如果地球上挖了一个洞,出口在地球的另一端,一个人跳进洞中,他会怎样运动?

文学痞子

相信很多人都思考过这个问题:如果地球上有一个贯穿地心的隧道,人跳进去,会怎么样呢?

其实,结果与隧道的位置密切相关。如果在地轴上开一个隧道,那结果很简单,人会在内部做往复运动,就像被拴在一个弹簧上一样。这是因为,人在隧道中会受到地心引力,而这个引力的大小,是与人到地心的距离成正比的。你可能会说,不对啊!万有引力不是平方反比的规律吗?怎么现在离地心越近,引力反而越小了呢?

这是因为,离地心越近,对你产生实质吸引力的质量也变少了。有效质量与距离的三次方成正比;而引力同时又与距离的负二次方成正比。这样合起来,就与距离成正比了。

这样,人所收到的引力,就相当于一个理想弹簧所给予的力。所以,人在隧道中的运动,就是一个「简谐运动」。其位置与时间的关系,可以用「正弦函数」来描述。

看起来问题完美的解决了。但是,如果隧道口开在其他地方呢?比如开在赤道上?这个时候,我们在地表有一个高速的运动,但是由于身边的物体也是这样,所以我们感受不到。但是,相对于地心,我们的速度是非常快的。也就是说,如果我们向下坠落,我们会渐渐相对于隧道有一个速度。那么,过一段时间之后,我们就有可能撞到隧道壁上,而这时,人的垂直速度已经非常快了,撞上去,基本就活不成了。


章彦博

这个问题很有意思,我高中的时候就曾经思考过。假如在理想环境中,不考虑其他意外因素,从洞的入口跳进去,通过地心滑倒洞的另外一端,这个人的运动形态是简谐振动,会像弹簧一样来回振荡。

我们知道,地球表面上的重力加速度是9.8米/秒/秒,当一个人从洞的入口跳下去,他会加速下坠,但随着距离的深入,他受到的引力也会逐渐变小,也就是说,他运动的加速度在变小,但他的运动速度仍然在增加,当到达地心时的他的运动速度最大,但此时的加速度为0。

这个人高速通过地心后,滑向洞的另外一端,高速飞去,这时他会受到和运动方向相反的加速度,使得他的运动速度开始减速,随着他远离地心,加速度也逐渐增大。当他到达洞口另外一端时,他的速度将减低到0,这时他的加速度最大,地心引力又会让他重新下落,快速滑向洞的入口处,如此反复,他的运动形态就是物理学上的简谐振动,当然,这是在最理想状态下的运动。

当然,实际情况是,他会受到空气助力的影响,他不可能滑到洞口的另一端,另外,挖这个洞不通过地心的话,他也会受到地球自转的影响,还有最重要的一点,就是地球内部的高温,随着滑入距离越来越深,温度也会越来越高,一个人不可能承受几千度的高温炙烤,到不了地心会被烧为灰烬。


震长

对这个跳下去的人作一个受力分析。

刚跳入洞口的时候,这个人肯定是以重力加速度向下坠落,速度越来越快。但是随着人在洞中越坠越深,它受到的地球的引力是越来越小的。因为在地球表面的时候,地球在人的脚下,受到的地球引力的合力是竖直向下指向地心的。但是在地球内部,这个问题就变得复杂起来了,因为人的上下左右都是地球的质量,那此时人受到的地球重力是怎样的?

假设此时人掉落的深度是H,地球半径是R,其实利用积分可以得出一个结论,此时人受到的地球重力,就相当于人站在一个半径为(R-H)且平均密度和地球相当的一个星球上所受到的重力,就是上图中红色圆圈所示。也就是说人的重力正在逐步变小,因为人上方的地球质量对人的万有引力抵消了一部分人下方地球质量的万有引力。

所以在到达地心之前,人是在做加速度逐渐减小的加速直线运动的。

当到达地心,人受到的地球引力来自于四面八方,而且每个方向的引力相同,因此引力相互抵消,所以此时人受到的地球引力为0,这时人的运动速度达到最大。再往下掉,头顶上方的地球质量越来越多,于是重力开始变为向上,而且越来越大,和人的运动方向相反,这样人就开始做加速度逐渐增大的减速运动。直到运动到另一个出口时,速度正好为0。接下就开始向上坠落,这样周而复始,人就在洞中一直来回,像弹簧振子一样来回震动。

