雨滴会不会砸伤人 | 不只速度的因素

现在很流行的一个笑话，说是有一个人小a不小心加入了一个物理学博士群，一群博士在群里面讨论一个问题：一滴水从很高的地方落下来会不会砸死人。群里讨论的很激烈，各种专业人士各种建立模型。最后小a实在是看不下去了，弱弱的说了一句：你们见过下雨会砸死人嘛？

这个笑话不晓得是不是杜撰的，反正现在充斥的各种“知识无用论”都会拿着这个笑话作为论点。我还曾听过一个较高逼格的评论，说在知识大爆炸的当今社会，人们习惯于用已有的，成熟的，专业性的知识来看待问题，结果往往忽略的问题的简单性……

作为一个在物理学上浸淫了十年的物理学“geek”，笔者此刻只想弱弱的说一句，这个问题，还是很值得研究。之所以成为笑话，是因为这个问题提出的角度太过于迎合“知识无用论”的角度了。在此，我们换一种问法：为什么从很高处落下来的水不会砸伤（砸死太血腥了）人？

对于这个问题，直观的感觉好像是这个样子的，水这么“软”的东西，也会砸伤人？然而实际情况是，在相对速度很大时，水就变得很“不软”了。笔者作为游泳爱好者，还清楚的记得在第一次从跳台上跳水之后肚皮肿了有多高~推而广之，从几千米的高空掉入水中，结果可想而知。明显水的“软”并不是砸不伤人的原因呀。（下次千万不要再说找块豆腐撞死算了，高速运动的豆腐真的可以撞死人……）

这样可以得到一个结论，高空落下的水之所以不会砸死人，是因为它的速度不够。更确切的说，是因为它的动能不够（稍微严格一些的推导是酱紫的：简化模型，假设水滴砸人的过程中，“砸人”的力是均匀的，水滴“砸完”人之后动能近似为零，由E=F*s可知，在水与人接触的长度s近似相等时，能量越大砸人的力F越大，人也就越疼了）。那它的动能小，又是什么原因导致的呢？

作为一个物理所公众号问答专栏的铁杆粉，记得一期有个问题是为什么蚂蚁从高空落下不会摔死。

专栏编辑给出的专业回答中有这样一部分：物体的质量是与体积（即线度的三次方）成正比。而物体受到的空气阻力是与面积（即线度的平方）和速度成正比的，因此在空中降落的物体的最终速度是和物体的线度成正比的。前面说的这段话跟绕口令似的，简单（但不严格）的结论就是：在密度一定时，越大的物体下落时的最终速度越大。

相信每个人都有这样的经验，从高处倒下来的水，都会散成水滴。推而广之，从高空（可以让水滴达到最终速度那么高）倒下的水，都会散成小水滴。小水滴的线度很小，它的最终速度也就不会很大了，加上它的质量很小，在落地时，它具有的动能（E=mv^2/2）就非常小了。这样小的动能，确实不会对人体造成伤害。

至于水会散成小水滴，这是由于水这种液体是靠氢键和分子间作用力将分子“黏”到一起形成水的。这种力相对来说很弱，在水下降的过程中，最下层的水直接受到空气阻力，速度变慢，会导致上层速度比较快的水想从旁边“超车”。这就致使水越来越薄面积越来越大，而最终薄薄的一层水膜就被空气阻力“割裂”了。

基于以上讨论，可以设计这样一个实验：找一个能保持形状的正方体空腔轻质薄膜（简单说就是类似纸杯的东西），这样的薄膜从高空中落下来最终速度会很小，照样不会“砸伤”人。然后在里面放满水，再从高空中落下来，依然不会砸伤人？答案是否定的。

其实高空降落的水滴，不会砸伤人，但是对于其他生物呢？比方说蚊子之类的？水滴落地时的动能对人不会造成伤害，但是对于像蚊子这样的小生物，那就想一辆高速行驶的卡车对于老鼠一样。如果蚊子刚好在地面上被砸中的话，它确实是会被砸伤甚至砸死的。

老美就有人研究过这个问题。他们在玻璃箱内模拟了下暴雨的场景，并用快速抓拍的摄像设备拍下了全过程。结论是蚊子能轻松逃脱。这是因为它们身体非常轻，又是飞行高手，当雨滴从正面、侧面等多角度砸下来的时候，蚊子通过侧飞、翻跟斗等多种形式顺利化解了雨滴的冲击力。

当然，也有蚊子被雨滴正面砸中的情况，然而只要不是蚊子倒霉的正好在地面被砸中，它还是有自己的解决办法。详细的讨论参见2015年“菠萝科学奖”物理学奖：蚊子为什么不会被雨滴砸死（佐治亚理工学院生物力学实验室首席科学家胡立德博士）。

这就是进化的结果吧。笔者不禁感叹：真是物竞天择适者生存。

作者：可爱的你

审校：ikkiikki

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