蚊子为什么能跟上时速300公里的高铁？可能复杂程度远超你的想象
蚊子为什么能跟上时速300公里的高铁？这篇文章由浅入深，一步一步帮大家拆解，看完之后，可能会惊叹，原来这个事情涉及这么多知识领域。
首先，我们先说好理解的，火车匀速行驶时，蚊子为什么能自由飞翔跟上高铁的速度。
如果蚊子一直趴在车上，等火车进入匀速行驶时再起飞，这个时候蚊子受到的所有力跟在地面上完全一样。因为这个时候火车和空气是一个整体，这个时候蚊子起飞，与它发生关系的只有高铁上的空气，它们全部在同一个惯性参考系下。
牛顿第一定律初中物理就有讲，所有物体都有保持运动状态不变的性质，这就是惯性，在不受任何外力的情况下，物体会一直保持静止或者匀速直线运动。
你在这个时候起跳，落下时候，就永远是原地，不管你在空中呆多久，蚊子也是这样。
如果这个时候高铁突然开始加速，飞行悬停的蚊子会被甩到车尾吗？不会。
那这时候蚊子又会是什么样的形态呢？答案是蚊子会略微倾斜一点保持飞行悬停。
我来详细解释一下——
这里不得不引入一个初高中没有涉及的概念——惯性力。
前面说过了，惯性是使物体保持静止或匀速直线运动的属性，它不是一种力，而是每个物体都具有的属性。当物体进行变速运动的时候，为了方便计算，这里我们虚拟出了一个惯性力，这个力不同于一般的力，他没有施力物体。这个变速运动的状态就是非惯性参考系。
惯性力的公式跟重力公式G=mg完全相同，只需要用加速度替换掉重力加速度g，得出的就是加速度下物体产生的惯性力，高铁的加速度一般在0.2m/s²左右，蚊子质量2毫克，它的惯性力就是4*10的负七次方N。
在这个非惯性参考系下，蚊子的参照物是高铁车厢，因为高铁的加速度，蚊子产生了一个跟高铁运动方向相反的惯性力。这个惯性力跟重力垂直，它们产生的合力在这两个力的夹角中，哪个力更大，这个合力就更偏向哪个力。
力的大小是重力的平方加上惯性力的平方再开方，也就是初中数学里的勾股定理。
对蚊子来说，这个过程相当于重力发生了些许的偏转，大小也略微增加。它觉得自己煽动翅膀的力仍然是垂直向下的，但实际已经是向斜下了。蚊子的上升力也就朝着偏向高铁车头的斜上方，跟合力的方向相反。
这里有一个小思考题，你们可以回答一下——你站在公交车上，公交车突然加速，你在没有失去平衡的情况下，身体是朝哪边倾斜的？
答案:
1 车头
2 车尾
3秒钟，请作答。
3，2，1
这个问题我希望所有人都答对了，说明你完全理解了蚊子飞行悬停时的受力方向。
答案是偏向车头，因为如果你没有失去平衡，你必然会身体前倾来平衡重力和你自身惯性力的合力，这个合力是向下并偏向车尾的。
下次有机会，你可以仔细观察一下。
OK，简单的问题到此为止，后面会逐渐复杂，希望大家都能跟上。
蚊子在飞行时无论如果都可以跟上高铁，那如果——我们干掉它呢？如果它只是悬浮在空中，并不煽动翅膀呢？
这个时候如果高铁处于加速中，你完全可以想象成高铁车头抬起，车厢是倾斜的，高铁加速度越大，与地面的斜角就越大，当然这时候向下的力，相对于重力也会相应越大。这个时候车上物体的运动方向只跟密度有关，密度比空气大的下降，密度比空气小的上升。
如果我们把高铁再放平，就是密度大于空气的就会向高铁车尾方向斜下降落，密度小于空气就向高铁车头方向斜上上升。
当高铁加速时，如果车厢里有一个玻璃球和一个氢气球，玻璃球就会向车尾滚去，而氢氧球就会在车厢顶上向车头的方向蹭。
