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大千世界精彩纷呈的 “速度”表演

2017-12-15 11:12:39 | 编辑:张潇 | 阅读数量:217 | 文章来源:大科技

  大千世界里,有谁能说自己不在运动之中?是你,是我,还是动物、微生物,还是“稳如泰山”的泰山、“坚如磐石”的磐石?

  大千世界里,有谁能说自己不在运动之中?是你,是我,还是动物、微生物,还是“稳如泰山”的泰山、“坚如磐石”的磐石?



  其实,大千世界里唯一不运动的就是“运动”。风在吹,浪在涌,高山在崛起,沙丘在移动……正是纷繁复杂、千姿百态的运动,使大千世界充满生机和活力。但运动总是有速度的,只是不同物质有不同的速度而已。从地球的广角镜看,地球所承载和面对的大千世界所有物质无一不在一定时间里对地面做一定距离的位移。换句话讲速度是所有物质不可或缺的物理特性。

  千百年来,人们对大千世界速度变化的观测记录已经是果实累累。在观赏和研究速度变化的过程中,人们不断地提问——

  速度的变化有规律吗?当飞行物体的速度达到7.9公里/秒(第一宇宙速度),它就能绕地球旋转;如果速度提高到11.2公里/秒(第二宇宙速度),飞行物体就不能围绕地球运转了,就成了太阳的行星了。如果飞行物体速度超过了16.7公里/秒(第三宇宙速度),物体就要飞离太阳系了。这应该是速度变化的规律之一。

  速度的变化有极限吗?光的速度是30万公里/秒,是人们普遍认为不能超越的速度,但研究发现,有一些特殊的量子,其运动的速度是超光速的。天体中类星体的两个辐射源分离速度就达到了288万公里/秒。

  人造物体的速度可以无限度变快吗?人是宇宙的灵长,人类对物质世界速度变化研究成果的广泛应用,已经为改善人类的生存条件和生活发挥了巨大作用。人造物体的速度变化范围目前已经能够包括大部分非人造物体的速度变化范围,但人类在此方面的创造力并没有达到顶峰。譬如,目前人类发现了超光速物,但还没有创造出超光速飞行的物体。

  速度比赛有意义吗?电磁炮弹主要用于反导弹和反卫星作战,电磁炮的速度能达到3——20公里/秒。如果电磁炮不能轻松超过导弹和卫星的速度,怎么能将它们摧毁?

  速度里面的奥秘还有多少,1纳米/秒和10万公里/秒的物质速度变化有什么共同点,人自身的运动速度变化与自然界运动速度变化有什么相似性……让我们在地球这个宽广无边的大舞台上一同欣赏大千世界精彩纷呈的速度表演,一同思考大千世界速度变化的奥秘!

  上篇:速度在1米/秒以下的表演

  10-11米/秒(10微微米/秒) 青藏高原缓慢上升

  青藏高原只是在近二百万年左右的时间内,从海拔1000米的高度上升到了现在的海拔4700米的高度。它的平均上升速度是58.7微微米/秒。但每个地质时期它隆升的速度并不均匀。在距今两百万年前的早更新世时期,它上升了1000米;在距今一百万年前的中更新世时期又上升了1000米;但从晚更新世以来的仅10余万年,它却上升了1500米以上,平均每年升高10毫米。其中,从距今一万年前起,它上升的速度加快,平均每年上升70毫米。现在,它仍处在快速上升的时期。



  应当说明的是,迄今为止10微微米/秒的速度并不是人类观测到的物质运动的最慢速度。物质运动的最慢速度仍有待于进一步的观测和确定。

  10-10米/秒(1埃/秒) 尔威兹加树慢慢长高

  自然界树木生长的速度真是千差万别,有的快得惊人,有的慢得出奇。例如在前苏联的喀拉哈里沙漠中,有一种名叫尔威兹加的树,个子很矮,整个树冠是圆形的。从正面看像是沙地上的小圆桌。它的生长速度极慢,100年才长高30厘米,即1埃/秒。也就是说,每秒钟它仅仅长高十亿分之一厘米。



