蚂蚁从万米高空掉下来,会不会摔死?:这是个很有意思的问题,因为人类不用说万米高空,10米摔下就足以致命了。那么小小的蚂蚁从万米高空摔下会不会被摔死呢?这
这是个很有意思的问题,因为人类不用说万米高空,10米摔下就足以致命了。那么小小的蚂蚁从万米高空摔下会不会被摔死呢?这牵扯到两个物理点-加速和阻力。下面,我们就来认真的解答一下这个有意思的问题。
自由落体就是说从初始速度0开始的一个高空向下的运动,而地球是有重力的,所以从高空跳下,会受到地球重力的影响,所以物体的运动轨迹是向着地球方向的。
一般情况下,如果自由落地的高度小于6371千米(地球的半径),物体受重力的影响是不会变的,也就是说重力加速度的变化非常小,我们一般取10米每秒左右,我们习惯用g来表示重力加速度。
而自由落体有一个公式-V=gt,V就是速度,而g则是重力加速度,t则是自由落体的时间。也就是说物体从高处落下的速度是与时间成正比的,这也就是为什么从高处跳下速度会越来越快的原因。
但是,这个公式没有考虑到空气阻力的问题,只是一个完美环境中的公式。实际上,人从万米高空落下,速度会增加,但是当下降的速度与空气阻力到了一个平衡点时,人的速度不再会增加,而是维持在一个速度上不变,这个速度大约在200公里每小时左右。也就是说无论人从多高的地方跳下,下降的速度最多也就是200公里每小时。
在许多人的想象中,物体的重量越大,下落的速度会越快。这其实是不科学的,伽利略定律告诉我们,同形状体积下,不同质量的两个物体从高空抛下,落地的时间是一样的,也就是说在下落的过程中,它们的速度是一样的。也就是说能够影响速度的,只有下落物体的大小。
按照上面的公式看,在完美的环境下,蚂蚁的速度会一直增加。但是由于蚂蚁的体型非常的小,仅有不足1厘米,和人的 体型更是差了上千倍,也就是说蚂蚁的表重比比人类要小很多,所以蚂蚁的下降速度比人要慢一些。
但是,即使慢一些,对于小小的蚂蚁来说拍向地面也是致命的。那么它为什么会摔不死呢?因为,我们忽略了一个重要的点,那就是空气阻力。
蚂蚁的体重仅有40毫克左右,而且相对来说,蚂蚁身体的密度比较小,而密度与阻力又是相反的关系,也就说密度越大阻力越小,密度越小阻力越大。
而蚂蚁的身体几乎是中空的状态,所以,在落体是,空气对它的阻力是非常的大的,这与加速度正好相反。由于蚂蚁很轻,所以加速度也比人类要慢非常的多,再加上身体密度小,空气阻力大,因此,在下落的过程中,对于蚂蚁来说,很轻松的就找到了加速度与阻力的平衡点。
再加上,空气与水一样都具有浮力,阻力加浮力要远大于加速度的数值。
国外一位科学家曾经对蚂蚁做过一个实验,它从10厘米高的地方到30米高的地方不断的变换高度扔下蚂蚁,这种高度相当于人站在八楼的楼顶到人站在8000米左右高度的高处,实验的结果如出一辙,蚂蚁无论从多高的地方摔下都安然无恙,最后经过缜密的研究发现,蚂蚁的加速度标准是10厘米,超过10厘米后,无论多高,蚂蚁都不会因此而加快速度。
甚至随着高度的升高,蚂蚁的速度会由于空气浮力和阻力的关系有所减少。
因此,蚂蚁的自由落体并不会随着高度的升高而增加危险,这也是它为什么从万米高空摔下都摔不死的主要原因。甚至在猎奇君看来,体重仅有不足半克的蚂蚁放在万米高空,它很有可能在上面落不下来,最后被饿死(开个玩笑哈)。
我们先说一个简单的问题:在考虑空气阻力的情况下,一个物体从空中掉落下来会经历哪几个过程?
