为什么在月球上一根羽毛和一个铅球下落速度相同?

这是一个令人好奇的问题,曾经美国宇航员就在月球做过类似的实验。宇航员站在月球上,左手拿一个羽毛右手拿一个锤子,当宇航员放开之后,两个物体居然同时落在的月球上面。这就让人产生好奇了,为什么羽毛那么轻,锤子那么重,却同时落地呢?

我们知道在地球上很显然肯定是锤子先落地,因为地球上物体会受到两种力,一个是重力一个是空气阻力。地球上到处都是空气,羽毛所受到的空气阻力作用和锤子不同,所以锤子先落地。

但是月球不同,因为月球上没有空气,属于真空状态,也就没有了空气阻力,所以月球物体只受重力影响,我知道重力G=mg,根据牛顿第二定律a=F/m,也就是a=g。因此当他们初速度为零,重力的加速度相同,且位置和高度一样做自由落体时,羽毛和铁球就会同时落地。

小学四年级的课本上写着,1590年,26岁的年轻学者伽利略站在比萨斜塔上,讲一个大铁球与小铁球同时扔下,以实验二者落地的时间。实验的结果大家当然非常熟悉:两个铁球同时落地。

不过90年代以来,更多的考证表示,伽利略很可能并没有在比萨斜塔顶上做过这一实验,反而有可能是在一个人造斜坡上试了一把——当然这也不影响实验结果,两个铁球还是同时落地。可是如果我们较一下真,大小不同的两个铁球实际上无法真正意义上同时落地:大铁球的体积更大,受到的空气阻力会比小铁球大,尽管在数值上微乎其微,但如果精确到小数点后很多很多位的话,这两个受到空气阻力不同的物体不会同时落地——小铁球实际上会更快一些。

虽然物理学早就告诉我们,在万有引力的作用下,如果不存在空气阻力,两个等体积物体的下落不会受到阻力干扰,会真正意义上在同一时间落地。不过如果能够亲眼目睹一番这个画面,想必也是十分壮观的。

当然,登月实地做实验的美梦就可以先放下了,经费不足,我们还是在地球上玩吧。


各航天大国其实都有用来测试太空飞行器的巨型真空设施,其中美国国家航天局就拥有世界上最大的一个真空实验室,坐落于俄亥俄州Sandusky市Glenn研究中心的Plum Brook研究站,名为“空间动力设施/Space Power Facility/SPF”。

这个巨型的混凝土+铝合金罐子配备了超大功率气泵,可以将罐内空气几乎完全抽出,仅仅残余2克空气——在现有的工业水平下,这已经是地球上能够制造出的最好的巨型真空环境了。

2010年,BBC在拍摄纪录片《人类星球》时,在NASA的这一实验室展开了一个有趣的实验:将一束羽毛与一个保龄球吊在同一高度,分别测试有空气状态下和真空状态下的下落时间,并且用高清摄影机记录了全过程。


最后的结果毫无意外,有空气的那一组,保龄球义无反顾冲向地面,羽毛则开始在空中翩翩起舞,悠然飘落;没有空气的那一组,保龄球和羽毛同时落地,而降落过程中,你甚至看不见羽毛有丝毫被气流吹拂的迹象。


在月球上,羽毛与铅球“几乎”同时落地的原理与这个近似真空罐子中羽毛与保龄球同时落地的原理是一样的。月球的大气层非常稀薄,只有地球表面大气含量的10的负14次方分之一那么多,几乎可以认为是真空环境。

在这样一个真空的环境里,等高度同时下落的物体显然不受空气阻力的影响,所以下落的时间只受到同样大小的月球重力加速度决定,故而相等。

2022-02-10

2022-02-10