪笑我花了几段文字来解说最日常的知识——不过别满意太早,这篇文章才刚刚开端。

            第二种状况:水(物态不限)在地球上不经人类任何干与而掉下来

            在天然环境下,清楚明了的场景是冰雹。

            尽管冰雹的形状和密度其实和水滴相差无几,但它有一个大优势:硬。硬度确保了就算较大的冰雹在下落进程中也不会溃散,还确保了它掉在你头上的时分瞬间冲击力比水大许多。

            大号冰雹直径能够到达15厘米,分量达0.5千克,而落下来的时分其终末速度则可到达 50 米/秒以上(不过由于磕碰和消融等原因,它不必定总能到达这个速度)。

            一块 0.5 千克的冰块,用手丢出去都能把人砸个不轻,况且以时速近两百千米的速度碰击人头部呢?因冰雹而受伤乃至逝世的事例层出不穷,也不足为怪了。

            其实还有一种愈加可怕的【物理脑洞】一滴水从很高很高的当地落下来会砸死人吗?场景,不过这儿我要卖个关子,留下后边再说。

            第三种状况:水(液态雨滴巨细)在没有大气层的地球上掉下来,不考虑蒸腾

            从现在开端就不是无人类干与的“天然”环境了,但原题也没这要求对吧。

            没有大气层又不计入蒸腾的话,水滴总算能够完成真实的自在落体了。(假设考虑蒸腾会怎样?真空中水会马上欢腾,但欢腾进程吸热,成果是一部分蒸腾掉,另一部分结成小冰块,关于咱们的定论没有实质的差异)

            它会一向加快,直到碰击地上停止。假设它依照 9.8 m/s^2 的速度匀加快,那么它想加到多快就有多快,甭说干掉一个人,就算消灭整只舰队,乃至消灭地球也不在话下。

            固然,稍有知识的人就会看出来永久匀加快是不或许的,由于你不能打破光速,但这仍然不影响咱们取得恣意大的能量、消灭恣意大的星球和恣意多的人。

            不幸的是,咱们限制了地球这个条件。离地球太远,引力会变弱,加快度也会变小。

            其实,牛顿早就证明了一个不是很契合直觉的定论:就算水滴间隔地球是无限远,它的最大速度也是有限的。

            咱们能够依据引力势能公式 E=-GMm/r 进行核算,一滴水假设分量为 0.1 克,从无量远落到地上的时分能够取得大约 6 千焦的能量,换言之,它的速度大约是 11km/s,差不多是第二宇宙速度。

            事实上,它刚刚好便是第二宇宙速度,分毫不差,由于第二宇宙速度的界说便是地球外表物体逃逸到无量远处所需的速度,这两个物理进程彻底是等价的。

            换了任何其他物体,真空中向地球自在下落,最大速度也必定是这个值。

            喊破嗓子也不会有人来救你的!

            可不要小看这个速度。当水滴碰击平面的时分,会遭受揉捏,边际的水就会以更快的速度向外分散,发生激波。

            有论文模拟了水滴以 0.5km/s 的速度碰击平面,成果向外分散的水流速度高达 6km/s,其力度足以打碎一般玻璃。现在咱们的初始速度是它的 20 倍,其成果可想而知。

            或许换一个视点,AK47 子弹出膛动能大约是 2 千焦,而咱们的水滴是它的三倍。水滴尽管不是硬的,但也没什么弹性,而且速度比子弹快得多得多,所以绝大部分能量会在短得多的时刻里传递给头骨,重伤乃至逝世应该是妥妥的事儿。

            第四种状况:水(液态巨细不限)在有大气层的地球上掉下来

            呼,大气层回来了。但别快乐得太早。

            假设你从空中泼一桶水下去,那么其杀伤力和一滴水没有实质差异,由于气流等要素会把这桶水再撕裂成水滴,可是假设你泼的是一游泳池、一湖,乃至一大海的水,那么就没有满足的时刻分散开来,其成果将是消灭性的。

            网络漫画 xkcd 的作者兰道尔门罗(Randall Monroe)从前核算过,假设夏天一场暴雨的一切雨水化作一个大水滴,那么这个水滴体积 0.6 立方千米,分量 6 亿吨(差不多是一切人类加在一同的总分量)。

            这坨水假设从云的正常高度落下来,那么落地瞬间速度大概是200米/秒。

            落地址的空气遭到激烈紧缩,发生瞬间高温,足以让地上的草烧起来,所幸下一瞬间就会有巨量的水将野火平息在萌发中。

            假设你不幸站在这个当地,你遭受的水压将会超越马里亚纳海沟最深处的压强。

            水滴落下来只需一分钟,你跑不掉的啦!

            你当然是死定了,但还没完——记住上面说到的水滴碰击【物理脑洞】一滴水从很高很高的当地落下来会砸死人吗?时向五湖四海发生的冲击波吗?现在方圆几千米之内会什么都不剩,二三十千米之内的修建也基本上都要玩完,再远一点的当地或许会借着地形幸存——假设他们没有被接下来的洪水冲走的话。

            那么问题来了:能不能再给力一点?

