曹咏祺

什幺是“速度”?

还记得上一期的“坐地日行八万里”吗?与你乘坐高铁类似,你在地球上跟着地球一起运动,速度远比高铁更快,但你却同样感觉不到。所以,我们到底在什幺时候才会觉得速度快呢?

其实,涉及物体的“速度”,我们得知晓两个常用的物理量,一个是通常的速度,比如多少米每秒、多少千米每小时;另一个则是加速度——用来描述速度在单位时间内变化的程度。举例来说,一个铁球从楼顶落下,它的速度会变得越来越快。而在整个下落过程中,它的加速度(可认为完全来自重力)却是恒定的,也就是说,铁球每秒的速度变化是恒定的。

平日里我们口中说的“速度”快,有时指的是速度快,有时指的却是加速度快。但人体对速度和加速度的感知是不同的:人体感知速度,往往是凭经验,比如车窗外房屋、树木或电线杆“倒退”的快慢,或者听车窗外的风声;而人体对加速度的感知,主要依靠的是身体内部的“前庭系统”,它位于内耳,负责感知头部的位置和运动,也就是感知加速度。

到这里,我们就可以解释为什幺有出租车比高铁加速猛的感觉。因为高铁在启动时,加速度小。它会通过较长时间平缓加速来提高速度,如此一来,即使达到时速350千米,我们也不会感到明显的速度变化,觉得高铁比较“稳”。相比之下,出租车在城市道路的行驶过程中,由于时常需要加速或者减速,尤其当司机猛踩油门时,出租车的加速度会相对较大,即在短时间内,速度变化会很明显。而我们的前庭系统会敏锐地感知到这种变化,便会感觉到明显的加速感,从而导致我们觉得出租车很快!

生活中的“速度”

万事万物都在运动,所以在日常生活中,速度和加速度涉及方方面面,关于它们的应用也无处不在。如何平衡速度和加速度的关系,也凸显着人类的经验和智慧。

让人感到舒适的“速度”

不管你去商场还是回小区,电梯都是最常见的垂直交通工具之一。通常,普通电梯的速度约为每秒2米,能够满足大多数建筑物的需求。但在广州塔、东方明珠这样的超高层建筑中,电梯若还是以每秒2米的速度运行就显得慢吞吞了。为此,电梯被设计成高速电梯,速度可达到每秒10米以上,确保乘客在短时间内到达目的楼层。更为人性化的是,无论高速电梯的速度多快,它都能为乘客提供舒适的乘坐体验——加速度被设计得很小,速度变化通常被控制在每秒0.6到1.2米之间,确保在启动、运行和停止时都不会有猛烈的速度变化。

远在距离地表约400千米的高空上,天宫空间站的速度超级快,约每秒7.68千米,是音速的20多倍。然而,天宫号的速度变化却很小,近似匀速运动,只是根据需要做一些细微的轨道调整。因此,宇航员在其中也倍感舒适。

让人感到刺激的“速度”

有些速度让人感到舒适,有些则是让人感到刺激!比如F1比赛中,赛车需要在极短的时间内从静止状态加速到每小时200千米以上。这一过程通常在5秒内完成,每秒的速度变化可达到10米以上。这个速度变化根本不是油门踩到底的出租车能比的!就算是铁球从高楼自由落下,它的速度变化也没有F1赛车快。可想而知,要是坐上一辆F1赛车该有多刺激!

还有更刺激的,你或许知道,战斗机都设有弹射座椅。当触发时,弹射座椅能够在一瞬间将飞行员从座舱中弹出,在极短的时间内将其带离危险区域。弹射座椅的加速度通常在10到20倍重力加速度之间,换句话说,比自由落下的铁球的速度变化还要快上十几倍!可想而知,飞行员的身体要承受多大的负担,都不能只用刺激来形容了!

负的“加速度”?

当然,加速度其实是有方向的。比如,当出租车急刹车的时候,加速度与前进方向相反,我们就将加速度表示为负数。负加速度在交通工具的制动中起着至关重要的作用——需要用刹车盘刹住车轮,尽快地刹停确保安全,又不能刹得太猛,让人感觉像撞墙。

还有一个充分展现“负加速度”的例子,就是航空母舰上的阻拦系统:当舰载飞机在甲板上降落时,需要在并不长的跑道上迅速减速到停止。这需要“很大”的负加速度才行。于是,阻拦系统会钩住降落的舰载飞机,产生强大的负加速度,使其在很短的时间内安全停止。

一些关于“速度”的有趣知识你可能还不知晓,听好了,别惊掉下巴!我问你,速度最快的是什幺?是光。这你知道,我再问你,加速度最慢的是什幺?答案其实也是光!虽然在大多数时候,我们会认为,匀速运动的物体没有速度变化。但实际上,那是假定物体处于理想条件中。而速度真正恒定不变的,只有光——光速不变是物理学的基础法则之一,也就是说,光的加速度为0。