这是一个很“古老”的笑话了。

某人误入一个博士群。见到有一个人提问:一滴水从一万米自由落体下来,砸到人会不会砸伤?或砸死?群里一下就热闹起来,各种公式,各种假设,各种风力,阻力,重力,加速度等等的讨论,足足讨论了近一个小时。这时,某人默默的问了一句:你们没有淋过雨吗? 群里,突然死一般的寂静......然后,然后,某人就被踢出群了……

一滴水从一万米的高空掉下来(一滴水从一万米的高空落下)(1)

本文当然不是来嘲笑博士们没有常识、也不是去嘲笑某人没有学问,而是想借着这个笑话来讲述一下物理思维,让我们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,用第一人称来与您描述一下这个有趣又奇妙的过程。

一、合力让“我”漂浮在空中

在晴朗的天空中,只要您抬头就能看到空中漂浮着朵朵的白云。其实大家看到的就是“我”和“我的兄弟姐妹们”聚集在一起的样子。

一滴水从一万米的高空掉下来(一滴水从一万米的高空落下)(2)

我在诞生之前是水蒸气,主要来自海洋的蒸发,陆地上江河中的水的蒸发只占很小的比例。来自太阳的辐射让我具备了足够的动能,使得我冲破了海水表面其它兄弟姐妹之间的拉扯的力量,跑到空气当中,变成了一个自由的水分子。

虽然这时候,身边不再那么拥挤,但也不断受到空气中氮气和氧气分子的碰撞,由于我的比重比它们轻,所以在碰撞中能够获得更高的速度并逐渐向上漂浮。这个过程中,当然不是没有重力的作用,而是与碰撞获得的力量相比,重力要小好多的数量级。

一滴水从一万米的高空掉下来(一滴水从一万米的高空落下)(3)

这个时候,主导运动状态的不是重力,而是来自空气分子的碰撞。就这样我在碰撞中不断上升。

在上升途中,我也会遇到其它的物体,比如灰尘和其他的水分子,由于我是极性分子,所以我对外的不同方向是表现出电极性的,所以我会吸附在灰尘上,或者与其他水分子重新拉起手来。这时候我们就重新变成小水滴,而灰尘叫做凝结核。

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在这个过程中,我会失去一部分的运动速度,对外释放出热量。继续与其他水分子结合,变成更大的水滴,最后在重力和空气分子的碰撞中保持平衡,无数个我这样的小水滴聚集在一起,就形成了云。

大家要注意一下,让我漂浮在空中并保持云的状态,影响我的不只是重力,而是重力与空气分子碰撞的合力,垂直方向达到了力的平衡。

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二、空中坠落(降雨)

我在不断长大。这是因为我与兄弟们之间拉手的力量(氢键电磁力)要大于重力几十个数量级,当我和其他小水滴之间发生碰撞,或者是撞到其他水分子,我们之间就会融合,形成一个更大的小水滴。

在小水滴的外表面,我和兄弟们紧紧地手拉着手,形成了一张向内收缩的张紧的、接近完美球形的膜,将其他的水分子包裹在内部。在长大的过程中,会继续失去部分动能(释放热量)。

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随着我的体积增加(单个小水滴的重量增加),终于打破了空气分子给我的碰撞力与重力的之间的平衡,这一刻我开始下落,就是大家口中所说的降雨。

在开始坠落的那一刻,垂直方向上,我受到的重力大于了来自空气分子碰撞的力量,运动速度从零开始加速,并且坠落的速度不断增加。这就是我在高空中发生的情况。

一滴水从一万米的高空掉下来(一滴水从一万米的高空落下)(7)

三、再次平衡

在下落的过程中,我会不断受到下方空气分子的阻挡,所以我就要把它们撞到一边去,才能降落到地面上。这些碰撞过程产生的力,就是空气阻力。

随着下落速度的增加,我在单位时间内撞开的空气分子数量急剧增加,换句话说,来自空气助力的影响以速度的平方呈现指数增加。

最后,来自空气的阻力,再次与重力达到一个平衡的状态。而此时的我,已经具备了一定的运动速度。按照牛顿第一定律,物体在不受外力,或者合外力为零的情况下,将保持原来的运动状态。所以,在降落到地面之前,在垂直方向表现出来的就是一种匀速直线运动状态。

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四、综合分析

从前面的介绍中大家可能看出来了,其实,不论我在上升、凝聚还是下降过程中,空气都起到了至关重要的作用。它们一直在参与并且扮演重要的角色。如果没有空气,我在成为自由的水分子之后不会上升,也不会发生其他方向的运动,而快速遇到其他小伙伴凝结成小水滴。

如果在一万米高空中的我,没有空气直接下落的话,当我到达地面时,我的速度将接近1.5倍音速,即使是只有一小滴(0.1毫升),即使不会致人死命,也会让人受到重创。正因为有了空气,才能够形成美丽的云和滋润大地的雨,而不是一颗颗致命的“子弹”。

一滴水从一万米的高空掉下来(一滴水从一万米的高空落下)(9)

结束语

亲爱的小伙伴们,降雨虽然是一种常见的自然现象,但其过程中却深藏着深奥的物理学原理。在人类几百万年的进化过程中,能够清晰、完整地描述这个过程的时间才100多年。大自然还有更多的谜团等待着我们去发现、去揭示,所以我们需要认真观察、好好学习。

如果您对物理学非常有兴趣,我推荐您可以看一下我的专栏《零基础物理学入门——力学篇》。

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