理论教育 奥秘揭示:云和尘埃悬浮之谜

奥秘揭示:云和尘埃悬浮之谜

时间:2023-11-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:从物理学的角度讲,飘浮在空中的物体,它们的质量一定小于同体积的空气的质量。而尘埃的质量比空气大得多,因此说它们“飘浮在空中”不太准确,应该说它们“飞翔在空中”。尘埃在下降时,空气分子必须让出一条路,因此在排除一些空气分子的同时,也吸引着旁边的空气分子一起下降。云之所以能“飘浮”在空中,也是相同的道理。云和尘埃“飘浮”在空中,与空气有着密切的关系,如果放在真空中,它们会像大石头一样飞速下落。

奥秘揭示:云和尘埃悬浮之谜

很多人看到问题会下意识地回答:“因为它们比空气轻。”这个答案看起来很合理,其实是错误的。尘埃并不比空气轻,反而比空气重得多,可能是空气的百倍或千倍。

那么,尘埃到底是什么呢?实际上,它就是各种物体的碎屑,比如,石头或玻璃的碎屑,以及煤炭、木头,或一些金属、颗粒纤维。它们比空气重得多,这可以通过比重体现岀来。

作出上述判断并不是什么难事。在比重表中,它们基本上都比水重,至少超过水的比重的。而和空气相比,水差不多是空气的800多倍。因此,我们说尘埃比空气重百倍、千倍,一点儿也不夸张。

尘埃为什么能飘浮在空中呢?首先应该纠正这种说法。从物理学的角度讲,飘浮在空中的物体,它们的质量一定小于同体积的空气的质量。而尘埃的质量比空气大得多,因此说它们“飘浮在空中”不太准确,应该说它们“飞翔在空中”。也就是说,在空气的阻力下,它们一直在慢慢地下降。尘埃在下降时,空气分子必须让出一条路,因此在排除一些空气分子的同时,也吸引着旁边的空气分子一起下降。

在这个过程中,尘埃肯定做功,通俗地说就是消耗能量。通常而言,下降物体的截面积与质量的比越大,做的功就越多。当一个巨大沉重的物体下降时,我们丝毫感觉不到空气阻力的存在,因为物体的质量远远超过了空气阻力。

如果物体的体积很小,又会怎样呢?可以利用几何学的知识来解释。物体的体积越小,它的质量与截面积的比就越小,这是因为体积与物体直线尺寸的立方成正比,截面积与它的直线尺寸的平方成正比,空气阻力则与面积成正比。

那么,上面的数据有什么意义呢?来看看下面的例子。比方说,有两个球的材料相同,其中一个球的直径为10厘米,另一个球的直径仅为1毫米,这两个球的直线尺寸之比为100∶1,质量之比为1 003∶1,这意味着小球的质量是大球的一百万分之一。若是让它们从空中下降,受到的阻力之比就是1002∶1。因此,小球显然比大球落得慢,或者说,尘埃之所以在空气中逗留,是因为它很小,而不是因为它比空气轻。若有一滴直径为0.001毫米的水滴从空中下落,速度为0.1毫米/秒,那么空气只要稍微流动一下,它的下落运动就会停止。

人来回走动的房间比无人居住的房间里灰尘要落得少,白天比晚上要落得少,就是这个原因。尘埃的降落会受到空气中旋涡气流的阻挡,而在无人走动的安静空气中,这种气流几乎不存在。

假设有一块立方体石头,边长为1厘米,将其敲碎成边长为0.000 1毫米的立方体尘埃,这些石头总的截面积会变成原来的10 000倍。因此,当它们下降时,空气阻力也会增大同样的倍数。通常来说,尘埃都是这么大,所以这个景象被增大的空气阻力终结了。(www.daowen.com)

接下来,我们再来聊聊云的情况。云之所以能“飘浮”在空中,也是相同的道理。过去流传着一种说法,说云是由很多饱和的水蒸气泡组成的,其实这个描述并不准确。云是由很多非常小且密集的水滴组成的,这些水滴比空气大约重800倍,但它们轻易不会落下来,只在我们毫无察觉的情况下缓缓下落。这和尘埃下落的道理一样,都是截面积比质量大很多所导 致的。

因此,只要有一阵非常轻微的气流,云的缓慢下落即可能被阻止,停于某一个水平面上,甚至可能向上运动。

云和尘埃“飘浮”在空中,与空气有着密切的关系,如果放在真空中,它们会像大石头一样飞速下落。

再指出一点,降落伞慢慢的下落,也是基于同样的道理,它的下降速度大约为5米/秒。

【注释】

[1]该统计数据为作者所属年代的数据。根据美国人口调查局的估计,截止到2013年1月4日,全世界的总人口达到近70.75亿人。

[2]戈比是俄罗斯等国的辅助货币,相当于中国货币里的“分”。1卢布=100戈比。

[3]《格列佛游记》,作者为英国作家、讽刺文学大师乔纳森·斯威夫特。

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