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1 # 郭哥聊科學
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2 # 蜂部落
感謝邀請:關於從20樓的高度同時扔下一顆黃豆和一個雞蛋,哪個先落地的問題,這個問題裡面有需要看我們是不是考慮空氣阻力的影響,如果我們考慮空氣阻力的影響,這個問題就很難算了,可能需要比較專業的資料才能獲得答案,因為我們不光要考慮空氣阻力,還應該考慮風速變化,這些都會影響到雞蛋和黃豆的落地時間。
雞蛋和黃豆從20樓放下的運動方式
其實我們看完標題不難發現,這是一個自由落體運動的假設,而自由落體運動中有一個比較權威的例子,相信很多學過物理的朋友都知道兩個鐵球同時著地的案例,其實這是忽略了空氣的影響,相當於說是在真空中的速度,因為兩個鐵球的重力都比較大,差別也不大,所以空氣中的阻力可以忽略。
自由落體運動的時間位移關係式
還是回到我們的物理問題,既然是自由落體運動,那麼就應該滿足自由落體運動的時間位移關係式,也就是說將雞蛋和黃豆從20樓同時放下,那麼應該滿足的時間位移關係式應該是:20樓的高度=1/2gt的平方(將就點,編輯器無法使用數學公式)。我們來看這個自由落體運動中的量,位移是20層樓的高度,這是一個固定的量,是不會變的;g是重力加速度,也是不會變的,那麼我們把這個關係式改為t=根號下2乘以20層樓的高度/g;從這個時間關係式中我們可以看出,g還是重力加速度,一般是為g=9.8 米每秒的平方,也可以約等於10,但是不管我們把重力加速度取到多少,他在自由落體運動中都是我們取到的恆定值,而20層樓的高度是恆定不變的,所以這個問題中的雞蛋和黃豆都是同時落地,這是在忽略空氣阻力的情況下。
不忽略空氣阻力
如果我們不忽略空氣阻力,顯然這個問題就比較難了,因為我們不光要考慮重力的影響,還有浮力的影響、就如我們用一根羽毛和一個雞蛋同時從20層樓放下,由於羽毛面積大,重力小,受到空氣阻力明顯,在這種情況下,很顯然羽毛要後落地,甚至有可能在風的影響下飄到很遠的地方,但是如果我們是在真空中放羽毛和雞蛋,根據自由落體運動的時間位移關係式,還是雞蛋和羽毛同時落地。
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3 # 阿一良
是黃豆先著地。因為是在地球的樓上試驗,需要考慮黃豆和雞蛋受力情況,分別是垂直向下的重力,空氣阻力和浮力,如無空氣則為自由落體,同時著地。所以只需考慮空氣阻力和浮力,截面積越大所受阻力越大(兩者均為近似球形),所以黃豆受到的阻力小,應該先著地。雖然兩者體積差別大,但密度接近且密度均大於空氣密度1000倍左右,且空氣密度只有1.3kg/m3,所以空氣浮力可乎略不計。最後結論還是黃豆先著地。
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4 # 力學Nerd王小胖
小時候大家都學過《兩個鐵球同時落地》,如果不考慮空氣阻力,雞蛋和黃豆會同時落地。但是,由於空氣阻力的存在,通常雞蛋會率先著地。但是,透過本模型的計算,發現黃豆先落地。下面,我就從雞蛋和黃豆的受力分析開始,計算阻力與重力平衡的速度,由淺入深,逐步計算出兩者墜地的準確時間。
PS:關於雞蛋的話題,我相關素材準備都快一年了,有大量的照片和資料,關於動態斷裂的,想要了解具體雞蛋撞擊破裂的,敬請關注,將會盡快出文。1、雞蛋和黃豆的物理引數
從我近一年的準備的素材中,隨機抽取了一個雞蛋,其大小尺寸如下圖。值得指出的是,雞蛋的尺寸跟品種關係非常大,因此尺寸大小非常明顯。為簡單起見,本文的計算以下圖尺寸為依據。即:長度54.55mm,寬40.99mm。雞蛋的密度與水接近,取1100kg/m3,雞蛋的質量約50g。雞蛋墜落穩定後,迎風面積必定為小的那個(直徑40.99mm)。
黃豆的尺寸約5mm的球體,質量0.2g,密度與含水量有關,水份越多密度也就越大。曬乾後的黃豆是可以浮在水面上的,因此其密度小於水,約920kg/m3。題中說的是黃豆,即曬乾後的青豆。
2、考慮空氣阻力的墜落過程