  10-9米/秒(1纳米/秒) 东非大裂谷不断开裂

  据地球物理勘探资料分析,东非裂谷带存在着许多活火山。这些活火山的不间断活动,导致大裂谷不停地向两边开裂。

  虽然速度非常缓慢,但近200万年来却达到了平均每年开裂大约2——4厘米的速度。按中间数每年开裂3厘米的速度计算,速度达到了1纳米/秒。可别小看这个速度,它1万年就是300多米。如果依此不停地开裂下去,未来的某一天东非大裂谷终会将它东面的陆地从非洲大陆分离出去,从而产生一片新的海洋以及众多的岛屿。

  10-8米/秒(10纳米/秒)海岸一步步后退

  本世纪初,我国局部地区海岸侵蚀还相当严重。特别是在采沙过度的海岸,近2——3年内海水向陆地侵蚀100多米,侵蚀最严重的地方达200——300米。黄河入海口一带的海岸仍以2.3米/年、即72纳米/秒的速度后退。



  10-7米/秒(100纳米/秒)沙丘缓缓移动

  自1950年以后,由于我国塔里木河上游耕垦不断扩大,致使塔里木河下游生态环境急剧恶化。主要表现在水源减少,特别是若羌县所属阿拉干以下在1972年后已经断流,地下水位下降,水质变坏,森林植被衰败,土地沙漠化加剧发展。到1985年低矮沙丘以10米/年、317纳米/秒的速度向前移动。由于水源枯竭和植被死亡,更使原有的灌丛沙堆迅速向流动沙丘方向发展。

  10-6米/秒(1微米/秒)大气尘粒降落

  大气中还含有大量的尘粒和其它固体物质。尤其是粒径为0.1微米到5微米的微粒对于地表能量平衡影响甚大。根据测定,此类尘粒中的少部分尘粒在大气中的下沉速度约为1厘米/小时,即2.8微米/秒。如在2公里高空处存在着这类粒子时,约需20多年的时间才能沉降到地面。

  在英国发现一种生长很快的花卉植物。这种花卉属于西洋丁香家族的一种,在14天的时间里它长高3.65米.也就是说每天长254毫米,长高速度达到了2.9微米/秒。

  在近几十年间,由于我国黄土高原严重的水土流失,致使每年进入黄河的泥沙达到了16亿吨.其中4亿吨淤积在黄河下游河道,下游河床由此以平均10厘米/年、即2.8忽米/秒的速度抬升。

  电流上导体中自由电子以很小的速度运动,所形成的金属导体中自由电子的定向移动速度最慢可达到几忽米每秒。

  10-4米/秒(1丝米/秒)细胞质流动

  动植物细胞内细胞质的流动速度约为1丝米/秒。

  电流由电荷移动产生,但这些电荷移动很慢,速度约为60厘米/小时,相当于1.7丝米/秒。

  10-3米/秒(1毫米/秒)蜗牛速爬

  蜗牛的爬行缓慢,其速度约为1.6毫米/秒,全速疾爬的速度为2.3毫米/秒,大约8.5米/小时。食物在肠道里移动的速度约为5毫米/秒。

  10-2米/秒(1厘米/秒)口腔飞沫传播

  特定时期的传染性病毒疾病常常通过近距离空中飞沫传播。如病人一次剧烈的咳嗽会产生一百万粒左右的小飞沫。其中含有大量的病毒或其他病原体,这些飞沫在静止的空气中以1厘米/秒的速度向四周扩散。在室外,这些危险的夹带病毒的飞沫可能被吹散或者被阳光杀灭;而如果在室内通风状况不好的情况下,人群就易被感染。乌龟快速行走的速度约为5厘米/秒。

  10-1米/秒(1分米/秒)经络传感

  医学实验证明,经络的传感速度慢于神经传导速度,其速度为1分米/秒左右。因经络是隐形的网络系统,不像神经传导是借助于显形的神经系统,所以其传感速度要慢于神经传导速度。蟑螂一般的爬行速度约为1分米/秒。