比如说我们拿一个足球来举例,这个足球会受到两个力的作用:重力和阻力。重力来源于足球本身,这个力是恒定的;阻力来自于空气阻力,这个力的大小在图中已经给出了,就是Fd。
空气阻力到底有多大,各位不用太关心,只要知道一点:物体在空气中的运动速度越快,那么空气阻力就越大。
开车上过高速的朋友肯定有类似的经验,到了高速上之后车速如果太高了就会很耗油,这就是因为车速太高、空气阻力太大导致的(当然了,车速低因为发动机不在最佳工作状态,所以耗油也大)。
第一个过程,物体速度不快,这个时候重力大于空气阻力,物体会处于不断加速的状态之中,直到物体速度很高、阻力等于重力为止(如下图的A-B-C过程);
第二个过程,因为空气阻力已经等于重力了,所以物体保持匀速运动(如下图的C-D过程),速度不会再增加了。
换句话说,只要高度足够高,物体最后都会保持匀速下落,而且速度都是一样的。蚂蚁从一万米的高空掉下来和从两万米的高空掉下来,最后落地的速度一样。甚至于,蚂蚁从一万米的高空掉下来跟从10米的树上掉下来,最后落地的速度也一样。
这个最后稳定的速度,就叫做“最终速度”。在这个速度下,空气阻力等于重力。
刚刚说了,一个物体的受到的阻力大小会跟物体的运动速度有关,但是这个阻力的大小同样还会跟物体的横截面积有关——比如说降落伞的原理就是造出来一张横截面巨大的物体来制造极大的空气阻力。
所以一个相同形状的物体——比如说一个球体,它收到的阻力会伴随着直径的平方增长——假如直径是1的时候,小球受到的阻力是1,那么直径是2的时候,小球受到的阻力就是4了。
而物体的重力跟物体的什么属性有关呢?答案就是物体的体积。再拿小球举例子,假如直径是1的时候,小球受到的重力是1,那么直径是2的时候,小球受到的重力就是8了。
可能有眼尖的朋友一下子就看出来了——同样是小球变大了一倍,重力变成了8,阻力却只是变成了4,这一大一小,会不会引起什么变化呢?
对的,问题的关键就在这里。如果小球逐渐变大,那么小球需要更高的速度才能够使空气阻力等于重力,也就是说,小球越大,最终速度越大;小球越小,最终速度越小。
举个例子:云很重,有的云可能几十万公斤重,为什么还能够飘在空中?这就是因为云实际上都是由细小的小水珠构成的,这些水珠太小了,可能自由落体的最终速度只有零点几毫米每秒钟,空气的热对流就足够“托起”这些小水珠了,所以云才不会掉下来。
蚂蚁体积太小了,而且本身密度也不高,这就导致蚂蚁在自由落体的时候最终速度非常低,而且只要自由落体那么一小会儿就可以达到最终速度,所以蚂蚁坠落到地面的速度很低,同时蚂蚁无论是从1万米高空掉下来,还是从10米高的树上掉下来,掉到地上的速度实际上是一样的。
当然了,高空的环境是复杂的,比如说蚂蚁可能会被冻死(高空温度很低);比如说碰上不好的天气把蚂蚁吹到海洋里淹死,都有可能,但是蚂蚁几乎不可能被摔死。
咱们应该都听过一个段子,一个普通人误入博士群,发现一群博士正在讨论:一滴雨滴从万米的高空中坠落,会砸死人吗?
