清远|为什么高铁上的蚊子不会被甩到车尾?你也许懂了,但并没有完全懂……


清远|为什么高铁上的蚊子不会被甩到车尾?你也许懂了,但并没有完全懂……
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清远|为什么高铁上的蚊子不会被甩到车尾?你也许懂了,但并没有完全懂……
最近某视频软件上 , 一个看似和物理有关的问题火了:高铁上的蚊子到底会不会因为高铁的加速而被甩到车尾?
看了众多博主对此的解释 , 小编这个人间清醒 , 啪的一下就站起来了 ── 看似简单的问题其实里面其实包含了非惯性参考系、流体力学等方面的知识 。
在开始正式推导之前 , 先摆出我们的结论 。 在一直加速的列车厢内 , 蚊子只保持悬浮状态的话确实是会甩到车后!只要车厢够长 , 蚊子就会相对车厢向车厢后做匀速运动 。
具体的约束条件还有一些推论 , 比如:“蚊子的受力是怎样的?”、“蚊子什么情况下会撞在车厢前壁?”、“如果车厢被我们抽成真空 , 会有什么不同?”等 , 我们会在后续的推导中进行阐述 。
问题背景
Background
这不放暑假了 , 当各位小伙伴搭上回家的公交车、地铁甚至高铁 , 拿出手机 , 开始安心的进入坐享行程模式时 。 有可能你会遇到这种情况 , 我的天 , 高铁上竟然也有蚊子?你会不会瞬间带上痛苦面具 , 露出下面的表情?
不过速度为300km/h的高铁上的蚊子 , 此时岂不是正在以83m/s的速度相对于地面运动?
了解相对性原理的同学 , 肯定能知道这只是参考系的问题 。 车厢 , 车厢内的空气和蚊子 , 相对静止 , 以车厢为参考系 , 蚊子在车厢内就如“飞”平地 。 匀速阶段也不用解释太多 。
好奇的同学就问了 , 蚊子从一开始相对地面静止是如何加速到83m/s的速度呢?(虽然这个速度很大 , 但是实际上在加速阶段 , 高铁的平均加速度只有约0.2m/s2 , 并不算很大)
【清远|为什么高铁上的蚊子不会被甩到车尾?你也许懂了,但并没有完全懂……】在加速阶段 , 如果蚊子是在车厢内部固定表面作以停留 , 摩擦力做功 , 蚊子跟着高铁一起加速 , 也就和高铁轻松地达到相同的速度 , 就和坐在列车上的乘客一样 。
猜大家点进来也不是只想看这样的结论 , 老师说过“做物理题一定要揣摩出题人的意图 。 ”大家想知道的肯定是下面的内容——车厢内悬空的蚊子是如何加速到和高铁相同速度的?接下来 , 我们主要从定性的角度出发来解释这些问题 。
NO. 1
车厢内悬空的蚊子是如何加速到和高铁相同速度的?
为了阻止可恨的蚊子和我们保持同样的速度 。 假设我们在车厢内部的每个角落都抹上了一种超润滑的物质 , 让蚊子根本不能“搭便车” , 否则就要在车厢上来一段地板动作 。
此时我们假设蚊子在车厢中 , 并没有相对车厢前后左右的力(杠精先别抬杠) , 只是悬停在空中 , 此时竖直方向上的力达到平衡 。
竖直方向上 , 蚊子扇动翅膀提供的升力F升 , 空气的浮力F空浮 , 蚊子所受的重力G三力平衡 。
高铁将会以a的加速度向前运动 , 要知道蚊子此时是怎么运动的 , 最关键的是进行此时的受力分析 。
NO. 2
蚊子此时如何受力?
我们知道牛顿运动定律只适用于惯性参考系 。 比如在日常分析问题时 , 地球就是一个很好的惯性参考系 。 现在 , 高铁车厢正在相对于地面 , 做匀加速直线运动 。 显然 , 高铁不能被视为一个惯性参考系 , 它是一个典型的非惯性参考系 。 那么牛顿运动定律是不是在这个参考系中就完全不能适用了吗?
聪明的科学家想到了一个办法 , 就是引入一个虚拟的“惯性力” 。 大小为ma , 方向与加速度相反 。 虽然这个力是虚拟的 , 但是在非惯性系之中 , 引入了惯性力之后 , 牛顿运动定律就能重新适用了 。 就比如我们常说的离心力 , 就是引入的一种“不存在”的惯性力 。 那么我们看接下来的分析 。