一滴水從多高的地方落下可以砸死人?你可能會覺得這個問題非常可笑,水怎麼可能砸死人呢,是啊,我們每個人都或多或少淋過雨,這些打在我們身上的雨滴都是從數千米的高空落下來的,而我們卻安然無恙,這足以證明水滴從多高的地方落下來都不會砸死人。
人人都知道雨滴不會砸死人,但鮮有人知雨滴為什麼不會砸死人,因為從理論上來講,雨滴應該是可以砸死人的。一個從高空墜落的物體,是否能夠砸死人,有一個因素是至關重要的,那就是這個物體的下落速度。物體之所以會墜落是因為重力的作用,而重力會對自由下落的物體產生加速度,也就是重力加速度,在重力加速度的作用下,下落物體的速度會越來越快。由此可見,一個物體下落的速度與這個物體下落的時間密切相關。
物體下落的起始位置越高,墜落地面所需的時間就越長,在重力加速度的作用下,速度也就越快。雖然自由下落的物體速度會隨著下落時間的延長而增加,但並不會一直增加,因為自由下落的物體除了受到一個向下的重力以外,還受到了一個向上的阻力。
那麼這個阻力有多大呢?關於下落物體所受到的空氣阻力是一個比較複雜的問題,但大體來說與這樣幾個因素有關:空氣的密度、下落物體的速度以及下落物體的正對面積,由此可知,物體下落的速度越快,所受到的空氣阻力也就越大,於是一開始,重力加速度大於阻力,所以下落物體不斷加速,隨著速度的增加,阻力逐漸增大,最終阻力與重力加速度實現了平衡,於是物體下落的速度便不會再繼續增加,而這個速度就被稱之為“終端速度”,也叫“收尾速度”。
不同物體下落的終端速度是不同的,一般而言,一個人的下落終端速度約為100m/s,而貓下落的終端速度約為50m/s,而螞蟻只有1.7m/s左右,所以相比人而言,貓更不容易摔傷,而螞蟻則絕對不會摔傷。
那麼雨滴下落的終端速度是多少呢?雨滴的大小各不相同,所以下落的終端速度也不盡相同,比如一個直徑為1毫米的雨滴,它下落的終端速度約為2m/s,而一個直徑為2毫米的雨滴,下落的終端速度則可以達到4m/s,顯然,越大的雨滴,下落的終端速度也就越大,所以從理論上來講,只要雨滴足夠大,就可以把人砸死,那麼為什麼沒有足以把人砸死的雨滴從天上掉下來呢?我們知道雨的前身其實就是雲,雲就是由諸多非常小的水滴聚合而成的。
雲之所以不會從天上掉下來,是因為聚合成雲的水滴是非常非常小的,它們的直徑往往只有10微米左右,所以在地表的蒸騰作用和風的影響下,它們就能夠以雲的形態飄浮在空中。
但是,當降雨的條件成熟時,雲中的雨滴開始相互碰撞融合,體積逐漸增大,當體積超過100微米時,空氣就託不住它們了,於是它們開始下落,在下落的過程中,它們會和其它體積更小的雨滴發生碰撞,並實現融合,繼續增大,隨著個頭的增加,它們下落的速度也會越來越快,如果按照這個勢頭下去,似乎確實會掉下足以砸死人的大水滴,但問題是雨滴的增大也是有極限的,原因還是空氣的阻力作用。雨滴在下落的過程中,會因空氣阻力而逐漸變形,隨著體型增大、速度增加、阻力增大,雨滴便會發生破裂,重新變為多個小雨滴。
變為小雨滴之後,終端速度會驟然下降,這些小雨滴會重新聚合增大,之後再次破裂,如此迴圈往復,所以最終墜落地面的雨滴直徑通常不會超過6毫米,也就是說它的終端速度不會超過10m/s,所以雨滴自然也就不會砸死人了。
雨滴不會砸死人,這本質上是由雨滴下落的終端速度所決定的,和雨滴的材質沒有關係,只要速度夠快,即便是一滴水,也可以將人擊穿。如果你接觸過材料製造業,那麼一定聽說過一種東西,那就是水刀,所謂水刀就是以水為刀,本名為“高壓水射流切割技術”,就是依靠高壓所產生的速度,用水來切割石材和金屬,雖然現在的水刀之中會加入一些石榴砂和金剛砂,來提高切割速度,但即便不加這些東西,單單依靠速度,水一樣可以切開堅硬的石材和金屬。