任何物體,不論看起來是堅硬的還是柔軟的,都具有一定程度的柔韌性,能夠發生變形。火車的擋風玻璃也不例外。被蒼蠅撞擊,擋風玻璃受到撞擊的那一小塊表面將稍微後陷變形。作為火車的這極小一部分,實際上不止是短暫停止而已,而是時作向後運動。
蒼蠅撞擊火車擋風玻璃的力量是相當大的(因為玻璃很堅硬)。事實上,任何這類碰撞所產生的力量都會很大。蒼蠅作用在火車上的力與火車作用在蒼蠅上的力相等,都很大。這樣大的力作用在蒼蠅這種質量很小的物體上,將使它得到很大的加速度。事實上,這個加速度能夠在擋風玻璃那一小塊表面後陷的極短距離將蒼蠅加速到超過火車的速度。
擋風玻璃被撞的那一小塊表面將蒼蠅加速,同時也依靠自身的彈性恢復到原來的形狀。由於這種彈性還原的速度非常快,變形部分實際上會移動過多而超過原來的位置,從而前後振動起來,需要一點時間待振動停止,才會真正恢復原來的形狀。這種振動,就是我們聽到的蒼蠅撞擊擋風玻璃發出的聲音。
如果將蒼蠅被擊碎,或者將玻璃的慣性效應等因素也考慮進來,情況會更加複雜。不過,上面解釋的基本原理仍然成立。提問題的朋友認為蒼蠅應該在某一瞬間保持靜止,這種想法是正確的。不過,“靜止”並不是發生在蒼蠅“剛撞上”火車的那一時刻。
在火車的擋風玻璃撞上蒼蠅前端的那一刻(忽略擋風玻璃前被擠壓的空氣所形成的那一層氣墊),蒼蠅便開始相對於火車被向前加速。在蒼蠅被加速的這極其短暫的有限時間裡,也就是在火車向前移動蒼蠅身體長度這個短距離所花的這段時間,蒼蠅同時被擋風玻璃壓擠。正是在這一短暫時間,蒼蠅處於靜止,而且它身體的前10%的部分已有可能被壓扁而變成擋風玻璃上的汙跡。在這個過程中,火車仍然保持原來的行進速度不變。當火車前端向前移動,走完蒼蠅身體長度的距離時——對於時速200千米的火車,這大概是在2×10-4秒鐘之後,蒼蠅已經被加速到了火車的速度,而它的身體此刻也已經被完全壓碎,貼在擋風玻璃上隨火車運動。
如果從理論上細究起來,根據動量守恆定律,火車撞擊蒼蠅後會暫時略微減慢一點點,但很快又會加速到原來的速度。至於蒼蠅的加速度,假定是在1釐米的距離加速到200千米每小時,那麼就應該是3×105米/秒2,大約相當於重力加速度的30 000倍。於是,假定蒼蠅的質量為1克,那麼蒼蠅所受的力,也就是擋風玻璃所受到的力,就應該是300牛頓。
火車與蒼蠅相撞時,火車擋風玻璃被撞擊表層前幾奈米會暫時停止,而靠裡面的幾奈米暫時發生彈性變形,其餘部分則仍然保持火車的速度運動。
撞擊過後,擋風玻璃被壓縮的部分要恢復原狀。於是,其被撞擊的表面加速,重新獲得原來的速度,玻璃絲毫無損(除非蒼蠅作非彈性變形)。
這是一種做了很多簡化的分析。事實上,擋風玻璃的彈性波會向後傳播至全列車,而玻璃的前表面也將持續振動,直至振動能量消耗殆盡。不過,具體到蒼蠅和火車相撞的例子,這種效應極小,可以忽略不計。但是,如果相撞的兩個物體質量相當,例如在兩輛汽車相撞的場合,撞擊引起兩輛汽車各自結構的運動就非常重要。在汽車相撞的事故中,正是汽車自身結構的這種劇烈運動導致了乘車人受傷或致命。