然后普通人说了一句:你们没有淋过雨吗?瞬间群里一片寂静。
这个段子本来是嘲笑博士生没有生活常识,但实际上,雨滴之所以从万米高空坠落不会砸死人,是一道非常难的题目,而这个问题,实际上和“蚂蚁从万米高空掉下来,会不会摔死?”很相似。
如果不考虑空气阻力等因素,那么蚂蚁从万米高空坠落的自由落体速度为 ,其中g=9.8m/s^2,为了取值方便,我们可以写成:10m/s^2,那么蚂蚁自由落体的速度为v^2=2*10m/s^2*10000。速度v约等于447m/s,比磁悬浮的最快速度还快一点。
从这个公式可以看出,在不考虑空气阻力的因素下,蚂蚁从高空中坠落的速度非常快,足以摔死蚂蚁。
然而事实上,蚂蚁即使从万米高空坠落到地球上,也不会被摔死,之所以理论和现实不符是因为:我们没有考虑到空气阻力。
蚂蚁真正的速度应该是:重力加速度-空气阻力。这个速度,在流体动力学中,有一个专门的公式来计算——终端速度。
在流体动力学中,终端速度又叫沉降速度,这个速度可以用公式来计算:
其中:Vt代表着终端速度,m代表质量,g为重力加速度=10m/s^2,Cd为阻力系数,P为物体落下时的空气密度,A为物体的投影面积。
我们假设,蚂蚁的质量为1g,投影面积为1cm^2,空气密度约为1.2250千克每立方米(实际上高空比这更低),而空气阻力又可以用公式F=(1/2)CρSV^2 来计算。
将以上数字带入到公式中,我们可以发现蚂蚁落下的终端速度非常低,低到还不如风的速度,也就是说,一阵风吹过,就可能将蚂蚁吹向更高的地方。
所以蚂蚁从万米高空中摔下来并不会死。而雨滴之所以从万米高空中落下不会砸伤人,也是因为雨滴的终端速度很小,大约只有1.8米/秒,这个速度对蚂蚁来说几乎不会产生任何伤害。
事实上,由于空气阻力的存在,蚂蚁从万米高空坠下和从百米高空坠下的速度区别不大,而且由于蚂蚁质量小,所以蚂蚁在下落的过程中几乎不会加速坠落,而是在下落的过程中较为匀速。
雨滴的质量虽然比蚂蚁大,但雨滴的质量终归有限,再加上雨滴在下落的过程中,会因为与空气摩擦产生热量,会导致雨滴中部分水分子被蒸发,然后凝结在周围水分子周围。
但如果雨滴的质量足够大,仍会导致出现砸伤人事件,比如:冰雹。
虽然蚂蚁从万米高空掉下来不会摔死,但大概率也会死亡。
我们知道,地球上有70%左右的面积是海洋,只有30%是陆地。而蚂蚁从万米高空坠落的过程中,由于风力作用,再加上各种气流的影响,会导致蚂蚁坠落的地点无法固定,有较大的概率会落入到海洋、河流、湖泊等蚂蚁无法生存的地方。
再者,万米高空的温度非常低,我们知道,理论上地球上海拔每升高1000米,气温下降6摄氏度,一万米会下降60度。虽然这只是个理论值,但是还把10000米的温度绝对是很低的。如果蚂蚁不能抵御如此低温环境,那么蚂蚁很有可能会被冻死。
其次,高空环境下氧气也非常单薄,如果蚂蚁的呼吸需要氧气参与,那么氧气因素也有可能导致蚂蚁死亡。
最后,蚂蚁的降落速度非常慢,再加上风力作用、气流影响等各种因素,导致蚂蚁从万米高空降落到地面需要足够长的时间,时间长到有可能蚂蚁在降落的途中饿死。
总结以上因素,蚂蚁如果从万米高空落下来,不一定会摔死,但可能会因为各种原因而在空中死亡。当然具体情况要做实验才有信服力,目前这些只是猜测。
这个不用我说,相信大家都知道答案。那就是蚂蚁从万米高空中落下,理论上并不会被摔死。
