天上地下的阻力有何不同

郜賽楠　高麗

阻力在我們日常生活中非常常見。在地面運動的物體都會受到阻力，例如普通人騎自行車的速度是每小時10～20千米，感受到的空氣阻力比較小，大部分人都采用直著上半身的姿勢來騎行。而專業運動員的騎行速度達到了每小時40～60千米，為了降低空氣阻力，他們在騎行時一般采用身體前傾的騎行姿勢，以盡量減少身體與氣流的接觸面積。以每小時250～350千米的速度運行的列車受到的空氣阻力就更大了，列車的車頭設計成子彈頭形就是為了最大限度地減小空氣阻力。

空間站在離地面約400千米的高空中運行，那里的空氣非常稀薄，但不是真空。隨著距離海平面高度的增加，大氣密度會減小，假如海平面的大氣密度為1，那么當高度升到100千米時，大氣密度是海平面上的萬分之一；而當高度升到300千米時，大氣密度就只有海平面的百億分之一了。你可別小看這么一點點特別稀薄的大氣，它依然會對空間站產生一定的阻礙作用。

接下來，讓我們一起用生活中常見的物體來探究一下物體所受阻力與介質密度之間的關系吧。

實驗材料

玩具小車、自制軌道、容器、水、番茄醬

操作步驟

1讓玩具小車沿著自制軌道滑下，讓其在無外力干擾的情況下停止，記錄其運動的路程。此時空氣阻力較小，玩具小車從斜面滑下，在平面上行進了較長的距離，直到接近容器邊緣。

2將自制軌道放入水中，讓玩具小車從自制軌道上滑下，任其在水中無外力干擾的情況下停止，記錄它運動的路程。注意它的起點高度要與步驟1的相同。玩具小車在水中運動受到的阻力比在空氣中的大，所以它從斜面滑下后，在平面中只運動到容器的中間部位。

3將自制軌道放入番茄醬中，讓玩具小車在與前兩次同等高度的自制軌道上自由滑下，待停止后記錄它運動的路程。玩具小車從斜面滑下，在番茄醬中受到的阻力較大，在平面上只運動了一點點距離。

知其然，知其所以然

生活中處處有物理。學會現象背后的科學知識才是關鍵。要解釋這些現象，我們需要先了解一些概念。

概念一點通

速度

速度表示物體運動的快慢程度，它是矢量，也就是說它有大小，也有方向。速度的大小也稱為速率，通常用v來表示，在數值上等于物體所走路程（S）與時間（t）之比，即v=s/t。

加速度

加速度表示速度隨時間的變化率，是描述物體速度變化快慢的物理量，通常用a來表示，在數值上等于速度變化量與發生這一變化所用時間的比值。加速度是矢量，加速度的方向與物體所受合力的方向相同。物體的加速度與速度方向相同時，物體就加速；加速度與速度方向相反時，物體就減速。

牛頓第二運動定律

牛頓第二運動定律的常見表述是物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，即對物體施加的作用力越大、物體的質量越小，它的加速度越大。

空氣阻力

空氣阻力即空氣對運動物體的阻礙力?？諝庾枇Φ拇笮∨c空氣密度、物體運動速度等因素有關，其大小可由牛頓第二運動定律計算得知。

原理揭秘

空氣的密度約為每立方米1.29千克，水的密度是每立方米1000千克，番茄醬的密度約為每立方米1290千克。

將玩具小車在空氣中的同一高度釋放，在三種不同的情況下，它獲得的初速度是一樣的。接下來，玩具小車的速度在空氣中、水中和番茄醬中分別降為0。我們可以發現，在這三個過程中，小車的速度變化量是一樣的，加速度與速度方向相反。

根據牛頓第二運動定律及加速度的定義，在速度變化量相同的條件下，玩具小車受到的阻力更大時，其加速度就更大，其速度減為0所用的時間更短，所運動的路程也更短。比較玩具小車在空氣中、水中和番茄醬中速度減為0所運動的路程長短，你就可以比較出不同密度的介質對玩具小車的阻礙作用的大小。另外還需要注意，雖然水和番茄醬看似密度差不多，但是小車在番茄醬中受到的阻力比在水中受到的阻力大得多，這是因為液體黏稠度越大，阻力越大。

輕松答題

請判斷以下那些情況會使物體受到的阻力增大（ ）

A.汽車在公路上加速行駛。

B.跳傘運動員在空中打開降落傘。

C.小明同學將石頭從空中扔進水中。

D.汽車、飛機等交通工具被設計成流線型。

知識拓展

在日常生活中，我們見過雨滴和冰雹。如果半徑大小相同的雨滴和冰雹從天空中同一高度下落，你猜誰會先落地呢？雨滴是可變形的，它的表面是光滑的，下落時會因為空氣阻力變成流線型來減少阻力，而冰雹表面粗糙，阻力大且不會變形，因此在同一高度下半徑相同的雨滴和冰雹，是雨滴先落地。空氣阻力不僅與空氣的密度有關，還和物體的速度、物體與介質的接觸面積等因素有關。

既然空氣阻力依然存在，為什么空間站一定要在400千米左右的高空中運行呢？因為地球以外有一個叫作輻射帶的區域，空間站的軌道如果太高的話，就會進入輻射帶里，其中的輻射對航天員的身體會產生不良影響。若是降低軌道，空間站受到的空氣阻力增大，就會需要消耗更多燃料。因此選用400千米左右這個高度正合適。

著名科學家齊奧爾科夫斯基曾說：“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠生活在搖籃里。”空間站的建立對于人類探索宇宙有非凡的意義。國際空間站由于設備老化等問題，將會在2024年左右退役，那時，中國空間站將成為唯一在軌運行的空間站。人類已經清楚地意識到太空資源的重要性，在不遠的將來，中國空間站一定會成為我國蓬勃發展的強大助力。