这个实验你们就不要做了，高铁不让带氢气球……
高铁加速时，如果我们把重力g剔除，只考虑水平方向的力，
蚊子最后的运动形态又会是怎样呢？
这时候蚊子运动的唯一正向力就是它的惯性力，跟这个力相反的是空气给它的阻力，这个问题其实就是下雨的问题。上一期视频评论区就很多人问这个问题，为什么雨滴从那么高的地方落下，但不会砸死人？
那我们就来说明一下这个问题——空气阻力跟速度的关系。
空气阻力的计算有两种公式，一种是偏向考虑空气粘滞力的，另一种是偏向空气迎面阻力的。这两个公式里都有速度，只是略有区别，前一个公式里，速度跟阻力成正比，后一个成平方比。
但结论是相同的，也就是速度越大，阻力会越大。
随着速度不断变大，阻力会最终等于物体的重力，这时候就会达到平衡。当阻力=重力的时候，此时物体会以匀速下落，这时候的速度就是物体下落的最终速度。
伽利略的比萨斜塔实验就是忽略了空气阻力这个因素，这个实验结果只能在真空中成立。在空气中，自由落体的物体理论上都会达到匀速的状态，这个速度跟物体的质量以及表面积相关。
想不明白为什么雨滴砸不死人的，就是因为被伽利略比萨斜塔实验误导了。这个实验是否真实发生过，科学界仍在讨论，但无论是否发生过，其”相同材质但大小不同的两个球,经过相同的介质,落地速度一样'的结论，是不正确的。
经过计算，雨滴自由下落的最终速度只有10m/s左右，相当于一辆行驶中的自行车，水滴以这个速度滴向你，是打不死人的。
下面，又要上难度了，大家注意跟紧。
如果这个时候，重力突然消失了，那么雨滴会是什么样的运动形态？
这里暂停5秒，把你想出来的答案打在公屏上，时间不够可以自行暂停，顺便点下关注，长按点赞。
OK，时间到，这个答案先不公布，我们一起走一下流程。
这个时候作用在雨滴身上的还有什么力？你会发现除了运动产生的空气阻力以外，什么力都没有了。雨滴现在是一种不受正向力的状态，前面的空气阻力公式告诉我们，速度越大，空气阻力越大。而在这个时候，当雨滴不再受任何正向力了，唯一的外力就是空气阻力，阻力会使速度变小，而速度越小，阻力也会相应减小。
这里会产生一个变量，需要用到高等数学微积分来计算。
用初中的数学知识怎么理解呢？
初中数学已经学函数了，那就应该能理解函数的调用，只不过这里的调用复杂一些，是互相调用。
也就是说速度和阻力是两个互相影响函数，它们两个一边互相影响，一边变小。
所以最后的结论，雨滴会静止吗？
从计算的角度严格来说——不会。
这就又涉及一个概念了，极限，这是一个高中数学的知识点。
我用一个很古老的数学极限题来解释这个问题——
一尺之锤，日取其半，永世不竭。
这个意思是说，一尺长的棍子，每天砍掉它的一半，那么它永远都不会被砍完。
剩余的棍子会越来越接近零，但理论上永远不为零。
这就是极限概念里的——无穷小。
现在雨滴就是这么一个状态，因为雨滴不再受力，所以阻力就会不停降低它的速度，但速度越小，阻力就会越小，对速度的影响就会越小，如此循环下去，最后在理论速度上永不为零。
但结论，我们仍然可以把这个无穷小当作零，也就是雨滴最后会静止。
这个时候你可能会说，不是说蚊子吗？怎么又说起雨滴了，说雨滴前面可以理解，后面说到重力消失的意义又在哪呢？这又不可能发生！
不，这是可能发生的，因为这就是当高铁从加速变成匀速前进时的状态。
