一滴水從高處自由落體下來能不能砸死一個人?

Nextel


下雨是出門淋一場雨就知道答案了![捂臉][捂臉][捂臉][捂臉]


談笑有鴻儒狂想曲


01

由一個笑話講起

這又是個看起來很簡單的問題——只是答案很簡單,但是原因並不簡單。

而且,這個問題,讓我想起了聽過的一個笑話(相信很多人都聽過):

曾經有個人,混進了一個全是博士的QQ群裡;
有一天,他發現博士們正在討論“一滴水從高處落下來能不能砸死一個人?”這個問題。
博士們各抒己見,又是證明,又是計算,聊得不亦樂乎。
然後這個人弱弱的問了一句:“難道你們沒有淋過雨麼?”博士們全都不說話了......

我當時聽了之後,哈哈大笑!

當然,我不是在笑那些博士,而是在笑這個講故事的人——原來,他們就是這麼理解一個博士的呀!

原來,博士在人們心中的地位連“白痴”都不如,哈哈哈哈哈......

當然,誰是“白痴”很明顯——那就是相信這個笑話是真事兒的人。

02

回到這個問題

要回答這個“難題”,首先要知道什麼是自由落體。


自由落體:

自由落體是指常規物體只在重力的作用下,初速度為零的運動;自由落體運動是一種理想狀態下的物理模型。

既然是理想模型,那麼說明現實生活中是不存在的,或者說,使用起來是需要限定一些條件的。比如:忽略空氣阻力,這樣才能使得雨滴下落時只受到重力,從而滿足自由落體的條件。

在物理學上,的確也是分為兩種自由落體的——一種是不考慮空氣阻力的理想情況;一種是考慮空氣阻力的現實情況。

研究“考慮空氣阻力的自由落體”,對空氣動力學領域有著重要的意義。

問題拆解:

所以,這個問題,我們也要分兩種情況來討論了!

其一,是直接按照理想情況的自由落體來計算;

其二,是考慮空氣阻力來計算。

當然,這兩種計算,都逃不了先討論一個問題——那就是,雨滴到底是什麼形狀?

因為,無論是空氣阻力,還是碰撞時的相互作用力,都和雨滴的形狀有關係。

03

雨滴的形狀

很多人都一直認為,雨滴有著流線型的淚滴形狀。這也比較符合我們對水滴的觀察。

比如下圖:

但是,一滴水在下落初期的形狀和後來穩定時的形狀是不同的。

上圖中的水滴是從某種物體(比如水龍頭)上滴落的;下落初期,水滴的尾部會由於分子間的引力,而產生拉扯作用,從而形成尖尖的形狀。

但美國宇航局的科學家們曾研究發現,事實上雨滴的形狀更像漢堡麵包,有著圓形的頂部和扁平的底部——所有將雨滴描述成淚滴形狀的圖形都是錯誤的。

如果不受任何外力,水會形成微小的球形;當雨滴落下的時候,剛開始空氣阻力很小,基本處於失重狀態,所以,雨滴最初會維持球形的形狀。

如果雨滴直徑更大,或者下落越來越快時,它就會形成漢堡的形狀。這是由於,下方的空氣阻力會向上推動它,使它的形狀發生變化,形成漢堡形狀。

隨著雨滴的降落,它會保持這種形狀,較大的雨滴(大約超過4.76毫米)最終會變化成類似於降落傘的形狀,但最終也會分解成較小的雨滴。


我們現在得到結論:

  1. 雨滴最大不會超過5毫米,這是由於水分子之間的作用力決定的;超過5毫米的雨滴,會在下落過程中自動分解。

  2. 雨滴基本上是個球形(或者扁一點的漢堡),而不是圓頭尖尾巴的形狀!

03

考慮摩擦阻力,一步步追究到最後

如果提問者沒有加上“自由落體”這幾個字(即考慮空氣阻力),可能答案就很明顯了——你沒淋過雨麼?

但是,你有沒有想過——“你沒淋過雨麼?”這個回答並不是很好——因為,它只是說出了結果,而沒有表明原因。

繼續問下去:

我們淋雨為什麼不會被砸死呢?

回答可能也很簡單——因為考慮空氣阻力,那麼雨滴下落的速度會很慢,不足以砸死一個人。

當然,一個冰雹就不好說了,特別是一個大的冰雹。

但是,新的問題又來啦!

為什麼雨滴和冰雹都是從高空落下,但是落地的速度卻不同呢?

為什麼冰雹砸人很痛而雨滴不痛呢?