  血液压入主动脉的速度约为2分米/秒。

  下篇:速度在1米/秒以上的表演

  100米/秒(1米/秒)浓烟扩散

  1米/秒到9米/秒速度是日常生活中较为常见的物质运动速度。具备这一区间运动速度的物质常常与人们的生活密切相关。

  火灾产生的高温浓烟扩散速度约为1米/秒左右,其垂直扩散速度比水平方向快3——5倍。这种带有毒气的烟给救人、自救和疏散造成极大威胁。

  一级风的标准风速是1米/秒。当微风吹起,树叶轻微摆动,炊烟能表示风向,海水则微微泛起波浪。我国东海海域的黑潮流的平均流速为1米/秒。

  成年人步行的平均速度约为1米/秒,游泳的速度约为2米/秒。

  球形闪电大多出现在雷雨交加的时刻或暴风雨前后,呈发光的火球形状,中心极亮。这种火球的颜色多变,直径通常为10——40厘米。产生球形闪电的持续时间仅在几十秒之间。它常常以2米/秒的速度作水平移动,有时停留在半空中,有时又降落地面。

  我国的风力资源极为丰富,绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上,特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿平均风速更大。在这些地区发展风力发电是很有前途的。

  海水流动速度为3米/秒,潮汐的流动速度为5米/秒。

  一个直径8米左右的载人降落伞,其下降速度是6米/秒。

  长跑运动员的跑步速度约为7米/秒。

  雨水降落的一般速度约为8米/秒。

  世界上第一台直接驱动机器人最大行走速度9米/秒,能提动6千克重物,定位精度达0.1毫米。

  据科学家估算,霸王龙的奔跑速度平均约为9米/秒。

  101米/秒(10米/秒)激流飞泻的大峡谷


  2002年9月14日,美国的蒙哥马利在巴黎国际田径大奖赛的百米总决赛上,以9秒78的成绩打破了其同胞格林保持的男子百米世界纪录(9秒79),成为世界上跑得最快的人,他的速度高达10.22米/秒。人骑自行车的速度约为14米/秒。



  雅鲁藏布江大峡谷中许多河段两岸岩石壁立极难通行。雅鲁藏布江大峡谷河段河水平均流量达4425立方米/秒,远远超过67立方米/秒的科罗拉多河,其河流流速高达16米/秒,水流湍急,浪花翻转。至今未有人能漂流过雅鲁藏布江大峡谷,其水流的险恶程度也远在诸峡谷之上。无脊椎动物中游泳最快的是乌贼,它的游泳速度是15米/秒,最高速度是41.67米/秒,被称为“水中火箭”。

  潜水艇的速度约为20米/秒。兔子疾驰的速度为22米/秒。驼鸟奔跑的速度为25米/秒。跑得最快的恐龙速度可达到20多米/秒。

  雪崩移动速度约为30米/秒。旗鱼游泳速度为37米/秒。

  猎豹是陆地动物中跑得最快的动物,每小时可跑145公里,即40米/秒。尖尾雨燕平时飞行的速度为170公里/小时,即47.2米/秒,最快时可达98米/秒,是世界上飞得最快的鸟。

  冲刺速度最快的鸟是游隼,在俯冲抓猎物时能达到50米/秒的速度。

  有“中国第一快艇”之称的“海豹”HP160型超高速巡逻艇艇身轻盈,出击迅捷,最高速度可达时速112海里,即58米/秒,能抗击6级风浪,承受重力加速是一般快艇的6倍。

  在第一次世界大战期间,最有代表性的战斗机是英国的“索普威思”,法国的“纽波尔”,德国的“福克”等飞机。英国的“索普威思”战斗机的最大飞行速度达220公里/小时,即61米/秒。德国的“福克”D·V 11型战斗机最大飞行速度200公里/小时,即56米/秒。

  人类发生正常触觉反应时,触觉信号通过一个快速传导的神经网络传到大脑,这个传导速度约为60米/秒。与此同时还有一种慢速度神经网络,它的传导速度仅1米/秒,这部分神经网络通常被叫做触觉小体。

  磁悬浮列车与当今的高速列车相比噪音小,行驶速度一般在300公里/时,即83米/秒左右。由于它以电为动力,在轨道沿线不会排放废气,无污染,是一种名副其实的绿色交通工具。