这点从我们的日常经验上就可以得出答案,一个物体越轻,落地时速度越慢,收到的冲击力越弱。小时候我们经常会逮到各种小虫子,包括蚂蚁,把它们从高空扔下来,但我们都会发现,这些个头小、质量轻的小虫子们并不会被摔死。不论我们怎么弄,它们都好像完全没事死的。但是假如我们仍的是一个人,那可想而知掉落到地上会有多疼。
说到底,这个问题的关键就是一个冲击力的问题。决定我们落到地上受伤程度的关键指标就是冲击力。冲击力和速度正相关,速度越大,冲击力越大。当速度达到一定程度,可以直接致死。一个人从二楼掉下来可能会受伤,但是从10楼掉下基本必死无疑。关键就是从十楼掉下来时,落地速度太快,收到的冲击力过高。
那么落地速度和什么相关呢?和一个物体的形状以及质量有关。形状和这个物体收到的阻力大小有关,质量决定这个物体下落的速度。假如物体形状像降落伞,那么无疑物体收到的阻力就很大,下落的速度就会慢。而如果物体的质量很小,比如蚂蚁,那么它的重力就很小;而阻力和物体的速度成反比,所以蚂蚁只要很小的下降速度就会产生足够平衡蚂蚁自身重力的阻力。也就是说,蚂蚁下落的速度很低,根本不会产生足够的冲击力导致自身损伤。
假如我们把蚂蚁绑在一个很重的铁球上让其从1万米下落,那么我想蚂蚁肯定必死无疑。
蚂蚁从万米高空掉下来不会摔死,但是会死于其他原因。
万米高空处的重力加速度大约为9.78米每平方秒。如果蚂蚁以自由落体方式(忽略空气阻力和浮力)落向地面,即使初速度为0,蚂蚁下落时速度不断增加,那么蚂蚁撞击地面时的速度将会非常快,结果必死无疑。
若还考虑其他因素,结果就不同了。蚂蚁很小,重量很轻,不到50毫克,也就是0.05克。中型雨滴的平均重量差不多和一只蚂蚁的重量相当,不过雨滴是从几千米的高空落下来的。
万米高空的空气密度仅为地面的1/3。蚂蚁在空气中会受到空气浮力影响。当蚂蚁从万米高空掉向地面时,蚂蚁会受到空气阻力的影响,而且蚂蚁的速度越快,空气对蚂蚁产生的阻力也就越大。
空气浮力和空气阻力的作用方向与重力的作用方向相反,当蚂蚁的下落速度达到一定数值时,蚂蚁受到的浮力和阻力合力与重力会保持平衡,那么蚂蚁的下落速度就不会再继续增加了,蚂蚁将会以匀速落至地面。其实,人从高空落下来,经过一段时间的加速后也会达到平衡状态,只不过人达到平衡状态时的速度非常快,人从100米的地方掉下来就死翘翘了。
由此可见,蚂蚁撞向地面时速度并不会太快。蚂蚁从万米高空掉下来,与10米高的地方掉下来效果是一样的。蚂蚁本身由于特殊的身体结构,能够承受很大的冲击力,因此蚂蚁并不会被摔死。
万米高空不仅空气密度小,温度也非常低,在海拔1万米的高度温度为零下50摄氏度,这么低的温度,蚂蚁根本承受不了,很有可能会冻死。此外,蚂蚁还有可能会死于其他原因。
如图所示,不同海拔高度对应的温度和空气密度。
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物质从高空往下跳落,是重力势能转化为动能的一个过程,动能的增加必然是物质速度的增加,当瞬间落地时速度衰减瞬间到达0,必然导致物质结构受到损伤(排除结构原因可使速度转化方向)。
重力势能无时无刻不在做功
蚂蚁从万米高空下落,如果不考虑空气阻力与风力的影响,也就是做自由落地运动,可以计算出蚂蚁到达地面的速度是多少,落地时间是多少。
d=gt^2/2
将下落高度d=10000m,重力加速度g=9.807m/s^2代入公式得出t=46s;
那么v=gt=46×9.807=451m/S,可以看出时速超过了100km/h.