现在我们回到高铁上，现在还处于加速中。大家还记得咱们走前蚊子的状态吧？我们已经让它悬停在空中，但不会飞了，而且也不考虑重力。这个时候蚊子相对于高铁，就相当于横过来的雨滴坠落，只不过蚊子是在相当于1/50的重力下自由落体，它会达到一个最终速度，这个速度非常小，我算了一下，应该是在5-8mm/s之间，这个误差是因为表面积以及阻力系数的不准确。
这个时候，如果列车突然停止加速，进入匀速直线运动。那蚊子的惯性力就会消失，像前面问题里的雨滴一样，只受到空气阻力的作用。
蚊子会比水滴更快地趋近于静止，你可以想象一下，平行弹出一滴水和扔出一只蚊子。水可能划半个抛物线落地，而蚊子会在离开你手后很快垂直下落，运动趋势更像是一根拐杖。这是因为蚊子质量小且迎风面积更大，你再想一下如果是柳絮，你可能会觉得它离开你手就不再平行移动了。
只要高铁停止加速，蚊子就不会再向后移动。
所以结论是如果高铁处于一直加速的状态中，不考虑重力，蚊子也不会飞行，那么它一定会撞到车尾。
而只要停止加速，蚊子就会停止向后移动。
是不是可以结束了？
再等等，我们不如干脆算一算，怎样能让高铁里的蚊子一定撞到车尾。
假设高铁总长200米，加速度为0.2m/s²，一只悬停在空中不飞行的蚊子（这里其实可以想象成有一个没有摩擦力的平面支撑蚊子），我们要使它撞到车尾，需要让高铁加速多久？
在高铁加速时，蚊子跟高铁的最终相对速度，我们取8mm/s，以这个速度从车头到车尾，需要25000s，将近7个小时。也就是说只要让高铁保持这个加速度，7个小时以后，蚊子无论在高铁的任何位置，都必然会撞到车尾。
这在现实中能代表什么呢？
可以大概代表，这时候车里的灰尘都将集中在最靠后的车厢，是不是听起来有点可怕？
这么可怕的事可能会真实发生吗？
安心，不会的。那为什么不会呢？
我们来算一下，如果高铁以0.2m/s²的加速度运行7个小时，那它的速度就会达到5000m/s，18000km/h，14.7马赫——也就是14.7倍的音速。这个速度远远超过了大气层内所有人造物的速度。
我们可以横向对比一下，那些看起来速度很快的物体，数值上的速度究竟是有多大。
民航飞机 270m/s
子弹 500m/s
战斗机675m/s
唯一能跟这个速度比较接近是火箭发射器的速度，可以达到2300m/s左右，但依然达不到它的一半。
也许有人这时候会说，那导弹呢，听说某某导弹可以达到20马赫以上的速度。
那是只有远程弹道导弹才能达到的速度，弹道导弹的运行轨迹是一条抛物线，它为了达到更高的速度需要飞出大气层，只有在大气层以外，才可以加速到这个速度。
前面说的火箭发射器的速度也是说在大气层内的速度，到了到了大气以外才可以继续加速。
普通巡航导弹最高速度也就只有4马赫左右，甚至有些还会以亚音速飞行。
所以这个问题所表述的情况是现实中不可能发生的。
那现实中这个问题的解应该是什么样呢？
如果高铁还是只加速400秒，然后开始进入匀速行驶，究竟蚊子会不会撞到车尾呢？
最后，你会发现，这其实是一个概率问题。
这400秒的时间，蚊子会向高铁尾部运行3.2米，如果蚊子可能出现在高铁的任何位置，那它这高铁行驶的过程中，它有1.6%的概率会撞到车尾。
OK，this is it，我把我现在能想到的所有角度都解释到了。
不知道你有没有体会到其中的乐趣，科学的美好就在于你能用它把任何问题进行各种角度的剖析。
感谢大家的阅读和关注~
这里是科学朋克，我是哭蛹~
我们下期再见