當我們像個孩子一樣,不斷的追問下去,你會發現,這並不是一個很好回答的問題了。

比如,上面問題的答案:

1.這是由於空氣阻力的特徵決定的;2.是由於液體和固體跟外物發生作用後的形變方式不同。

那麼,空氣阻力由什麼來決定呢?

04

空氣阻力大小的決定因素

一個物體所受的空氣阻力,與其速度,接觸面積,空氣密度等都會有關係。

根據公式:

可以來計算空氣阻力的大小,式中:

  • C為空氣阻力系數,該值通常是實驗值,和物體的特徵面積(迎風面積),物體光滑程度和整體形狀有關;


  • ρ為空氣密度,正常的乾燥空氣可取1.293g/L,特殊條件下可以實地監測;

  • S為物體迎風面積;

  • V為物體與空氣的相對運動速度。

    降落傘就是利用空氣阻力的原理製作而成的。

由上式可知,正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數及迎風面積成正比,與速度平方成正比。

注意:這個公式,在V特別大的時候,會有一些變化。比如,在空氣中如果速度達到2.5馬赫(2倍的聲音速度) 附近, 由於空氣的摩擦, 會開始出現氣動加熱現象,從而影響空氣阻力的大小。

當然,通常情況下,我們分析雨滴受到的空氣阻力時,使用這個公式就可以了。

我們根據這個式子,來計算一下,一滴雨滴最終落地時的速度大小

我們設這個雨滴的直徑有5毫米,基本算是最大的雨滴了;同時,我們再拿一個直徑5毫米的冰雹做對比。

無論雨滴從多高的地方落下,當它的速度達到一定值時(設為V0),由於空氣阻力等於了重力,雨滴就會變成勻速運動了。

列出方程:

R是水滴的半徑,也就是2.5毫米。球形水滴的C值取0.5。

帶入數據,可以求出V=10m/s。

注意的是,這個是最大的雨滴的速度,而普通的雨滴,速度只有最大速度的一半,即5m/s左右。

這裡提一下冰雹,由於冰雹的直徑可以比雨滴大很多,因此質量和落地速度也會大很多;而且由於冰雹是固體,和人臉接觸後作用時間很短,在衝量一定的情況下,作用力會非常大!

大的冰雹,足以把人砸死。

05

雨滴對人的作用力

下面我們來計算一滴雨滴,落到人臉上,對人的作用力。

我們假定一個最大的雨滴,以最大速度10m/s落下來,撞擊到臉上,變成一灘水。

如何計算人臉受到的力呢?

這裡我們要用到動量定理(又叫衝量定律):

雨滴質量m,速度v,直徑為D,與人臉的作用時間為t,作用力F。

則可以列出方程:

其中t=D/v。

帶入數據計算,可以得到F=1.31N。


同樣,這是最大的雨滴,最大的力,一般的雨滴,如果直徑是2mm,則這個F=0.15N。

根本不算什麼,更不會把人砸死。

當然,密集的大雨點,可以把樹葉和花朵砸落。

06

如果是理想的自由落體

理想的自由落體,模型和方程就會很簡單。

比如方程如下:

假設從3000米的高度落下:

則V=245m/s !

還是很驚人的!

加入這樣一滴雨滴砸到臉上,那麼力是多少呢?

同樣帶入衝量定理的方程:

算出來F=3142.8N!

相當於600斤的重力!

那麼小的接觸面積,能把你的臉砸穿了!

07

總結

現在,我們對這個問題進行總結:

如果不考慮空氣阻力的自由落體,一滴雨落地的速度是245m/s,與人臉的作用力是3131N——會砸死人。

如果考慮空氣阻力,一滴雨落地的速度是10m/s,與人臉的作用力是1.31N——不會砸死人。

我是宇宙物理學,這就是我的回答!

<strong>


宇宙物理學


我們每個人都經歷過被雨淋,所以高空的水滴💧是不會對人有什麼影響的。然而,如若僅只是考慮重力勢能,並以此來計算3000米高空的水滴下落所獲得的動能,卻是不容忽視的。即便是在不死人,也會有明顯的感覺。

如果一滴水的體積是一立方毫米,那麼該滴水的質量約為1毫克。從3000米的高空到地面的重力加速度是30000米/秒方。而力等於質量乘以加速度,所以水滴到達地面的重力,從理論上講可以達到30克米/秒方。相當於一兩左右的物體在一米高處落下來的力量。

