作业帮苍蝇能撞停火车吗
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/11/15 15:10:34
苍蝇能撞停火车吗
苍蝇能撞停火车吗
苍蝇能撞停火车吗
这是我小时候就思考过的一个问题.一只迎面飞向火车的苍蝇,与火车的挡风玻璃迎头对撞.此后,苍蝇便粘贴在玻璃上随火车运动,因而苍蝇的运动方向改变了180°.
苍蝇在改变方向的瞬间肯定有暂时的静止,而正是在这同一瞬间苍蝇撞击火车,所以火车也应该有暂时的静止.如此说来,苍蝇应该能够让火车停止.实际情况当然不是如此.我的这种思考有什么逻辑错误吗?（这种思考是否能够解释英国铁路出现的某些现象?）
你是对的.苍蝇的确在瞬间使火车有暂时的停止了,不过不是使整列火车停止,而是仅使被苍蝇撞击的那极小一部分面积,同时也是极短的一点长度有短暂停止.
任何物体,不论看起来是坚硬的还是柔软的,都具有一定程度的柔韧性,能够发生变形.火车的挡风玻璃也不例外.被苍蝇撞击,挡风玻璃受到撞击的那一小块表面将稍微后陷变形.作为火车的这极小一部分,实际上不止是短暂停止而已,而是暂时作向后运动.
苍蝇撞击火车挡风玻璃的力量是相当大的（因为玻璃很坚硬）.事实上,任何这类碰撞所产生的力量都会很大.
苍蝇作用在火车上的力与火车作用在苍蝇上的力相等,都很大.这样大的力作用在苍蝇这种质量很小的物体上,将使它得到很大的加速度.事实上,这个加速度能够在挡风玻璃那一小块表面后陷的极短距离将苍蝇加速到超过火车的速度.
挡风玻璃被撞的那一小块表面将苍蝇加速,同时也依靠自身的弹性恢复到原来的形状.由于这种弹性还原的速度非常快,变形部分实际上会移动过多而超过原来的位置,从而前后振动起来,需要一点时间待振动停止,才会真正恢复原来的形状.这种振动,就是我们听到的苍蝇撞击挡风玻璃发出的声音.
如果将苍蝇被击碎,或者将玻璃的惯性效应等因素也考虑进来,情况会更加复杂.不过,上面解释的基本原理仍然成立.
提问题的朋友认为苍蝇应该在某一瞬间保持静止,这种想法是正确的.不过,“静止”并不是发生在苍蝇“刚撞上”火车的那一时刻.
在火车的挡风玻璃撞上苍蝇前端的那一刻（忽略挡风玻璃前被挤压的空气所形成的那一层气垫）,苍蝇便开始相对于火车被向前加速.在苍蝇被加速的这极其短暂的有限时间里,也就是在火车向前移动苍蝇身体长度这个短距离所花的这段时间,苍蝇同时被挡风玻璃压挤.正是在这一短暂时间,苍蝇处于静止,而且它身体的前10%的部分已有可能被压扁而变成挡风玻璃上的污迹.在这个过程中,火车仍然保持原来的行进速度不变.当火车前端向前移动,走完苍蝇身体长度的距离时——对于时速200千米的火车,这大概是在2×10-4秒钟之后,苍蝇已经被加速到了火车的速度,而它的身体此刻也已经被完全压碎,贴在挡风玻璃上随火车运动.
如果从理论上细究起来,根据动量守恒定律,火车撞击苍蝇后会暂时略微减慢一点点,但很快又会加速到原来的速度.至于苍蝇的加速度,假定是在1厘米的距离加速到200千米每小时,那么就应该是3×105米/秒2,大约相当于重力加速度的30 000倍.于是,假定苍蝇的质量为1克,那么苍蝇所受的力,也就是挡风玻璃所受到的力,就应该是300牛顿.
火车与苍蝇相撞时,火车挡风玻璃被撞击表层前几纳米会暂时停止,而靠里面的几纳米暂时发生弹性变形,其余部分则仍然保持火车的速度运动.
撞击过后,挡风玻璃被压缩的部分要恢复原状.于是,其被撞击的表面加速,重新获得原来的速度,玻璃丝毫无损（除非苍蝇作非弹性变形）.
这是一种做了很多简化的分析.事实上,挡风玻璃的弹性波会向后传播至全列车,而玻璃的前表面也将持续振动,直至振动能量消耗殆尽.不过,具体到苍蝇和火车相撞的例子,这种效应极小,可以忽略不计.但是,如果相撞的两个物体质量相当,例如在两辆汽车相撞的场合,撞击引起两辆汽车各自结构的运动就非常重要.在汽车相撞的事故中,正是汽车自身结构的这种剧烈运动导致了乘车人受伤或致命.