杭州锐达数字技术有限公司
查看: 23|回复: 0

[其他相关] 力学角度分析:蚂蚁从飞机上掉下来会摔死吗?

[复制链接]
发表于 2019-10-8 15:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?我要加入

x
  除了起飞和降落,现在的民用航空飞机一般都在平流层底部飞行,飞行高度大约在8000~12000米之间。在平流层飞行,飞机飞得比较稳、省油,安全性也比较高。
1.png
  按照常识来说,人如果从万米高空掉下去,没有减速装置,肯定得摔成渣了。即使是从10米高的地方掉下去,对于人来说也是非死即残。如果从正在平流层巡航的飞机上掉下去一只蚂蚁,那么蚂蚁会摔死吗?

  这是一个很有趣的问题,为了解决这个问题,我们从科学的角度分析一下。其实,这主要是一个物理学中的力学问题,让我们讨论一下蚂蚁的受力情况。

  首先,蚂蚁会受重力影响,做自由落体运动。

  蚂蚁从万米高空掉下,是受重力的影响,那么它的初速度就看作0,而蚂蚁从掉落那一刻起每秒钟的加速度按9.8米每秒算。

  天体表面的重力加速度,是根据牛顿第二定律和万有引力定律推导出来的。
2.png
  地球表面的重力加速度平均为9.8米每秒,重力加速度随着海拔的升高逐渐变小。根据公式计算可知,在1万米的高空,蚂蚁所受到的重力加速度大约为9.78米每秒,跟地表相差无几,那么我们按照9.8米每秒来处理即可。

  自由落体运动规律,加速度用g 表示,位移用h 表示。

  速度公式:
3.png
  位移公式:
4.png
  位移速度公式:
5.png
  在理想情况下,蚂蚁下落时的速度随着时间的增长不断提高,它们之间成正比关系,蚂蚁在到达地表时速度将达到最大值。通过计算得知,只有重力作用下,蚂蚁从1万米的高空掉落到海平面位置大约需要45秒,最终的速度为441米每秒。如果蚂蚁真的以这么快的速度撞向地面,绝对死翘翘。

  其次,蚂蚁还会受到空气阻力及浮力影响。

  地球表面被大气层罩着,大气密度及温度随着海拔的升高不断降低。地球海平面附近15摄氏度时的空气密度大约为1.2千克每立方米。而在1万米的高空,大气温度降至零下50摄氏度,空气的密度仅为0.4千克每立方米,仅为海平面附近空气密度的1/3。

  科学研究表明,物体的下落速度越快,它所受到的空气阻力也就越大。此外,物体所受到的空气阻力还与它的迎风面的大小有关,具体公式如下。

  空气阻力的公式:
6.png
  式中,C 为空气阻力系数。

  总结起来就是 ,空气阻力的大小与物体迎风面积成正比,与物体的速度平方成正比。可以看出,当物体的下落速度越快时,物体所受到的阻力也就越来越大。当物体所受到的重力和它所它受到的阻力保持平衡时,那么物体就将保持匀速下降。

  蚂蚁的迎风面估计在20平方毫米左右,且身体不是流线型,下落时受到的阻力估计比雨滴所受到的阻力还要大一点。降落伞就是用的这个原理,通过增大迎风面,增加空气阻力来减速。蚂蚁身体的平均密度也比较低,比水高一点,还会受到一定浮力影响,不过比较小。

  云是由数不清楚的小水珠构成的,天上随便一片云就有几十、上百吨,之所以不会掉下来,就是受到浮力及空气阻力等其它因素影响。

  为什么蚂蚁不会被摔死?

  综上所述,当蚂蚁达到一定速度时,它所受到的阻力就会与重力保持平衡,那么蚂蚁的速度就不会再继续增加了。不管是1万米还是1千米,蚂蚁最终落到地面时的速度都是一样的。

  据估计,蚂蚁掉落时的平衡速度大约为10米每秒,也就是说蚂蚁从1万米的高空落到地面大约需要15分钟左右。由于蚂蚁的质量小,蚂蚁撞击地面时的动能仅为0.003焦耳左右,这么小的撞击能量对蚂蚁产生不了任何危害。

  一只蚂蚁的平均体重通常不足0.05克,那么它所受到的重力影响也就很小。一只蚂蚁的质量按0.05克算,根据G=mg 计算可知,一只蚂蚁大约受到0.00049牛的重力作用。

  蚂蚁由于非常轻,在下落的时很快就能达到平衡点,速度也不会很快。据我估算,在1万米的高空,蚂蚁下落不到10米就能达到平衡。

  蚂蚁的身体结构比较特殊,蚂蚁具有外骨骼和强韧的肌肉,可以搬起百倍于自重的物体,可以承受很大的冲击力,也就是说蚂蚁比人类更耐摔。由此可见,最终蚂蚁到达地面时并不会被摔死。

  蚂蚁虽然不会被摔死,但是大概率会死于其它原因。

  前面已经提到过,在1万米的高空,温度低至零下50摄氏度,蚂蚁将会被冻死;三分陆地七分海,平流层的风也比较大,蚂蚁很有可能会被风吹入海中淹死;受上升气流的影响,蚂蚁还有可能长时间在空中飘浮,最终饿死。

  这只蚂蚁是不幸的,虽然摔不死,但最终还是会死。

  来源:宇宙探索微信公众号(ID:yzdaquan)
回复
分享到:

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 我要加入

本版积分规则

快速回复 返回顶部 返回列表