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日志

让子弹飞 --- 鹦鹉学舌的无趣

热度 2已有 4371 次阅读2015-5-18 04:46 |个人分类:科普|系统分类:科技| 让子弹飞

对于互联网上流传的故事,都跟着鹦鹉学舌就没有多少意思了。”淋雨是最聪明最美妙的解答”这正是水滴下落速度寓言作者传递的信息,也是微信上众人一致赞同的标准答案。同理,薄熙来鞋子问题,报纸上登的标准答案是名牌球鞋,别人猜耐克,你说像是 Adidas,显得自己还fashionable知道各球鞋牌子,也是无趣得很,一点创造力、想象力都没有。连互联网趣事还去放狗找标准答案,而不是独立思考,这是中国填鸭式教育的结果。

从淋雨寓言看,它试图传递两个信息(1)博士们不知道雨是水滴从高处下落,不能联想,非博倒更聪明;(2)计算水滴下落速度缺乏意义。(1)倒是有可能,有的人书越读越蠢,狗都知道自觉伸出舌头蒸发散热,iMan + 翰山等号称理工科的却死活不明白池水蒸发降温。(2)就是不动脑子、缺乏逻辑了:雨固然是水滴,水滴却不一定是雨点,题目的水滴并没有给出大小,可能是半桶水那么多,也没有给出地点,也许是嫦娥登月工程要计算月球上的事情呢(注一),这些就没有淋雨经验借鉴了。 


我在《水滴砸人的科学思维》一文中,指出【猴子都知道淋雨不会砸伤猴子,但猴子都有的淋雨经验如果不进行理性的升华将停留在猿猴的阶段。】为此,我从 F=ma 推出了空气阻力公式,并对雨滴速度、人不同姿势下坠速度进行了计算。这不过一碗茶功夫的事情,使用的不过高中物理与初中代数。

不过有个问题,毕竟人从高处掉下来的机会是很少的,真正掉下来的,知道自己下落多快也没有太多意义了。我在文中提到另外一些应用,例如计算汽车、飞机的最大速度等等。这里,我来解决一个简单的问题,子弹的有效射程。当年鸦片战争英国洋枪打到中国时牛顿力学已经有100多年历史,中国虽然早就造出了火药,但缺乏数学化理论指导,结果,中国土炮不敌英国洋枪。落后就要挨打,愚昧就被欺压。这是历史教训。

在前面我从 F=ma 推出,一个物体在空气中以 速度 v 运动,其受到的阻力 f_a 是

[ix]f_a = d_a A v^2 (1-\cos\theta)[/ix]

其中 [ix]d_a[/ix] 是空气密度,A 为物体横截面积,v 为物体速度,[ix]\theta[/ix] 是物体导致空气的方向偏转角,这个角度与物体形状有关。[ix]f_a[/ix]方向与物体运动方向相反。

子弹的射程问题高一物理都是学了的,是牛顿定律的简单应用。但高一课本上讲的是没有空气阻力的理想情况,子弹在水平方向速度恒定,而在垂直方向做自由落体运动,相关计算不记得的可以去翻高一物理课本。现在我们需要进一步,考虑实际的存在空气阻力的情况。

设子弹质量为m, 速度方向 与水平方向 x 夹角为 [ix]\phi[/ix],我们列出垂直与水平方向的 f=ma 方程

[ix]ma_x = f_a \cos\phi = -d_aA v^2 (1-\cos\theta) \cos\phi = -d_aA (1-\cos\theta) v v_x[/ix]

[ix]ma_y = -mg - d_aA v^2 (1-\cos\theta) \sin \phi = -mg - d_aA (1-\cos\theta) v v_y[/ix]

这组方程一看是非线性的, 我们看能否加以简化。 为此,我们计算一下垂直方向空气阻力并与子弹重量进行比较。我们得出  [ix]d_a A = \frac{pi}{4} * 1.25* (5.7 * 10^{-3})^2 = 3.65 \times 10^{-5}[/ix]。M16 步枪5.56 mm 弹药的数据, 出膛速度 v = 940 m/s。假设目标距离为 200米,子弹初始速度水平,[ix]\theta[/ix]约为15 度,那么1/5 秒后,空气阻力的垂直分量约为 [ix]2.2 *10^{-3}[/ix] ,千分之二 (牛顿)。而子弹的质量量为 4.1克,也就是百分之四牛顿。因此,计算水平弹道时,一般距离内,可以忽略空气阻力对弹道的影响。 So far so good.

在这一近似下,我们可以解出水平速度与时间 t 的关系,经过简单的计算,我们得出

[ix]v_x = \frac{v_0}{\frac{d_a A (1-\cos\theta) }{m} t +1}[/ix]


但从上面的分析计算可以看出,如果初始速度与水平角度大,那么即使在200米这样的距离,空气阻力对弹道的影响将不可忽略。如果从高处射击地处,那么由于空气阻力的作用是向上托起子弹,因此瞄准时可能需要低一点。更加具体的计算虽然可能比较繁复,但方程就在上面,留给大家做练习了。

 不过,上面的分析有一个严重问题。由于子弹速度超过声速。。。。



注一:比如说一艘开始降落的登月飞船漏水,水滴直朝月球表面飞去,如果打中月球表面的宇航员防护罩。。。。



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