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这是一个很“古老”的笑话了。 某人误入一个博士群。见到有一个人提问：一滴水从一万米自由落体下来，砸到人会不会砸伤?或砸死？群里一下就热闹起来，各种公式，各种假设，各种风力，阻力，重力，加速度等等的讨论，足足讨论了近一个小时。这时，某人默默的问了一句：你们没有淋过雨吗？ 群里，突然死一般的寂静......然后，然后，某人就被踢出群了…… 本文当然不是来嘲笑博士们没有常识、也不是去嘲笑某人没有学问，而是想借着这个笑话来讲述一下物理思维，让我们更清晰地理解力及力的作用效果。下面我就站在一滴水的角度，用第一人称来与您描述一下这个有趣又奇妙的过程。 一、合力让“我”漂浮在空中 在晴朗的天空中，只要您抬头就能看到空中漂浮着朵朵的白云。其实大家看到的就是“我”和“我的兄弟姐妹们”聚集在一起的样子。 我在诞生之前是水蒸气，主要来自海洋的蒸发，陆地上江河中的水的蒸发只占很小的比例。来自太阳的辐射让我具备了足够的动能，使得我冲破了海水表面其它兄弟姐妹之间的拉扯的力量，跑到空气当中，变成了一个自由的水分子。 虽然这时候，身边不再那么拥挤，但也不断受到空气中氮气和氧气分子的碰撞，由于我的比重比它们轻，所以在碰撞中能够获得更高的速度并逐渐向上漂浮。这个过程中，当然不是没有重力的作用，而是与碰撞获得的力量相比，重力要小好多的数量级。 这个时候，主导运动状态的不是重力，而是来自空气分子的碰撞。就这样我在碰撞中不断上升。 在上升途中，我也会遇到其它的物体，比如灰尘和其他的水分子，由于我是极性分子，所以我对外的不同方向是表现出电极性的，所以我会吸附在灰尘上，或者与其他水分子重新拉起手来。这时候我们就重新变成小水滴，而灰尘叫做凝结核。 在这个过程中，我会失去一部分的运动速度，对外释放出热量。继续与其他水分子结合，变成更大的水滴，最后在重力和空气分子的碰撞中保持平衡，无数个我这样的小水滴聚集在一起，就形成了云。 大家要注意一下，让我漂浮在空中并保持云的状态，影响我的不只是重力，而是重力与空气分子碰撞的合力，垂直方向达到了力的平衡。 二、空中坠落（降雨） 我在不断长大。这是因为我与兄弟们之间拉手的力量（氢键电磁力）要大于重力几十个数量级，当我和其他小水滴之间发生碰撞，或者是撞到其他水分子，我们之间就会融合，形成一个更大的小水滴。 在小水滴的外表面，我和兄弟们紧紧地手拉着手，形成了一张向内收缩的张紧的、接近完美球形的膜，将其他的水分子包裹在内部。在长大的过程中，会继续失去部分动能（释放热量）。 随着我的体积增加（单个小水滴的重量增加），终于打破了空气分子给我的碰撞力与重力的之间的平衡，这一刻我开始下落，就是大家口中所说的降雨。 在开始坠落的那一刻，垂直方向上，我受到的重力大于了来自空气分子碰撞的力量，运动速度从零开始加速，并且坠落的速度不断增加。这就是我在高空中发生的情况。 三、再次平衡 在下落的过程中，我会不断受到下方空气分子的阻挡，所以我就要把它们撞到一边去，才能降落到地面上。这些碰撞过程产生的力，就是空气阻力。 随着下落速度的增加，我在单位时间内撞开的空气分子数量急剧增加，换句话说，来自空气助力的影响以速度的平方呈现指数增加。 最后，来自空气的阻力，再次与重力达到一个平衡的状态。而此时的我，已经具备了一定的运动速度。按照牛顿第一定律，物体在不受外力，或者合外力为零的情况下，将保持原来的运动状态。所以，在降落到地面之前，在垂直方向表现出来的就是一种匀速直线运动状态。 四、综合分析 从前面的介绍中大家可能看出来了，其实，不论我在上升、凝聚还是下降过程中，空气都起到了至关重要的作用。它们一直在参与并且扮演重要的角色。如果没有空气，我在成为自由的水分子之后不会上升，也不会发生其他方向的运动，而快速遇到其他小伙伴凝结成小水滴。 如果在一万米高空中的我，没有空气直接下落的话，当我到达地面时，我的速度将接近1.5倍音速，即使是只有一小滴（0.1毫升），即使不会致人死命，也会让人受到重创。正因为有了空气，才能够形成美丽的云和滋润大地的雨，而不是一颗颗致命的“子弹”。 结束语 亲爱的小伙伴们，降雨虽然是一种常见的自然现象，但其过程中却深藏着深奥的物理学原理。在人类几百万年的进化过程中，能够清晰、完整地描述这个过程的时间才100多年。大自然还有更多的谜团等待着我们去发现、去揭示，所以我们需要认真观察、好好学习。 |
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