上面的这个分析是不考虑空气阻力的情形,如果考虑空气阻力的话,就会有能量损耗,所以人在第一次跳入洞口后,是不能达到另一个出口的,在另一个出口之前就开始向上运动了,而且每一次往复振动离地心越来越近,经过很长的一段时间后,永久的停留在地心。

当然,地球内部温度高达上千摄氏度,地心温度更是达到了5000多摄氏度,如果真有这样一个洞的话,人跳下去还没到地心了就化成灰烬了。


熊猫爱飞行

这是一个很有意思的问题啊,相信很多人也曾幻想过自己掉入一个无底洞会是什么样子的。(犹记得《仙剑一》中阿奴和唐钰小宝掉入无底洞之后的“温馨场面”。)

我们先不讨论人类能不能在地球上挖一个直通另一端的洞,仅从力学角度来看,如果你真的掉进这样一个洞里,你很有可能会在这个通道里做上下弹簧似的运动,直到停在地心附近,永远漂浮着,再也见不到天日(好可怕有木有)!

为什么这么说呢?

很好想像,地心引力之下,人在刚刚掉进洞时会以加速的方式一直向下。但当人完全进入洞内后,就会受到来自四面八方的引力。而由于是在地球内部,此时的地球就像是一层层圈层套起来的,每个圈层的密度和重力都一样,但人在不同圈层受到的上下引力却是在变化的,因为越近地心,其上方的引力就会越来越大。

所以,人在到达地心之前的下降过程是在做加速度逐渐减小的加速运动。当到达地心时,人所受到的四面八方的引力相同,地心引力为零,此时,其下降的速度达到顶点,但加速度为0。

越过地心之后,加速度会越来越小,到地球另一端时,速度达到最小值。但此时,由于受来自地心引力的影响,人会向反方向运动,如此反复,像一个弹簧一样,做往返运动。

当然,在运动过程中,人会受到如空气等的阻力,所以,其运动的长度会逐渐减小,直到在地心上下漂浮。

以上这些都是在人类可以在地球上打个贯穿两端的洞,且不考虑地球内部热量的情况下才会实现的。否则,仅地球内部热量,人还没到地心就被融化了。


镁客网

这是一个高中物理奥赛题吧?

用高斯定理告诉我们,物体在地球内部,受到的引力只跟从物体所在位置到球心处这个小圆球内的质量有关,并且可以认为所有的质量集中于球心。

应用牛顿引力公式,就可以发现其实受力相当于一个弹簧,也就是正弦运动。


松鼠老孙

如果地球上挖了一个洞,出口在地球的另一端,一个人跳进洞中,他会不停在洞里面做以地球为中心的往复运动!(如下图所示)

当这个跳到这个洞里以后,他所受到的,他受到的重力会逐渐降低。因此,其加速度会逐渐降低,但是直到这个人到达地心以前,他都是加速的,到达地心时他的速度最大,加速度为零。(如下图单摆由右向左运动,到中心零位置)

下一步这个人从地球再往下继续下落,这次做的是一个加速度越来越大的减速运动,最终在到达地球另一端的时候,速度变为零,加速度变成最大。下一步这个加速度继续向上运动,直到回到原始位置,速度变为零。下一步再重复以上过程。(如上图单摆由右向左运动,从中心零位置到最左侧,再到最右侧)。


总之,这个人会一直在这个洞里以地球球心为中心做蹦床一样的运动!


