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科普|大雨點落地快還是小雨點落地快?
來源: 新華網    時間: 2019-06-13 10:32

    下雨是一種常見的天氣現象,雨滴從天而降,重量有大有小。那你是否有過這樣的思考:在雨滴落下的過程中,是雨滴越大落得越快還是雨滴越小落得越快呢?

    對待這個問題,如果從重力與速度之間的關係去分析,大雨點較重,下落速度會比較快;而從空氣阻力角度去考慮,大雨滴受到了較大的阻力,則下落的速度會比較慢;但是,如果將雨滴的下落過程與伽利略的自由落體實驗聯係起來,那麼,雨滴下落速度與質量無關,從同一高度落下將會同時落地。到底哪一種説法是正確的呢?

    十六世紀,意大利科學家伽利略做了一個著名的自由落體實驗,他在比薩斜塔上同時擲下兩個不同重量的鐵球,最終兩個鐵球同時著地。這個實驗説明了任意質量的物體在相同高度做自由落體運動時,下落的時間是相同的,與物體質量無關。所謂自由落體運動,即物體只在重力的作用下從靜止開始下落的運動。所以,從嚴格意義上來説,自由落體運動僅存在于真空狀態下,需要排除空氣阻力的幹擾。倘若在非真空狀態下,可以將空氣阻力忽略不計的話,物體由靜止自由下落的運動也可以看作自由落體運動,例如,成熟的蘋果從樹上掉落到地面。

    那麼關鍵的問題來了,什麼情況下可以將空氣阻力的影響忽略呢?首先,物體下落的高度不能太高。物體在下落過程中速度越快受到的阻力就越大,空氣阻力對物體速度的影響就越明顯;再則,物體的重量要較大。重量越輕,物體受到的重力與空氣阻力之間的差異便越小,加速度也越小。比薩斜塔的高度只有50多米,且兩個鐵球的質量都比較大,所以伽利略自由落體實驗可以忽略空氣阻力,才能讓兩個鐵球同時著地。

    由此我們可以知道,雨滴從雲層掉落下來,高度較高,且雨滴的重量也不算大,所以不能將其看作是自由落體運動,空氣阻力的影響必須考慮在內。雨滴在下落的過程中受到兩個相反方向的作用力,一個是方向向下的重力,另一個是方向向上的空氣摩擦力。在雨滴下落初期,重力大于摩擦力,雨滴呈現加速度狀態。並且,隨著雨滴速度不斷增大,摩擦力也同時增大。在下落達到一定速度後,重力和摩擦力相當,雨滴受到的力達到了平衡狀態,呈現出勻速狀態,此時的速度為最終速度。不管是大雨滴還是小雨滴,從雲層墜落的過程中的某個時刻一定會達到勻速狀態,以最終速度落地。所以,雲層的高度決定雨滴的最終速度只與其自身重量相關,雨滴的重量越大,自身重力則越大,其達到的最終速度就越大。因此,同一高度落下的雨滴,重量較大的會先一步落地。

    雨滴的下落運動並不能被看作是簡單的自由落體運動,在整個過程中,其自身重力和空氣阻力都是關鍵影響因素。試想一下,倘若沒有了空氣阻力的影響,那麼,下雨天人們感受到的雨滴的衝擊力還會這麼輕微嗎?

(責任編輯:王佳)
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