  美国科学家让光束穿过一团由铷原子组成的热气,通过这种方法把光速从30万公里/秒降到了90米/秒。

  102米/秒(100米/秒) 大风暴席卷高山

  1958年4月12日美国新汉普郡,在1916米高的华盛顿山上大风暴的风速达到了每小时371公里,即103米/秒,这是风暴风速最大的世界记录。

  1999年10月22日,登普西世界纪录协会拥有的一台名为“白色闪电电动流线型汽车”的电动汽车,在美国犹他州的邦纳维尔盐沼达到了395.821公里/小时,即110米/秒的创纪录速度。

  神经脉冲沿神经纤维的传输速度为120米/秒。

  飞行最快的动物是南美洲的牛虻,飞速达到了200米/秒。

  次声波在空气中的传播速度约为300米/秒,声波在空气中传播速度是340米/秒。

  “道尔”导弹又叫“圆环胎”导弹,北约国家称作“萨姆15”导弹,它是一种机动型全天候近程防空武器,导弹发射后在极短的时间里就能达到每秒860米的高速度。它可以攻击最大飞行速度达到700米/秒的飞机或导弹,而目前大部分机动式防空武器只能攻击速度约500米/秒的空中目标。子弹射出枪口的速度大约是900米/秒。

  103米/秒(1公里/秒) 地震波迅猛扩散

  声音在水中的传播速度为1.453公里/秒。

  在第一次世界大战中,德国制造了一种炮身长34米的大炮,炮弹的速度达到1.6公里/秒。气象火箭升空的速度约为1.7公里/秒。

  地震波的纵波传播速度约5——6公里/秒。在震中区,人们对纵波的感觉是上下颠动。横波的传播速度约为3——5公里/秒。在震中区,人们对横波的感觉是前后左右晃动。因横波速度比纵波速度小,故横波跟在纵波后面。

  电磁炮是利用电磁力为炮弹加速的电磁发射系统。电磁炮弹主要用于反导弹和反卫星作战。电磁炮的速度可达3——20公里/秒,能有效地摧毁空间的各种人造卫星和导弹。

  人造卫星环绕地球运行的速度是7.9公里/秒,这一速度被称为“第一宇宙速度”。

  104米/秒(10公里/秒)流星雨追撞地球

  在太阳系中除了九大行星和它们的卫星以外,还有彗星、小行星及一些更小的天体。小天体的体积虽小,但它们也和九大行星一样在围绕太阳公转。如果它们有机会经过地球附近,就有可能以每秒几十公里的速度闯入地球大气层,与地球大气发生剧烈摩擦,从而发出耀眼的光芒。这就是我们经常看到的流星。流星雨是一种有成群的流星,看起来像是从夜空中的一点迸发出来并坠落下来的特殊天象。这一点或一小块天区叫做流星雨的辐射点。流星雨中流星运动速度都在12公里/秒到72公里/秒之间。

  到2004年,美国人发明的太空飞行器还正在飞出太阳系。其中最远的是旅行者一号,前几年的数据是已经离开太阳120多亿公里,每年差不多要离开太阳5.7亿公里。它的飞行速度是17.4公里/秒。

  105米/秒(100公里/秒) 电子绕核运动

  电子在物质分子中是按照一系列相隔有序的电子能级排列的。在原子核结构中,电子没有被原子核吸到核上,是因为它以很快的速度绕核运动。根据计算,氢原子核外离核最近的第一能级电子其绕核的速度为220公里/秒,在第二、第三能级的电子绕核运动速度是110公里/秒和73公里/秒。电子离核越远,其速度越小。

  1894年,汤姆逊利测得阴极射线的速度是光速的1/1500,约200公里/秒。

  在日全食时的短暂瞬间,人们常常可以看到太阳周围除了绚丽的色球外,还有一大片白里透蓝,柔和美丽的晕光,这就是太阳大气的最外层——日冕。日冕物质抛射现象是20世纪70年代末才观测到的太阳瞬变的另一重要形式。一次日冕物质抛射所抛射的物质质量可达10——100亿吨。其抛射速度在100——1000公里/秒之间。