那麼為什麼我們沒有對雨滴有明顯的感覺呢?這是因為水滴並不是自由下落的,其會受到空氣的阻力,從而極大地減緩了水滴下降的速度。

作為物理背景的空間會影響物體的運動,這在自然界中是普遍存在的。因為自然界是一個有機的系統,其中不存在絕對獨立和自由的物體。

在我們的宇宙中,最為本底的物理背景就是由不可再分的最小粒子即量子構成的量子空間。正是因為如此,當物體的運動速度一旦接近於光速時,其能量的增大,就由原來的動能轉變為相對於量子空間的勢能,表現為速度的不變性。

這就是狹義相對論中的質量隨速度的增加而變大以及為什麼任何物體都無法達到光速的原因。

總之,由於空氣的存在,水滴並非自由運動的物體,所以其高空墜落的重力是不會對人體產生明顯的影響,是不會傷人的。


淡漠乾坤


砸不死人哦

以前頭條上有一個笑話,說是一位大媽在一個博士群裡發現有人提問“一滴水從很高很高的地方自由落體下來,砸到人會不會砸傷或致死?”於是博士們各種理論計算方法,足足討論了近一個小時。但是一次次的討論弄得大媽的手機一直振動,於是她想都沒想直接回了一句,“你們沒有淋過雨嗎 ?有哪個傷著啦,還是死啦?”

群裡突然死一般的寂靜……

哈哈,這只是一個笑話大家別信以為真。

根據下面的公式(1)(2)(3),其實一滴水在重力的作用,在足夠高的情況下理論上可以達到很高很恐怖的動能,是能砸死人的。

速度-時間公式:v=gt (1)

位移-時間公式;h=gt^2/2 (2)

速度-位移公式:v^2=2gh (3)

但是在實際環境中,水下落的過程中會受到空氣阻力。當重力等於空氣阻力時,水的動能不可能持續增加,所以一滴水在生活中是不可能砸死人的。





你看國際


陸地和海洋表面的水蒸發變成水蒸氣,水蒸氣上升到一定高度後遇冷變成小水滴,這些小水滴組成了雲,被氣流託著懸停、漂浮在空中;它們在雲裡互相碰撞,合併成大水滴;當它大到空氣託不住的時候,就從雲中落了下來,形成雨(所謂行雲流水,雲其實也是空中移動的水)。

地球上的水(地面水、海水)受到太陽光的照射後,變成水蒸氣被蒸發到空氣中。水汽在高空遇到冷空氣便凝聚成小水滴。這些小水滴都很小,直徑只有0.01~0.02毫米,最大也只有0.2毫米。它們又小又輕,被空氣中的上升氣流託在空中,就是這些小水滴在空中匯聚成雲。

這些小水滴要變成雨滴降到地面,它的體積大約要增大100多萬倍。這些小水滴是怎樣使自己的體積增長到100多萬倍的呢?它主要依靠兩種方式。其一是凝結和凝華增大,其二是依靠雲滴的碰並增大。在雨滴形成的初期,雲滴主要依靠不斷吸收雲體四周的水氣來使自己凝結和凝華。如果雲體內的水氣能源源不斷得到供應和補充,使雲滴表面經常處於(過飽和狀態),那麼這種凝結過程將會繼續下去,使雲滴不斷增大,成為雨滴。但有時雲內的水氣含量有限,在同一塊雲裡,水氣往往供不應求,這樣就不可能使每個雲滴都增大為較大的雨滴,有些較小的雲滴只好歸併到較大的雲滴中去。 如果雲內出現(水滴和冰晶共存)的情況,那麼,這種凝結和凝華增大過程將大大加快。當雲中的雲滴增大到一定程度時,由於大雲滴的體積和重量不斷增加,它們在下降過程中不僅能趕上那些速度較慢的小云滴,而且還會“吞併”更多的小云滴而使自己壯大起來。當大雲滴越長越大,最後大到空氣再也託不住它時,便從雲中直落到地面,成為我們常見的雨水。(當極限天氣來臨如嚴寒在特殊條件下形成凍雨或雪、冰雹)

通常在空氣中,隨著自由落體運動速度的增加,空氣對落體的阻力也逐漸增加。當物體受到的重力等於它所受到的阻力時,落體將勻速降落,此時它所達到的最高速度稱為終端速度。也就是說一滴雨對我們的衝擊力基本不是很大,但是冰雹就不一樣了。質量大,相對來說衝擊力就更大。


叄餐君


別說一滴水從高處自由落體下來不會砸死人,哪怕就是大暴雨,持續下幾個小時,這些雨水連續滴在同一個人身上它也不能砸死一個人!但是可以淹死人!

為什麼說能淹死人呢?

因為大暴雨可以造成洪水氾濫,這樣就有可能淹死人了!


雨滴是絕對不會砸死人的!

首先,經驗與事實告訴我們,雨滴打在人身上絕對沒有問題,不會砸死人。

為什麼雨滴不會砸死人呢?

