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雨水能否成为究极的致命武器?


大多数人对蚊子一定不陌生;若是出游或睡觉的时候遇上它们,简直欲哭无泪。根据估计,蚊子每年杀害约七十多万到一百万个人类,可谓动物杀手界第一把交椅,明显打败第二名的人类自己;但以爱护动物的同理心想想,其实蚊子的处境相当不容易,除了要躲避地球最强势物种-人类的追杀,还有许多天敌;另外,天气环境似乎也是潜在的威胁:举例来说,雨滴的重量最高可达蚊子的数十倍(不妨想像我们身在充满上百公斤到数

图/ Pexel

水滴水滴蚊子的研究

针对上述问题,美国乔治亚理工学院的台裔美籍科学家胡立德[1](David L. Hu)伴随团队,于2012年进行了详细研究。事实上,要用雨滴砸中蚊子是相当艰巨的任务;胡立德表示:

「我们首先做的事,是从我们大楼的三楼,将小水滴落在装满蚊子的容器内–您可以猜到那并不太管用,就

所以他们改变作法:在实验室内朝蚊子射击水滴,并用超高速摄影机记录下过程。

他们观察到,,蚊子并非特意闪躲,也不是跟雨滴对抗,相反地,蚊子的翅膀或身体会被水滴影响,以类似搭便车的方式,顺着水滴运动。团队又简单估计了在这

因此,尽管在实验中,水滴

上排左,重达蚊子的二到五十倍,但因为蚊子不硬接水滴的打击,质量又极小,所以承受的作用力并不高–蚊子坚硬的外骨骼完全能够抵挡冲击。图:蚊子受到水滴撞击所产生的角度减小;上排右图为减小角度(纵轴)和时间(横轴)的关系图,粉色区块代表蚊子和水滴的接触飞溅。下排左图:蚊子受到水滴的影响图/ 参考文献1

撞击产生向下位移。下排右图为位移距离(纵轴)和时间(横轴)的关系图,黑色代表蚊子,蓝色代表水滴。

雨滴]如此如此,雨滴在特定状况下还是可以对蚊子造成危害:若蚊子极度靠近地面飞行时被击中,就可能来不及恢复正常飞行状态,而被雨滴拖行撞击地面。伤不了蚊子,那能伤人吗?

有蚊子的研究结果,我们可以接续思考:人类在淋雨的时候不会像蚊子那般顺着雨滴的方向移动,也不像那么,雨滴能否对人类造成伤害呢?

那又是为什么?(/‵Д′)/〜╧╧(翻桌)怎么跟蚊子的状况完全不一样?简单回答,就是雨滴的质量

雨滴的质量可以到多大?

既然水的密度大致上是固定的,变动不大,影响雨滴质量最主要的因素,就是它的尺寸。原则上,水滴要多大都可以,但仔细回想我们从小到大看过的雨滴,就算是尺寸最大的,直径也几乎无法超过五公厘。

在国际太空站的微重力环境下,水滴的影/ NASA Johnson

以往,科学家认为,雨滴在落下的过程中,会和周遭的其他雨滴碰撞,长长的头发融合或分裂,最后形成我们在地上看到的雨滴尺寸

然而,2009年法国艾克斯-马赛大学(Aix-MarseilleUniversité)的科学家发表论文,确认雨滴的大小实际上取决于其和空气的作用:一旦雨滴在上空形成并落下,因为遇到空气

雨滴落下过程中的分裂示意图。雨滴在直径小的时候,约略成球形;雨滴的直径最小,就会在空气粘度上。图/ 维基百科

不仅如此,研究团队也对雨滴的尺寸长度进行推算,从而使雨滴保持稳定,不分裂状态的最大直径约六

加速雨滴可行吗?

就算雨滴的质量在吗[公厘,基本上与实验观察和日常经验吻合。因此之故,雨滴的质量绝不可能达到伤害人类的程度。现实中无法太大,我们仍然不需要放弃希望,只要你懂物理,物理就会帮助你:如果雨滴以极高速率落下,还是可以产生足够的动量,造成伤亡;在漫画《航海王》里就曾经出现过,击发手的水珠破坏岩石的剧情-不过,这真的可能吗?[19659024

早在约莫两千年前,罗马人会在高处储存大量的水,从而由一次全部释放,将岩床的覆盖物]《航海王》中,反派角色击发的水珠可以打穿岩石。层冲刷掉,以寻找矿脉;这个技术现在称为冲流探矿(Hushing)。十九世纪中叶,采矿者开始利用高压水柱,直接把矿床喷到崩解,再进行洗矿,/即所谓的水力采矿法(液压采矿)

十九世纪采矿者利用水力采矿的照片。图/ 维基百科

到了1930年代,人类已经能够使用极细小的小的高压水柱切割物品,称为水刀(Water jet cutter)。转换时代替代,我们能够产生的水压越来越强,水柱的威力也越来越大;换言之, 只要速率够快,水也可以很有潜力破坏力。

这样的话,雨滴又为什么不会快到伤人的地步呢?原因仍然是前面提到的空气阻力。当物体在流体中当物体因为重力而从空中落下,只要速度快到一个地步,空气同轴就会大到抵抗销售重力的作用,此时该物体会以等速运动,称为终端速度。

物体的终端速度和其质量,在流体中的截面积, 以雨滴而言,终端速度最高差不多每秒十公尺(每小时36公里),并不算快-于是也不可能造成人体伤害了。 ]

大规模毁灭性武器梦碎

下雨是地球上大部分人都很熟悉的大气现象,但雨之所以是我们习惯的那个样子,并非理所当然,而是由背后深刻的物理学决定。单就事实而言,雨对昆虫或人类都不具杀伤力,无法成为大规模毁灭性武器;反过来想,人类能够生存到现在,或许就是我们不会被雨水伤害的最佳证据,不是吗?

参考资料

注释

[1] 其于2015年和2019年两度获颁搞笑诺贝尔物理学奖。


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