地震博士

如果可能的话,建议提问者找一个巨大的球星磁铁中间挖个洞,扔下去一个小磁铁看看运动就知道结果了。

或者做一个磁力线圈,要一定的长度和宽度,在线圈中间扔下去一个小磁铁看看。

答案是,如果地心能够打穿,而且还是固体实心儿。那么这个人因为引力和空气阻力的相互作用下,在地心的两段往复运动一段时间后,停留在地心。这个过程要保证他不碰壁啊,否则加入了摩擦力后,这个往复运动的过程会大大缩短。


草原独狼

假设真有这样一个无底洞。前苏联物理学家别莱利曼就有讲过,“如果你落进了这样一个无底洞,你会停留在哪里呢?停留在地球的中心吗?不会的。当你落到地球中心的时侯,你的身体下落的速度会有这样大(大约每秒钟8公里),使你根本无法停留在这一点上,你会继续不断向前飞去。运动速度逐渐变慢,一直飞到洞的另一端的边缘。到了这里,你就应当牢牢地抓住洞边,不然你又要落进洞里,就这样来回摆动,没完没了。在有空气阻力存在的情况下,来回摆动会逐渐变弱,最后人会停留在地球中心”这样穿洞一次,需要多少时间呢?按整个路程来回一次需要84分24秒,大约是一小时半。这是别莱利曼这样说 的。佛兰马理翁接下去说:如果这个洞是顺着从一个极到另一个极的地轴掘的,情况就会象上面说的那样。可是,如果我们把出发点移到别的纬度,移到欧洲,亚洲或非洲大陆上,那么就得把地球自转的影响也计算进去。大家知道,地球表面上的每一个点都在奔跑。赤道上的各点每秒钟跑465米,而在巴黎的纬度上,每秒钟跑300米。由于离地球的自转轴越远,圆周的速度越大,所以扔进洞里的小铅球不会笔直地落进去,而要略微偏向东面。因此如果在赤道上挖掘无底洞,就应该把它掘得极宽,或者掘得十分倾斜,因为从地面落下的人所走的路,会远远离开地心而偏向东面。


手机用户浮譁落盡

很好,让我们假设现在在地球中心钻了一个洞!

当然假设没有空气阻力!然后你跳了下去,我会听到你尖叫一会儿,直到你的呼喊变得越来越模糊,越来越模糊......

假设我们可以为你保持隧道的畅通,而且氧气充足,身体又能抵御高温,并且以某种方式防止压力随着你的下降而增加,总之各种假设让你不会死!然后你就可以享受有史以来最长的自由落体,直到抵达地球的中心。

一般来说,当你掉落的时候,你每秒钟掉下来的速度就是每秒9.8米,但只能在地球地表附近。表面上,地球上所有的质量都在你的脚下,但是当你坠落时,越来越多的质量环绕着你,发挥着自身的重力。

这些水平力量会相互抵消,你不需要担心这一点,但是头部以上质量的比例越来越大,所施加的力量会越来越小,因此加速度会随着接近核心而减慢。

所以在到达中心之前至少会有40分钟的自由落体的快感,由于重力减轻,中心速度将低于10米/秒。直到你到达地球的中心!



在地球的中心,重力将在所有方向对称地作用于你。但是当你越过这一点时,你就会开始减速。基本上意味着你会像弹簧一样执行上下运动。

当然了,如果排除任何能够保护你的因素,估计用不了几分钟,你会应该缺氧而死,然后成为一具尸体,直到被高温化为灰烬…

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万物未解之谜



这个问题在今日头条看到多次了,看来很多人都有这种奇特的想法。当然挖的洞不能考虑地热,否则直接往火山口里跳就对了。对于贯通地球的石洞,可能会发生这种情况:

1.开始是自由落体,进入地球内部后,由于地球质量相对人体的分布发生变化,重力加速度也会逐渐改变,所以是个变加速运动。

2.不能只考虑地心引力而忽略另一个力,因为地球自转的影响,只要洞口不在南北极,就有地球自转产生的向西的科氏力,所以人会沿着石洞的东侧壁向地心滑落。



3.若不考虑空气阻力,速度会逐渐加大。越过地心变为减速运动;一段路程后反向,沿着石洞东侧壁回落;来回几次后停在地心。


4.若考虑空气阻力,沿石洞一侧壁加速下落一段距离,速度趋于匀速;越过地心后一段距离,反向沿石洞对面侧壁回落,反复几次后停在地心。大致如此吧。


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