将苍蝇放到瓶子里去称重,苍蝇飞行和落在瓶
这是个很有意思的问题,从表面上看,瓶子、空气与苍蝇是一个整体(有密封的瓶盖),根据能量守恒定律,无论苍蝇在哪里,重量都不应该发生变化。但实际上,除了苍蝇在底部,重量会没有波动外,只要苍蝇在飞,重量就有波动,为什么这么说呢?我们一起来讨论一下。
首先,如果苍蝇在瓶中正中间悬停,那么这种情况与苍蝇趴在瓶底时的重量是一样的,这是因为当苍蝇趴在瓶底时,其中苍蝇、空气与瓶子都没有发生任何的改变,我们不妨将这个作为参照物,设为A。
当苍蝇在瓶子中正中间悬停时,根据牛顿第三定律,当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反,而能够达到悬停,就证明正反作用力是一致的,所以瓶子整体的重量也不会发生任何的变化,此时的重量也为A。
除了以上两种情况外,其他情况下,我们很难得到重量A,而且重量要么是增大,要么减小,要么在不断的变化。为什么这么说呢?我们分下面三种不同的情况来说:
第一种:苍蝇向上飞(在瓶子中间垂直上升)。当苍蝇向上飞时,它必须通过挥动翅膀产生一个作用力,这个力还能抵消重力产生上升力,但是有一个问题,那就是瓶子是拧紧的,空气在其中是不流动的,所以当苍蝇挥动翅膀向上飞时,产生的力会作用于瓶底,产生比苍蝇重力更重的力,这样称重的结果必然要大于A。
第二种:苍蝇向下飞(在瓶子中垂直下降)。苍蝇向下飞,其实也不是向下飞,而是不飞时就能下落,此时苍蝇处于失重状态,与向上飞时恰恰相反,此时瓶子整体的重量会小于A、
第三种:乱飞。一只苍蝇被人抓住后放入了一个瓶子里,它势必会像无头苍蝇那样乱飞乱撞,此时就要复杂很多了,因为上面我们只考虑了苍蝇在瓶子中间上下移动,没有考虑苍蝇不在瓶子中间的情况,在这种情况下,瓶子的重量会一直不稳定,因为瓶子中只有苍蝇是移动的,如果将它们看成一个整体,苍蝇的移动就是重心的偏移,而且只要苍蝇不停的乱飞,重心就是一直在左右前后移动的,这样在称重时,我们是不会得到了一个固定的结果的。
而且在这个过程中,理论上只有苍蝇在一条直线上飞行,其重量是一样的,但是一旦不正常飞行,撞到瓶子的内壁上、底部、上部,测得的结果都是不一样的。当然,如果是苍蝇悬停在瓶子中或者趴在瓶子的任何一个部位,总重量都是不会发生变化的。
当然,我们这只讨论了瓶子闭口的情况下,在瓶子开口的情况下,这个结果又有差异了,因为少了瓶盖的阻挡,就等于少了一个向下的力,在这种情况下,除非苍蝇悬停或者爬在瓶子某处,否则也是不会得到重量A的。
因为当苍蝇挥动翅膀飞行时,瓶底的反作用力会将空气推出瓶口,这样瓶子的整体重量会有一个减轻的过程,当然,等到减轻到一定的量,外界的空气还会进入到瓶子中,如此往复直到进气与出气平衡时,重量才会稳定不变了。
当然了,想要测得这个结果需要非常精准的称重设备,因为普通的设备只要精确不到毫克以下,在开瓶口的状态下,你是测不出变化来的,这一点我们可以用一个空瓶子放到厨房称重器上,然后把手指升伸入其中测量一下,甚至把整个拳头都伸进去测量一下,与不放手指和拳头时的重量也是没有任何差异的。
综上,我们普通的称重设备连苍蝇的体重都称不出来(一只),所以无论是将苍蝇放到开口的瓶子里还是封闭的瓶子里,无论是苍蝇怎么飞,我们得到的称重结果也是没有变化的。但是,如果换一个能精准到称一只苍蝇体重的称重设备,这个实验的结果就与我们上面说的一样了,这是因为苍蝇虽然在瓶子中可以与瓶子看成一个整体,但是苍蝇是个动量,它有加速度、位置以及力的变化。
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