有人曾提出这样一个奇怪的问题:如果不计空气阻力,人站在赤道朝着天空开一枪,那么子弹会不会打中自己?
如果地面静止不动的话,人朝天空开枪,则过一会子弹就会在重力的作用下,落下打中自己,这是毋庸置疑的。
然而,地球是一直在转动的,那么在这样的现实情况下,子弹究竟会不会正好落在我们发射子弹所在的位置呢?西瓜视频创作人李永乐老师将通过系列的分析告诉我们答案。
当人站在赤道上时地球是自西向东转的,这时朝着天空开枪,子弹相对地面来说有一个速度v?,另外子弹由于地球自转,还会有一个跟着地球的速度v?。
在这种情况下,子弹其实相对于地心是斜抛出去的。子弹在地球的引力下,经过抛物线的运动轨迹到达地球上的另外一个点。
在这段时间,地球同时也会自转,这时就要考虑子弹和地球的转动的角度谁更大。如果子弹的角度更大,那么它就会下落在人的东面,反之则会落在人的西面,只有当子弹和地球的转动的角度相等的时候,这颗子弹才会恰好打中人。
要搞清楚子弹和地球转动的角度的情况,就需要用到西瓜视频中为我们介绍的角动量这个概念。
角动量的大小等于物体的质量乘以物体到转轴的距离的平方再乘以角速度。
物体的角动量在两种情况下是守恒的:第一是物体不受到力的作用,第二是物体受到的是有心力的作用,所谓有心力,说的是指向参考点的力,比如我们常见的万有引力。
地球的自转速度是保持不变的,我们可以将地球的转动速度定为ω?,由于子弹做的是抛物线运动,它在地球的万有引力这种有心力的作用下角动量是守恒的。
然而在子弹从发出到到达最高点这个前半段上升过程中,子弹距离地心的距离会越来越远,即r会增大,子弹的质量不变,因此角速度会减小,也就是说子弹在单位时间内转过的角度比地球小。
在后半段子弹下落的过程中,子弹距离地心的距离越来越近,r会减小,根据角动量守恒的规律,角速度会变大。
然而由于子弹到自传轴的距离在它从发出到落下的整个运动过程中都不比地球的半径小,所以子弹的角速度不可能增大到地球的角速度ω?,因此子弹会落在人的西边。
在西瓜视频里有这样的提问,子弹落下的位置到底与人会差多远呢?
忽略空气阻力,假设子弹发出的竖直向上的速度是400米每秒,近似认为子弹在竖直方向上重力加速度基本不变,它的竖直飞行是匀变速运动,通过计算得到子弹从飞行到落地一共用了80秒钟,上升的最大高度是8000米。
在这段时间内,计算得到地球转过的角度是0.333333度,而子弹转过的角度是0.332756度,所以我们可以得到结论:在不考虑空气阻力的情况下,人在赤道朝天空开一枪,最后子弹经过抛物线运动落下会落在人的西边的64米处。
其实,在生活中,利用角动量守恒可以解释的实例很多,例如天体运动中卫星在近地点速度快远地点速度慢的现象,芭蕾舞演员收起双臂转圈时,转动速度就会加快这一特点等。
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