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一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?

2022-08-01由 科學角度觀世界 發表于 林業

蜻蜓和蒼蠅有什麼特點

這是一個很有意思的問題,實際上答案也並不單一,這個問題需要分多種情況進行討論。

這涉及到一些常用受力分析。我們假設這個瓶子是密封的,先討論最簡單的情況:蒼蠅趴在瓶子的底部,很顯然,這個時候稱出來的重量就是瓶子的重量加上蒼蠅的重量,我們假設這個總重量為M1。

一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?

那麼當蒼蠅在瓶子內飛起來,稱出來的重量又會是多少呢?

可能有些人會覺得,蒼蠅飛起來後,和瓶子之間沒有接觸了,因此蒼蠅的重力不會施加在瓶子上,這個時候稱出來的重量應該等於瓶子的重量。如果你是這樣想的,那可就錯了,因為你忽略了一樣東西,那就是內部空氣的作用。

事實上瓶子內部的空氣是蒼蠅與瓶子之間傳遞力的橋樑。蒼蠅飛起來後稱出來多重,與蒼蠅的飛行狀態有關,需要進行分類討論。

首先假設第一種情況:蒼蠅懸停在瓶子內。

蒼蠅之所以能夠飛行起來,主要是利用了牛頓第三定律,蒼蠅透過拍打翅膀將空氣向下推,那麼翅膀就會受到空氣提供的一個向上的反作用力,這個反作用力與蒼蠅的重力形成一個平衡力,保證了蒼蠅能夠懸停在空中不掉落。

一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?

實際上這些被蒼蠅向下推的空氣最終會作用在瓶底,而這個推力就等於蒼蠅的重力,所以看似蒼蠅沒有與瓶子接觸,實際上蒼蠅的重力還是“間接”地施加在了瓶子上,所以當蒼蠅懸停在瓶內,這種情況下稱出來的重量=M1。

一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?

再假設第二種情況:當蒼蠅向上做加速運動飛行。

我們同樣可以按照上面的邏輯進行分析,蒼蠅想要向上做加速飛行,其拍打翅膀對空氣向下產生的推力必須>蒼蠅的重力,這個向下的推力同樣也會作用在瓶底,因此此時稱出來的重量會>M1。

再假設第三種情況:當蒼蠅向下做加速運動飛行。

我們可以用一個最簡單特例來分析,假設蒼蠅本來是懸停在瓶內的,這時它突然停止飛行,直接開始自由落體下落,很顯然,這個時候蒼蠅已經不需要空氣“託”住它了,那麼這個時候稱出的重量會從M1瞬間變成瓶子的重量。

不過向下加速飛行,有可能這個加速度小於於重力加速度,也有可能會大於重力加速度。當加速度小於重力加速度時,蒼蠅對空氣向下的推力不足以抵消重力,這個時候蒼蠅會向下做加速運動,但此時空氣對瓶底向下的推力會小於蒼蠅的重力,因此此時的稱出來的重量<M1,但會>瓶子的重量。

當然蒼蠅有可能向下飛行的加速度比重力加速度還要大,那麼這個時候翅膀推力的方向就變了,翅膀需要將空氣往上方推,從而受到一個向下的反作用力,這個時候才能加速度a>g。向上運動的空氣會作用在瓶子的瓶口,反而抵消了瓶子的一部分重力,同樣的此時稱出來的重量<M1,並且會<瓶子的重量。

一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?

如果蒼蠅是在瓶子內胡亂飛,實際上就是以上各種情況的不斷變化而已。

當然以上討論都是基於瓶子是密封的情況。如果瓶蓋是開啟的又不一樣,區別就在最後一種情況:蒼蠅向下飛行的加速度比重力加速度還要大的時候。這種情況下,空氣是被蒼蠅向上推,由於沒有瓶蓋,這個推力無法作用在瓶子頂部,因此瓶子無法受到一個向上的作用力,也就是說,蒼蠅對空氣產生的作用力沒有作用在瓶子上。所以當蒼蠅向下飛行的加速度比重力加速度還要大的時候,此時稱出來的重量還是=瓶子的重量,而其它的情況的結果則與瓶子密封是一樣的。

一個有蒼蠅的瓶子去稱重,蒼蠅在底部和蒼蠅飛起來,重量一樣嗎?