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下雨的时候,跑与不跑落在身上的雨点是一样多的吗?

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季索清,虚己游世

翻了不少答案,不禁心中略感悲凉:一方面是因为大多数答案都是错误的;另一方面更是因为少数同学不仅想当然地以为“跑得越快淋雨越少”,还借此讥讽那些认真思考的答主缺乏生活常识。我一开始匿名回答了大概的思路,可是看到这样的情况,觉得需要取匿出来发声了。

我要说,无论是相同时间还是相同距离,并不一定是跑得越快淋雨量最少

在比较靠前的答案中,@相光祖同学的答案中的推导过程我没有细看,但是他的定性结论是正确的。

赞数最高的答主通过虚拟实验给出了结论,这种实践的精神可嘉,但很可惜结论并不完全正确。因为实验并不能穷尽所有的情况,更何况这个虚拟实验本身就是个模型,只是调试模型参数而没有理解模型,这对我们认识物理图景是没有任何帮助的。

下面,我将不借助任何公式帮助大家来直观地理解这个问题。当然,这并不是说公式不重要;如果要算得具体的数值,仍然需要公式的严谨推导。以下叙述中包含了跑步者的速度、雨速恒定,跑步者外形是规则几何形状等一些合理假设,因为建立模型的基本准则是 keep it simple, but not simpler;一个囊括了所有因素的模型,无助于我们理解物理图景的本质。

最直观的理解这个问题的方法,是伽利略变换——取跑步者为参考系。这样,任何的情况,都可以变换为“人在雨中静止”这一情形。

那么,如果人在雨中静止,怎样会淋雨最少呢?

显然是雨滴垂直下落的情况,因为只有人的头顶(和肩部)会淋到雨,侧面是淋不到的。当然,我们合理地假设人的形态是侧面面积比头顶面积大很多。

现在,我们变换回地面参考系;雨滴垂直下落的情况在地面参考系下,就是跑步者的速度与雨滴下落速度的水平分量一致的情形

因此,如果淋雨时间相同,当跑步者速度与雨速的水平分量一致时,淋雨最少。

下面说跑步者跑过的距离相同的情形。让我们考虑一个极限情况:一个人如筷子一般细长(头顶面积远小于侧面面积)。那么,按照之前的叙述,无论这个人在雨中多久,只要他的速度与水平雨速一致,他是永远不会被淋湿的;以任何快于或慢于这个速度运动都会被淋湿。因此,当且仅当他以这个速度跑完一定的距离时,淋雨量才是最小的(为零)。

从这一极限情况可知,当跑过的距离相同时,同样也不一定是跑得越快淋雨量越小;最优解取决于他的身体形态、跑过的距离、跑步速度和雨速(最终可以归结为几个无量纲数),具体的结果需要通过公式计算。

科学不是由想当然的人、而是由做出严谨思考的人推动的,哪怕那些思考看上去由于貌似缺乏常识而很可笑。当伽利略开始怀疑为什么轻的东西一定比重的东西落得慢的时候,他受到的嘲笑不绝于耳;而相似的历史在今天、在这个问题下依旧重演着。我想我们应该警惕。

也许有同学会有疑问:这样的问题即使有最优解,在现实中也几乎不会被用到;那思考这样的问题有什么意义呢?

我在给美帝本科生上课的时候,讲到恒星物理,提到两个时标;一个是 Kelvin-Helmholtz 时标,这个时标说的是,如果恒星(比如太阳)发光的能量完全来源于引力势能,恒星的寿命大概是多久。对于太阳,这个时间大概是几千万年。然而,太阳的寿命是上百亿年。

这是由于,太阳发光的能量并非(主要)来源于引力势能,而是中心的核反应。通过核反应速率计算出的另一个主序星核反应时标远大于 Kelvin-Helmholtz 时标,从而能够更好的表征恒星的演化。

于是有本科生提问:如果 Kelvin-Helmholtz 时标是不现实的,我们计算这个时标又有什么意义呢?

我回答说:在宇宙中有一类“超大质量黑洞”(supermassive blackhole),它的质量可达上亿个太阳质量。关于它的形成,有一种可能是一种“超大质量星体”(supermassive star)坍缩成“类星”(quasi-star),最后形成黑洞的种子。在这个过程中辐射出的能量源于引力势能的释放、而不是核反应,因此这里 Kelvin-Helmholtz 时标就派上用场了。

所以说,宇宙之大,大到那些我们认为的“不现实”,都有可能是宇宙的现实。夏虫不可以语于冰者,笃于时也;而人类有别于夏虫之处,正是在于能够透过现象中所谓的现实与不现实,通过严谨的思考提炼出理性的本质,从而让我们在面对远超生命生存极限的宇宙万象时,有一份与天地精神往来的勇气。


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