任何物體,不論看起來是堅硬的還是柔軟的,都具有一定程度的柔韌性,能夠發生變形。火車的擋風玻璃也不例外。被蒼蠅撞擊,擋風玻璃受到撞擊的那一小塊表面將稍微後陷變形。作為火車的這極小一部分,實際上不止是短暫停止而已,而是時作向後運動。
蒼蠅撞擊火車擋風玻璃的力量是相當大的(因為玻璃很堅硬)。事實上,任何這類碰撞所產生的力量都會很大。蒼蠅作用在火車上的力與火車作用在蒼蠅上的力相等,都很大。這樣大的力作用在蒼蠅這種質量很小的物體上,將使它得到很大的加速度。事實上,這個加速度能夠在擋風玻璃那一小塊表面後陷的極短距離將蒼蠅加速到超過火車的速度。
擋風玻璃被撞的那一小塊表面將蒼蠅加速,同時也依靠自身的彈性恢復到原來的形狀。由於這種彈性還原的速度非常快,變形部分實際上會移動過多而超過原來的位置,從而前後振動起來,需要一點時間待振動停止,才會真正恢復原來的形狀。這種振動,就是我們聽到的蒼蠅撞擊擋風玻璃發出的聲音。
如果將蒼蠅被擊碎,或者將玻璃的慣性效應等因素也考慮進來,情況會更加複雜。不過,上面解釋的基本原理仍然成立。提問題的朋友認為蒼蠅應該在某一瞬間保持靜止,這種想法是正確的。不過,“靜止”並不是發生在蒼蠅“剛撞上”火車的那一時刻。
在火車的擋風玻璃撞上蒼蠅前端的那一刻(忽略擋風玻璃前被擠壓的空氣所形成的那一層氣墊),蒼蠅便開始相對於火車被向前加速。在蒼蠅被加速的這極其短暫的有限時間裡,也就是在火車向前移動蒼蠅身體長度這個短距離所花的這段時間,蒼蠅同時被擋風玻璃壓擠。正是在這一短暫時間,蒼蠅處於靜止,而且它身體的前10%的部分已有可能被壓扁而變成擋風玻璃上的汙跡。在這個過程中,火車仍然保持原來的行進速度不變。當火車前端向前移動,走完蒼蠅身體長度的距離時——對於時速200千米的火車,這大概是在2×10-4秒鐘之後,蒼蠅已經被加速到了火車的速度,而它的身體此刻也已經被完全壓碎,貼在擋風玻璃上隨火車運動。
如果從理論上細究起來,根據動量守恆定律,火車撞擊蒼蠅後會暫時略微減慢一點點,但很快又會加速到原來的速度。至於蒼蠅的加速度,假定是在1釐米的距離加速到200千米每小時,那麼就應該是3×105米/秒2,大約相當於重力加速度的30 000倍。於是,假定蒼蠅的質量為1克,那麼蒼蠅所受的力,也就是擋風玻璃所受到的力,就應該是300牛頓。
火車與蒼蠅相撞時,火車擋風玻璃被撞擊表層前幾奈米會暫時停止,而靠裡面的幾奈米暫時發生彈性變形,其餘部分則仍然保持火車的速度運動。
撞擊過後,擋風玻璃被壓縮的部分要恢復原狀。於是,其被撞擊的表面加速,重新獲得原來的速度,玻璃絲毫無損(除非蒼蠅作非彈性變形)。
這是一種做了很多簡化的分析。事實上,擋風玻璃的彈性波會向後傳播至全列車,而玻璃的前表面也將持續振動,直至振動能量消耗殆盡。不過,具體到蒼蠅和火車相撞的例子,這種效應極小,可以忽略不計。但是,如果相撞的兩個物體質量相當,例如在兩輛汽車相撞的場合,撞擊引起兩輛汽車各自結構的運動就非常重要。在汽車相撞的事故中,正是汽車自身結構的這種劇烈運動導致了乘車人受傷或致命。