我們都認為,物體在做自由落體運動的時候,由於受到地球的引力,會以9.8m/s的加速度加速,下落的速度會越來越快。

按理來說,速度越大,動能越大,對外做功能力越強,滴在人身上,對人體的傷害應該越大,如果雲層的高度足夠高的話,應該是可以砸死人的呀!

可是為什麼不是這樣呢?

原來雨滴下落的速度並不是可以無限增加的,因為雨滴在下落的過程中,不僅要受到重力,還要受到空氣阻力,當重力和空氣阻力平衡時,雨滴就不會繼續加速了!


那什麼時候阻力能和空氣阻力平衡呢?

這要從空氣阻力的影響因素說起!雨滴下落時所受的空氣阻力與其下落速度有關,空氣阻力f=½(CρSv²),其中C為空氣對雨滴的阻力系數(可視為常量),ρ為空氣的密度,S為雨滴的有效橫截面積(迎風面積),v是雨滴下落的速度。

根據牛頓第二定律,G=f 時,雨滴就不會加速了。

mg=1/2(CρSv²)

可求得雨滴的最大速度:

  1. 毛毛雨(雨滴直徑為0.5mm左右)的雨滴最大速度為2米/秒
  2. 暴雨(雨滴直徑為5.5mm左右)的雨滴最大最大速度為8~9米/秒

這個速度肯定不會砸死人呀,哪怕是暴雨,它的最大速度才9米每秒,我們百米衝刺時速度為差不多是9米/秒,我們人被一個快速奔跑的人撞一下也不見得就能裝死了,何況質量那麼小的雨滴呢?

我是科學易簡通,致力於通俗的語言跟您聊深奧的科學知識,歡迎留言交流!

蘋果科學


這個問題不是很複雜的,第一,需要測試出來一滴水在多少的速度的時候能致命。第二,根據自由落體的簡易公式可以算出來高度,如果高度不是太高,我們可以認為g不變,大約就差不多了。如果高度太高,需要考慮g值的變化,因為高度越高g值越小,需要通過積分來做一下,就是萬有引力做功等於水滴的動能。這種情況可以算出來在單純考慮地球的情況下萬有引力做功是不是有最大值,如果有而且這個值比致命動能小的話,那水滴自由落地不能致命,如果沒有極大值或者極大值比致命動能大,那就可以致命,並且可以算出來高度。大約需要高等數學和高中物理水平可能算出來,並不難。


溪之谷居士


首先要知道什麼是自由落體運動,自由落體運動是指在下落過程中只受重力不受其他力作用,而現實中雨滴下落過程中由於受空氣阻力所以並不適用於本問題

假設一滴水質量為1克,從萬米高空開始下落,不受空氣,同時也不考慮下落過程中蒸發,根據中學自由落體知識到達地面時速度約為430米每秒,假設水滴和人體作用時間為0.01秒 平均作用力約為43牛頓,43牛是多大力呢,相當於相同時間也就是0.01秒用100克子彈4.3米每秒的速度產生的力。

實際雨滴由於空氣阻力,有個最大速度,速度遠遠達不到自由落體運動的速度,估算一下速度最大約為100米每秒。實際上達不到這個值。


躬行深遠


砸不死人



要知道,水滴從高空上落下來,不是自由落體運動,當不存在空氣阻力的情況下才會有加速度

因為有了空氣阻力,水滴最後的速度會趨近於一個有限值, 就是我們平常看到的從天上掉下來的水滴的速度

存在空氣阻力,水滴的速度越大,空氣阻力也就越大,會讓水滴的速度變慢;我們知道,水滴不比彈珠,水滴的質量較小, 受到空氣阻力的影響就越大,所以落下來的時候,雨滴的速度就砸不死人了,而且中途還存在水的蒸發、風阻等各種外因



然而實際中是否能造成傷害都要考慮其程度,水滴確實不會打傷人,然而若是用餐巾紙來接水滴,有時也會被打穿,這就是程度不同造成不同的結果

當然了,如果你能創造自由落體的條件,也就是真空,答案肯定是能砸死人的

最後,請不要再用“沒淋過雨嗎?被踢出群”的老段子來作回答了,要知道,知識可以給你帶來更多思考方式,但是經驗只是讓你更快的解決問題




早起的混子


博士論文如下:雨點,體積,重量,高度,加速度,空氣阻力,預想風向,列出各種數學物理公式,得出可能或不可能砸死人。正考慮如何寫答案,一人從外雨中回來,安然無恙,忽有所悟寫下;經物理實驗,死不了。


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