理论教育 物体重与下落速度:趣味力学

物体重与下落速度:趣味力学

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:很明显,速度较快的物体很快就会被另一个物体所阻滞,变慢,另一个物体的下落速度则会变快。于是,我们可以推断出:较重物体的下落速度小于较轻物体。比方说,如果铁球和木球的直径相同,它们下落的速度就应该相等。

物体重与下落速度:趣味力学

我们经常会看到物体下落的现象,这是一个进行力学研究的好例子,会将一些“常识”与科学的巨大分歧展现在公众面前。对力学一无所知的人,也许会认为重的物体比轻的物体下落得更快,亚里士多德曾经也这么认为。

在很长一段时间内,人们都对该问题存在分歧,直到17世纪,伽利略才正式提出了不同意见。不得不说,他是一位伟大的自然科学家,不仅促进了物理学知识的普及,还给我们提供了全新的思想方法。伽利略提出:

还需要做实验吗?一个简单的推论就能证明,那些认为较重物体比同种物质构成的较轻物体下落得快的说法是错误的……如果两个下落物体的自然速度不一样,我们可以把速度较快的物体和速度较慢的物体连在一起。很明显,速度较快的物体很快就会被另一个物体所阻滞,变慢,另一个物体的下落速度则会变快。如果事实确实如此,那我们再假设开始时,大物体的速度为8,小物体的速度为4,它们连起来后,得到的速度应该小于8。可是,这两个物体连起来后,质量明显大于两个物体中的任何一个物体。于是,我们可以推断出:较重物体的下落速度小于较轻物体。这与之前的假设相互矛盾,因此按照较重物体比轻物体下落得快的说法,我们会得出一个结论:较重的物体下落得更慢。

我们已知:在真空中,物体下落的速度全都一样,但在空气中,物体下落的速度之所以会有不同,问题就出在空气阻力上。空气对运动物体的阻力只会受到物体的尺寸和形状的影响。到这里,有的读者也许会问:既然如此,假设两个物体的大小和形状都一样,但质量不同,那么它们下落的速度相同吗?在真空中,它们的速度应该相同,在空气阻力的作用下,它们减小的速度也应该相同。比方说,如果铁球和木球的直径相同,它们下落的速度就应该相等。显然,这个推论和实际情况不符。

对此,应该作何解释呢?(www.daowen.com)

还记得在第一章里提到的“风洞实验”吗?此处也可以用它来分析。

假设有一个竖立的风洞,在风洞里挂两个尺寸相同的木球和铁球,通过下端吹来空气流作用于它们身上。也就是说,在风洞里,我们研究的现象不再是“下落”,而变成了“吹起”。

那么这时,先被空气流吹走的会是哪个球呢?显然,虽然作用到这两个球上的力量相等,这两个球得到的加速度却不同,木球得到的加速度会大一些。这一点,我们可以从公式F=ma中得出来。如果可以还原该现象,我们看到的应该是木球最终落在了铁球的后面。换句话说,在空气中,铁球比体积相等的木球下落得更快。

还有一个例子,你玩过从山顶上往下扔石头的游戏吗?扔石头时,你可能没有注意到一个现象,大石头比小石头飞得更远。这个现象其实很好理解:在飞行的旅途中,大石头和小石头受到的阻力几乎一样大,但由于大石头的动能比较大,所以它更容易克服阻力。

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