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[综合讨论] 据说孙悟空是以音速飞行的,因为他的筋斗云就是音爆云?

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发表于 2019-11-20 14:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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年少时,思维活跃,总会脑洞大开,常常问出一些不靠谱的问题,下面这些问题你想过吗?

据说,孙悟空是以音速飞行的,因为他的筋斗云就是音爆云,这是真的吗?在水中以音速运动又是怎样的情况呢?

声音的本质就是介质振动的疏密波(纵波)。一架飞机飞行的过程中碰撞空气产生振动,这种振动就以声波的形式向外扩散。当达到音速的时候,飞机在碰撞自己跟前的空气,而空气却来不及将这种挤压扩散出去,因而被紧密地压在一起,对飞机产生剧烈的阻力和扰动,这一现象叫音障。

在这一过程中,被挤压的空气有很大的压强,高压下空气中的水蒸气被液化成小水滴,形成一片白色的“云”。这一现象就叫音爆云。音爆云和音爆都只在飞机突破音速的那一刻产生,一般来说持续几秒钟—没有飞机会一直卡着音速飞行。速度完全超过音速以后,飞机自身反倒平静了许多。

飞机仍在碰撞空气,但它将自己发出的声音甩在了身后,本来应该以球面波形式传播出去的声波,波前此时形成了一个锥形面—飞机在锥尖的位置。

飞机外面的你在“声锥”之外什么都听不到。当声锥界面经过你的位置时,空气压强的突变会使你听到如爆炸一般“砰”的一声,这就是音爆现象。之后你在声锥之内了,听到的就是正常的飞机飞行声。

上面描述的“声锥”有个学名叫激波。在任何介质中,点波源的速度超过介质中的波速,都会产生激波现象。

水中声速为1500米/秒左右,如果一个物体能在水中超过这个速度,想必会产生比空气中更加剧烈的激波现象,只不过这样的现象很少被观察到。

虽然水中声速很快,但水面波(就是一枚石子投入水中产生的涟漪)往往波速很慢——一般每秒只有几米。跑得快的船在水面可以产生艏波,这也是一种激波现象。事实上,这一现象甚至对光也成立。真空光速是不可超越的,但介质中的光速却可以。

一些高能粒子可以具有比介质中光速更高的速度,这也会发生类似的激波现象,学名叫切连科夫辐射。这一现象在高能粒子的探测中有重要应用。

为什么光可以用东西挡住,声音却不可以?

其实声音也是可以用东西挡住的,光也可以不被东西挡住。你问题中的光指的是我们能够看见的可见光,你问题中的声音也只是可以听到的声音。

在物理上,光和声音都是一种波动现象。只不过一个叫电磁波,一个叫机械波而已。而决定一个波会不会被一个东西挡住的因素很简单:波长的尺度与物体的尺度。如果波长远小于物体的尺度,那么这样的波就会被物体挡住。反之则不会。

人能够听到的声音的波长在17毫米到17米这样一个尺度范围内,日常生活中的绝大多数东西也恰好都在这个尺度范围内。结果就是声波很容易绕过这些物体被我们听到,这种现象就叫衍射。

另一方面,可见光波长的数量级只有几百个纳米,这个尺度远远小于日常生活中物体的尺度,所以光看上去几乎就是直线传播的。

问题的关键不是光或者声音,而是波长。声波波长很短时就不能绕开物体了,超声波就是准直线传播的声波。同样,波长长的光波/电磁波也可以绕开物体。这就是你在家到处都能收到Wi-Fi信号的原因(Wi-Fi信号是电磁波,2.4GHz协议,它的波长差不多就跟你的脸一样宽)。

如果失控的电梯在做自由落体运动,里面的人在电梯即将落地时跳起,电梯在人落地前落地,那么此人会受伤吗?

别笑,很多人小时候都想过用这种方法避险。答案当然是不行了。我们详细分析一下为什么不行。男子跳高世界纪录是2.45米,别忘了这是背越式的,运动员实际重心升高不到2米,这还是在有助跑的情况下。美国职业篮球联赛球星克里斯·韦伯 (ChrisWebber) 原地起跳纪录是1.33米,别忘了人家跳之前会下蹲蓄力加抬腿。

很不幸,你在自由落体的电梯里面,所以别说助跑了,下蹲都做不了。

现在,假设我们什么都不管了,我们疯了,我们认为你骨骼清奇,原地一蹦2米高。可那又怎样?电梯从10米高的地方失控,那你蹦完之后速度一抵消的效果,等于你从8米高的地方开始失控。你还是“妥妥滴”……

现在,我们假设你是不世出的绝顶高手,苦修40年就是为了今天,你一蹦10米高!而且电梯天花板也非常懂事地先自己消失一会儿。这回你终于能活下来了吧?

很遗憾,并不能。你还是“妥妥滴”……

要记住,真正杀死你的不是速度,而是加速度。

来源:物理小识微信公众号(ID:wulixiaoshi),作者:未读。

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