在下落的過程中,如果忽略空氣阻力,那麼墜落時間與物體本身的質量無關,根據h=0.5gt^2,可計算出墜落過程持續約3.5s(取高度20*3m,重力加速度g=9.8m/s2),墜落速度約34.29m/s。由於空氣阻力的存在,導致不同質量不同形狀的物體的墜落持續時間不一樣。如下圖所示,在物體墜落後的某一瞬間,受力有重力和空氣助力。其中,較為複雜的就是空氣阻力。通常,我們用下式作為計算空氣阻力的表示式,其中:C為助力系數,與形狀有關;S為迎風面積,v為速度,ρ為空氣密度。同樣形狀的條件下,阻力的大小就取決於迎風面積(球體的橫截面),和墜落速度。
物體從速度為零開始墜落,剛開始的阻力幾乎為零。隨著物體在重力的作用下,速度越來越快,阻力迅速增加,直至與重力大小一樣。隨後,物體將以恆定的速度穩定的下降。實際上,低速情況下,上述阻力公式並不適用,因此,想要精確計算低速情況下的阻力,有點麻煩。有興趣的同學,可以採用CFD-EDEM來模擬一下其墜落過程,其中涉及到流固耦合的問題,本篇回答就不考慮那麼複雜的情況。
當物體墜落後一段時間,阻力達到了重力(認為此時速度相對較大,阻力公式可以適用),那麼根據上圖中的公式,可以計算出平衡時的速度分別為:雞蛋34.95m/s,黃豆18.12m/s。其中,空氣密度取1.293kg/m3,圓形的阻力系數取0.47。顯然,雞蛋的穩定速度34.95m/s超過了20層樓的無助力墜落速度34.29m/s。這就意味,雞蛋從20層樓無初速度下降的過程中,始終在加速。而黃豆墜落了一段距離以後,就以18.12m/s的速度保持勻速下降。直覺上:由於雞蛋的墜落速度要比黃豆的墜落速度大的多,因此雞蛋首先墜地。但是,是否真的這樣呢?
3、墜落時間計算
接下來,都是數學的東西了。前面我們透過穩定時的速度,粗布確定了雞蛋的墜落時間要小於黃豆的。下面,我們就更進一步,較為準確地計算下兩者的墜落時間。當然,前提是上述的助力公式在低速情況下依舊適用。物體受力如下,其中a為加速度,假設為勻加速運動,a為定值。
其運動微分方程如下:
上市簡化為:
透過分離變數法,可得任意時刻的速度表示式,其中atanh是反雙曲正切函式。
即速度方程為:
由上式可知,速度無限接近平衡速度,但是始終無法到達平衡速度,這雖然與實際情況不一致,但是後面的速度已經非常接近平衡速度了。積分速度,得到高度H:
由上式可知,當時間較長時,整個過程可以用平衡的速度來計算。
對於雞蛋,由於是始終加速,可以直接帶入高度,得到雞蛋墜落時間為6.28s。但是,對於黃豆,由於會首先到達平衡,隨後才會勻速下降。在加速階段,透過計算,在4.211s的時候,速度已經達到了平衡速度,此時墜落了約37.66m,剩下的22.34m以平衡速度下降,約用時1.23s,黃豆墜落總用時5.44s。
4、總結
後續如有類似問題,可直接代本文的公式計算即可。
回覆列表
先扔答案:雞蛋先落地。原因是黃豆收到空氣阻力的影響程度,比雞蛋受到的阻力影響程度要大。
我們來計算一下,看看這個結果是怎麼得到的。
1、我們假設它們的密度是一樣的(這個設定不嚴謹,但比較接近事實,它們的密度都比水大一點點)。對於黃豆來說,由於品種不一樣,所以黃豆的體積其實相差也是很大的,大黃豆的直徑可以是小黃豆直徑的2倍以上。我們就選平均重量0.2g每個;雞蛋的話很常見,咱們就選50g一個。
2、由於雞蛋和黃豆的密度比較接近,都是略大於水,我們取近似值為1g/cm^3。
3、為了方便計算它們的截面積,我們設定二者都為標準的球形。(這裡比較粗略了),球體的體積公式為4πr^3/3
4、我們利用公式可以計算出,黃豆的直徑約為:0.72cm、黃豆的截面積約為0.412cm^2: 雞蛋的直徑約為:4.6cm、雞蛋的截面積約為:66cm^2。
5、黃豆的質量、截面積的比值約為0.48;雞蛋的質量、截面積的比值約為0.76。從這兩個資料我們可以看出,單位截面積,黃豆的平均質量小於雞蛋的平均質量。當二者以相同的速度下落,空氣對二者的單位截面積上的阻力是相同的。這意味著,當二者下落速度相同的時候,空氣阻力對黃豆的影響要大於對雞蛋的影響。
最後總結
從前面的分析我們可以看出:雞蛋和黃豆在空氣中,從同樣高度下落的話,總是雞蛋先著地的。在我們日常經驗中,有很多其實密度很大,但是體積很小的(塵埃、沙粒)漂浮在空氣當中,大家都應該是能感受得到的,就是因為這個原因。質量和表面積的比值太小了,小到一定程度的時候,空氣流動對這個顆粒的影響就會超過重力的作用,這個時候,它們就可以漂浮在空中不掉落下來。