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自由落体速度和质量无关,为什么一滴水从高空坠落不会砸伤人?

一滴水从高处自由落体下来究竟能不能砸死人,答案是足够高的高度可以砸死人。

自由落体的力量

最早,古希腊科学家亚里士多德提出,物体在相同高度下坠落时,坠落的速度是由物体本身的重量决定的。物体的重量越快,下落的速度也越快。比如:一块铁和一块棉花,应该是重量较重的铁坠落速度快。

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这种结论很符合人们的日常观察,所以人们一直接受这个观点,直到伽利略提出了不同的看法。

在1636年,伽利略在《两种新科学对话》中提到,如果按照亚里士多德的理论,那么假设有两块石头,一块石头的重量为8千克,而另一块石头的重量是4千克,那么大石头的坠落速度比小石头的坠落速度快。

但当两块石头绑在一起的时候,下落较快的石头会被下落较慢的石头拖慢速度,因此这块石头的坠落速度应该慢于下落较快的石头。

然而这两块石头的重量达到了12千克,理论上速度又应该快于下落速度较快的石头。这就陷入了矛盾之中。

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为了解决这个矛盾,伽利略提出,物体下落的速度并不是重量决定的。而是与时间成正比,所耗费的时间越长,坠落速度越快。

据说,伽利略为了验证自己的理论,在比萨斜塔上进行了一大一小铁球实验,最终证明这两个铁球同时到达地面。也就是说,无论是铁球还是棉花,到达地面的时间应该相同。

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后人总结了自由落体运动的三个特点,分别为:

初始速度为0,如果一个物体的具有初速度,那么即便满足其他的条件,也不是自由落体运动。物体在下落的过程中,只受重力作用。我们知道,力除了有大小,还有方向,而物体在下落的过程中,一般会受到重力,空气阻力等因素阻扰。而自由落体运动,物体除了重力作用下,不再受其他力的印象,比如空气阻力。任何物体在同等高度做自由落体速度时,下落的时间相同。也就是说,不管一个物体的质量、体积、与空气的接触面积有多大,到达地面的时间都相同。比如:一块铁和一块棉花在做自由落体时,速度相同。也就是说,一滴水只要达到足够的高度,那么当它以自由落体坠落到地面时,速度就可以非常快,快到足以砸伤地面生物,甚至会砸死。

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为什么雨水没有砸死人?

虽然理论上讲,雨滴只要达到足够的高度就可以砸伤人,但实际上,雨滴从未砸死过任何人,甚至连砸伤都未曾有过。那为什么会这样呢?这是因为我们忽视了空气阻力的作用。

我们知道,物体从高处坠落时,不仅会受到重力因素影响,还会受到空气阻力的作用。而空气阻力的大小和物体的速度、与空气的接触面积、大气密度有关。

物体的运动速度越快,空气阻力越大,也就是说雨滴在坠落的过程中,空气阻力会起到减速作用,大大减缓了雨滴的坠落速度。

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也有科学家把雨滴这样小质量的物体的坠落速度,用终端速度来描述,从下图中可以看出,时间越长,物体的坠落速度越慢,直到达到一定的速度。也就是说,无论雨滴从万米高空坠落,还是从百米空中坠落,速度差距并不大。

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再加上,雨滴在坠落的过程中,空气流动会带动雨滴的蒸发,导致雨滴内的水分子因蒸发重新进入到空气中,然后再凝聚在其他雨滴周围。也就是说,下落到地面的雨滴和最开始形成的雨滴,里面的水分子构成不一样,整个过程处于动态平衡。

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所以,雨滴在落到地面时,速度会非常慢,大约只有1.8米/秒,再加上雨滴的质量非常小,所以这个速度不会砸伤地面生物。

而如果是一滴水从高空中坠落,由于周围水分子较少,可能还没等它落到地面,该水滴的水就会因蒸发而不会落到地面上,因此不会砸伤人,更不会砸死人。

总结

自由落体和物体的质量没有关系,和物体坠落时的高度有关系,高度越高,物体到达地面时的时间就越久,末端速度就越快。关于这一点,伽利略曾经做过比萨斜塔进行了验证。

也就是说,按照自由落体运动的规律,一滴水只要从一定高度的高空坠落下来,就一定会砸死人,甚至会砸伤人。

之所以雨水落下没有砸伤人,是因为空气阻力的作用,空气阻力使得雨滴无论从万米高空还是百米高空落下,坠落速度都一样,所以不会砸伤人。

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