可以想象,如果此时不是一个蚂蚁,而是一个尖锐的东西,451m/S的速度可以击穿我们的身体。对于蚂蚁来说,以这个速度下落蚂蚁撞击在地面上必死无疑。
但是蚂蚁的形状比较特别,且质量较小,自然受到空气阻力及其他的力(四周风力)的作用比较大。
首先,我们要看1万米高的空间自上往下的空气分布。万米高空正好完全处在地球大气层的平流层,这一距离的大气层空气对流相对稳定,但是也会受到四周风力的影响。
地球大气结构
大气层自上而下的空气密度在在逐步变大,也就是说受到的空气阻力越来越大,如果不考虑侧向风力的影响,只考虑空气阻力和重力的影响的话。那么通过简单的空气阻力方程可知,F=ρv^2CA/2
其中,F表示向上的空气阻力,v表示物体的及时速度,A表示在运动方向上的投影面积,C是阻力系数,这是一个无量纲数,通俗的说就是需要特事特办,根据下落物体具体的形状,光滑度,姿势等等。
在这种情况下,蚂蚁摔死的可能性也会变得大大缩小,但是也无法判断掌握蚂蚁会不会被摔死。
下面是情况更为复杂的,不仅仅蚂蚁收到重力及空气阻力,还有侧向不定向的风力影响,我们可以把蚂蚁想象成一个稍大的鹅毛,鹅毛在空中下落的过程中可能在快要落地的时候刮了一股风而使鹅毛又再次上升到一定高度。
蚂蚁重力远远小于阻力
在这种情况下,可以看出,蚂蚁何时能够落地,落在何处都不得而知。除此之外,蚂蚁的落地速度也毫无预测性。但是蚂蚁在受到这些力的作用下,摔死的可能性已经变得非常小了。
这个问题想都不用想,毫无疑问蚂蚁从万米高空掉下是不会摔死的。因为蚂蚁太小太轻了。
打个比方,老鼠和蚂蚁两个物体。对着蚂蚁吹一口气,蚂蚁肯定被吹跑了。但是对着老鼠吹一口气,老鼠肯定是纹丝未动。
所以蚂蚁从万米高空落下,肯定会随着空气的流动和阻力来回飘动,缓慢下降。而老鼠从万米高空落下,由于自身重量肯定会垂直下降,所以老鼠必死无疑,而蚂蚁如同有古代的轻功一样,不会死。
古代的武侠为什么要练轻功,就是为了飞檐走壁,从高处落下而不会摔伤,蚂蚁虽然不会飞,但是却具备身体非常轻的天然优势。
会死!
以蚂蚁的寿命来说,它在飘落地之前,就已经寿终正寝了。
肯定是摔不死的,但即使摔不死,有可能比摔死更惨:蚂蚁很可能会饿死!因为蚂蚁体重非常轻,考虑到空气摩擦阻力还有风的作用,蚂蚁很可能在高空中掉不下来,即使掉下来也需要很长的时间,蚂蚁估计会饿死!
如果不考虑空气阻力,蚂蚁做自由落体运动,不难计算出蚂蚁落地的速度能达到接近450米每秒,如此快的速度, 即使是蚂蚁也会摔死。
不过实际情况是,由于空气阻力存在,蚂蚁在下落过程中很快就会匀速下降, 收到的地球重力和空气阻力很快就能达到平衡,可以肯定的是蚂蚁匀速下降的速度非常小。降落到地面上的雨滴的速度也不过每秒2米的速度,蚂蚁的速度肯定比雨滴速度更小。这点速度对于蚂蚁来讲几乎没有任何影响。
以上也只是理论分析,实际上蚂蚁也不可能匀速下降,由于体重太小,任何微风都会对蚂蚁造成很大的影响,蚂蚁很可能很长的时间里在空中飘荡,就像飘荡在空中的尘埃和云气那样,很难掉下来。
另外,海拔越高,温度就越低,万米高空的温度能降低到零下50度左右,如此低温估计蚂蚁很快就会冻死,即使想摔死也没有任何机会!
说说我的观点吧!接受反驳。
第一种情况:死了,冻死了。万米高空的温度,怎么也在零下几十度吧?蚂蚁一出来,直接冻成冰。不死都对不起这个温度。
第二种情况:也是死了,风干了。蚂蚁腿多肚大,体重又小,阻力大,下落过程当中的运动轨迹可能类似滑翔机。在一定速度的情况下,永远在天空滑翔。不可能降落到地面。这样的话,假以时日,蚂蚁身上的那点水分消耗殆尽得不到补充。就变成木乃蚂蚁了。
第三种情况,还是死了,憋死了。万米高空基本上没氧气了,连二氧化碳都没有了。不管蚂蚁依靠什么气生存,反正含量都不够,死的方式和人窒息而死差不多。
第四种情况,更是死了,吓死了。你想从那么高的地方掉下来,几天也落不到地面,耳边呼呼呼的风声,又冻又饿。蚂蚁才多大的心脏,怎么能承受住这种压力,崩溃而死是必然的。
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