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来源:科普中国-军事
2024-06-18 10:12:14
鸣枪示警,这是影视作品中经常会出现的镜头,从小时候开始,每当看到这样朝天开枪的镜头的时候都会产生一个疑问,那就是子弹为什么不会落下来打中自己呢?
无论是在影视作品中,还是在现实之中,朝天开枪之后被掉下来的子弹击中的事情从未出现过,这是为什么呢?是因为子弹飞出了天际,还是因为开枪的时候角度不够垂直,子弹跑偏了?其实都不是。人在朝天开枪之后,之所以不会被落下的子弹击中,这和一个物理学定律有关,这个物理学定律就是角动量守恒。要弄清什么是角动量守恒,首先得弄清什么是角动量,而这还要从角速度说起。为了让所有人都能够看懂,接下来我们通过举例的方式进行简单说明。这个例子就是一个物体围绕着一个圆心做圆周运动。
当一个物体围绕圆心做圆周运动的时候就会产生一个角速度。
什么是角速度呢?假设这个物体每秒钟围绕圆心移动10度,那么它的角速度就是10度除以1秒,也就是说角速度实际上就是物体移动的角度与所用时间之比。弄清了角速度,接下来就可以说角动量了。一个运动物体的角动量与三个因素有关,一个就是物体的质量,一个就是物体到转轴的距离,在上述的例子之中就是指物体距离圆心的距离,最后一个因素就是刚才所说的角速度了。
如果用公式来表示,那么角动量就等于物体质量乘以距离的平方,再乘以角速度。现在我们明白了什么是角动量,于是我们就可以正式提出这个物理学定律了,那就是角动量守恒。角动量守恒有两种情况,一种是在不受力的情况下,角动量保持守恒,另一种则是物体在受到有心力的影响下,角动量也守恒。
由于角动量是守恒的,所以当运动物体与转轴的距离变长的时候,物体运动的角速度就会随之下降。
要对角动量守恒进行验证是一件很容易的事情,每个人都可以做到,我们只需要坐在转椅之上,然后手持一个拖把横向摆放,为了让实验效果明显一些,你可以设法给拖把增加重量,比如在拖把的两头绑上一摞书本来进行增重,最后让别人帮助我们转动转椅。此时拖把两端到转椅中心的距离就是运动物体与转轴的距离,由于这个距离相对较长,所以转椅转动的角速度则相对较慢。
此时我们迅速将拖把竖起来,请注意,此时整个转椅的重量是没有变化的,但是物体与转轴的距离大幅度缩短了,此时的转轴长度只是转椅边缘到转椅中心的距离,但角动量是守恒不变的,所以由于物体与转轴的距离缩短,角速度会随之增加,于是转椅转动的速度会自然而然的快起来。
转椅的实验是所有人都可以轻易完成的,这就是在不受力的情况下角动量守恒的例子,而在受到有心力影响下,角动量同样守恒,比如天体运动。
地球围绕太阳运动,运行的过程中地球受到来自太阳的引力作用,这就是一个有心力,也就是指向转轴中心的力,此时地球的角动量也是守恒的。当地球运行到近日点的时候,由于与太阳的距离缩短,所以角速度加快,而在远日点的时候,由于与太阳的距离增大,所以角速度减慢,事实证明地球在近日点和远日点的公转速度的确是不同的,符合角动量守恒。
现在我们可以回过头来看子弹的问题了,当我们朝天开枪的时候,子弹实际上有两个速度,一个是垂直向上的速度,另一个则是随地球自转自西向东运动的速度。在这两个方向不同的速度作用下,子弹实际上是在做一个自西向东的抛物线运动。
做抛物线运动的子弹和自转的地球都存在着一个相同的角动量,但是由于二者到转轴的距离不同,所以角速度也就不同。
由于地球表面与转轴的距离是始终不变的,所以地球自转的角速度也是始终不变的。子弹就不同了,子弹随着高度的增加,与转轴的距离也在随之增加,距离增加了,角速度就会减小,所以子弹上上过程中的角速度是低于地球自转角速度的。
当子弹升空到最高点后开始下落,随着高度的降低,子弹与转轴的距离会拉近,角速度会随之增大,但再增大也要小于地球自转的角速度,所以下落过程中子弹的角速度仍然低于地球自转的角速度,所以最终子弹会落在开枪点的西侧。所以,当有人朝天开枪的时候,出于安全考虑,不要站在西侧。
责任编辑:李娇