            第五种状况:水(物态巨细均不限)在有大气层的地球上掉下来

            有请彗星君盛大上台。

            严格说来彗星不全是冰,里边还有不少固体尘土物质,但雨滴和冰雹里也有不少尘土(不信来北京淋场雨)。彗星的巨细嘛,可便是动辄几千米了。

            当年舒梅克列维 9 号彗星被撕裂然后撞上木星的时分,最大一块直径大约 2 千米,速度约 60 千米/秒,撞出了一个巨细适当于地球半径的黑斑。

            6500 万年前一颗大约直径 10 千米的小行星撞上了地球,造成了全球规模内的集群灭绝,而且把恐龙全干掉了。

            现在一颗一般彗星以相对较慢的速度( 11 千米/秒)掉下来,或许不至于那么严峻,可是炸平几千平方千米、发生一个全球规模的冬季、对人类经济体系引发消灭性冲击,差不多仍是够用的。

            而咱们已知的最大彗星,直径或许有 25 千米,换言之其质量是舒梅克列维 9 号最大碎片的 2000 倍,就算速度是六分之一,总能量也有其 50 倍以上。

            不过,还没完呢。

            第六种状况:水在太阳上掉下来

            关于一个凶恶科学家而言,这才是真实的好戏开场。

            假设不考虑太阳大气和温度,那么水滴落到太阳上的最大速度是 617.5 千米/秒,一同也是太阳外表的“逃逸速度”。这比地球上大许多,人在上面也会死得惨许多,不过在上面的人横竖也现已死了,无所谓啦。

            但水落到太阳上,还有其他作用。和地球不同,太阳是个巨大的核反应炉,它的燃料是氢,保持炉体安稳的是压力和引力的平衡。假设太阳变大了,引力就会占优势,让太阳燃烧得愈加激烈、一同寿数也变得更短,而往上倒一氧化二氢,正好能够到达这一意图。

            所以,假设咱们往太阳上倒水,那么它会变得更热,间隔它的完结也更近。

            倒的水假设多一点,地球上就会呈现极端显着的温室效应,农业体系和海岸居住区溃散,整个人类社会堕入紊乱。

            假设再多一点,激烈阳光带来的硅酸盐风化会把越来越多的二氧化碳锁在岩石圈里不再流转,短期内或许会缓解张狂的温室效应,但长时间下来将意味着大气二氧化碳无法保持碳三植物的存活,整个地球生态体系溃散。

            假设再多一点,碳四植物也将消亡。

            假设再多一点,海洋的蒸腾将失去平衡,很多水蒸气滞留在大气中加重温室效应,终究地球外表将成为湿润大温室,海洋悉数消失。假设此刻生命还没有悉数灭绝,也只能在极个其他当地苟延残喘了。

            持续多下去,太阳就会加快行进,终究成为红巨星把地球吞没——假设没有这些额定的氢,地球还有必定概率逃过一劫,但倒了这么多水上去之后,这一命运就无可避免了。

            凶恶行星科学家的终极愿望,诚招土豪赞助一同消灭国际,机不可失!

            然后,太阳会变成一颗超新星,终究或许在巨大的额定质量之下成为一颗黑洞。

            第七种状况:一滴水在黑洞上掉下来

            从开端读这篇文章,你就该想到肯定会走到这一步天天拍车的。

            黑洞很沉,十分沉。它是如此之沉,以至于当其他物体落向它时,会释放出巨大的引力势能,足以发生很多的 X 射线。氢原子核聚变放出的能量只要它静质量的 0.7%,而物体落入黑洞里放出的能量能够到达静质量的百分之几十。

            和其他电离辐射比较,X 射线算是杀伤力很低的了,比如一次胸透带来的毕生癌症危险还不到百万分之一(比较之下一个人正常过一辈子得癌症的概率就有三分之一),可是黑洞带来的 X 射线量极端巨大。

            低质量 X 射线双星简直悉数能量都以 X 射线的方式释放出来,所以往上滴一滴 0.1 克的正常水滴,近似适当于把水质量几分之一转化为等效能量,再把这些能量以 X 射线的方式全打出去——这差不多是 10^12 焦耳。

            更糟的是,这些 X 射线的能量较低,是穿透力有限的“软”X 射线,照进人体只需几厘米就会简直被彻底吸收。

            假设这么多能量被一个人全吸收了,那么足以把他汽化几千遍;假设依照 8 戈瑞的“必死”辐射剂量预算,那么这些 X 射线满足杀死 18 亿人。

            不要介意这个魂灵画风,咱也不能跟诺兰和索恩比是吧……

            是的,这便是一滴水从高处落下来,所能发生的最大杀伤力,需求的不过是一个黑洞在下面接着它。就算三体人的那个“水滴”能单挑整个地球舰队,在这真实的水滴面前也不过是小巫见大巫。

            这个故事通知咱们一个道理:千万别和学物理的待在同一个群。

            感谢原作者如有侵权请奉告删去谢谢!

            ID:huanqiuwuli

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