  106米/秒(1000公里/秒) 离子体云引发地磁爆

  人们通常所说的“太阳风暴”是指太阳上剧烈的爆发活动,它是由美国“水手2号”探测器于1962年发现的。太阳发生的电磁辐射、高能粒子流和等离子体流的变化会使太阳表层、地球的磁层、电离层状态发生不同程度的变化。太阳活动爆发时喷射出的等离子体云在空间运行的速度可达1000公里/秒,它与地球的磁层、电离层相互作用从而引起地磁暴和电离层暴。地磁暴不仅影响卫星的姿势控制,而且会对地面技术设备产生影响。

  107米/秒(1万公里/秒)核子波动

  原子核的结合能很大,比原子的结合能要大上千倍,比分子的结合能则要大到一百万倍以上。核子在原子核里是极不安分的,它们以波动方式运动速度高达1——10万公里/秒。

  108米/秒(10万公里/秒) 原子弹爆放光辐射

  人类目前凭眼睛能看见的光波有七种,称为可见光。光传播的速度是29.98万公里/秒,是目前我们可观测到具体数值的自然界物质运动速度的“冠军”。

  核武器的杀伤破坏方式主要有光辐射、冲击波、早期核辐射、电磁脉冲及放射性污染等。光辐射是在核爆炸时释放出的、以30万公里/秒传播的一种辐射光。1枚当量为2万吨级的原子弹在空中爆炸后距爆心7000米的物体都会受到比阳光强13倍的光辐射。光辐射可使人迅速致盲,并使皮肤大面积灼伤溃烂,物体会燃烧。

  近几年,许多科学家相继报告了有关超光速实验及其结果。例如,美国伯克利加州大学所作的“光子赛跑”实验得到光子速度为1.7c(c是光速),即51万公里/秒。

  109米/秒(100万公里/秒)或以上类星体辐射源超光速分离

  1960年射电天文学家用当时世界上最大的望远镜观测到两个射电源。结果发现它们都是很暗的蓝色星,尽管看起来像恒星,但又不是通常的恒星。天文学上称它们为类星射电源,简称类星体。令人惊奇的是,在某些类星体中,其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然比光速快!1977年以来的发现证实,其中一个类星体的内部有两个辐射源,并且它们还在相互分离,分离的速度竟高达288万公里/秒,是光速的9.6倍!

  这种与相对论矛盾的现象应该如何理解呢?这里要对光速极限这个结论加一点注解。

  有一种不正确的理解,认为光速是一切速度的极限。错了,光速只是物体运动速度的一种极限,或能量传递速度的一种极限。如果不注意这个条件,一般地谈速度,那么找寻超光速的现象在物理学中并不是难事。

  举一个极常见的例子。在节日的晚上,当探照灯射向高空的云层时,由于云层的反射你会在云层上看到一个亮点。当地面上的探照灯慢慢转动时,亮点却以极快的速度在运动。如果能有足够高的云层,这个亮点的速度就可以超过光速。这时,沿着亮点运动的轨道并没有能量的传递,所以它的速度并不受光速极限的限制。

  探照灯的例子可以解释类星体的超光速现象:类星体的中心母体喷射出两股相反方向的粒子流(相当于探照灯的光),它照射在星系介质上(相当于高空中的云),从而激起射电辐射(相当于亮点)。因此,只要中心母体有小的摆动,粒子流照射所激起的辐射区就会迅速地移动。光速不是这种辐射区移动速度的极限,因而超过光速是许可的。

  在宇宙大爆炸的初期,宇宙经历了一次极为短暂的暴涨阶段,在宇宙诞生后的10-35——10-33秒,宇宙奇点的直径就由10-26米扩张到1024米(约相当于1亿光年)!依此计算,宇宙奇点在这一时间段的暴涨速度达到1053万公里/秒,远远大于30万公里/秒的光速。宇宙如此高速暴涨的能量自何而来,仍是一个未解之谜。

  目前,超光速现象还处在研究和论证阶段。发现没有止境,探索还要继续。大千世界精彩的“速度”表演还会有新的内容展现在人们面前!
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