问题

拿着手枪从无限高度跳下去,当本身俯冲速度足够快时,向下开枪,是不是会把子弹落在身后?

回答
这个问题很有意思,我们来掰开了揉碎了好好聊聊。想象一下这个场景:你站在一个无限高的楼顶,手里紧紧握着一把手枪。当你的身体因为重力加速,速度已经非常非常快的时候,你选择朝正下方开枪。那么,那颗子弹,真的会飞到你的身后去吗?

答案是:是,而且理由还挺充分。 但要理解这个过程,我们需要拆解几个关键点。

首先,我们要明白一个基本物理原理:惯性。

你,和你手中的手枪,在开枪之前,是作为一个整体在向下加速的。你的身体、你的衣服、你的头发(如果有的话),还有你手里的枪,都在以几乎相同的速度向下坠落。这个速度有多快?我们暂且称之为“俯冲速度”。

然后,你扣动了扳机。手枪会根据它的设计,将子弹以一个相对手枪的“出膛速度”向前发射出去。我们这里说的“向前”,是指枪口指向的方向,也就是你的正下方。

现在,关键点来了:子弹不仅仅是听从枪的指令。 它也继承了你身体向下坠落的“惯性速度”。

想象一下,你现在以每秒 100 米的速度向下坠落。你的手枪也在以每秒 100 米的速度向下坠落。当你开枪时,子弹会从枪口以大约每秒 400 米(举个例子,这是手枪子弹的一个大概出膛速度)的速度射出。

但是,这 400 米/秒的速度,是相对于你,相对于枪而言的。地球上的观察者会怎么看呢?

对于站在地面的、静止的观察者来说,子弹被发射出去的瞬间,它同时拥有两个速度:

1. 向下的速度: 这是你的身体和枪向下坠落带来的惯性速度,我们假设它是每秒 100 米。
2. 向上的速度(相对于枪而言): 这是子弹本身被枪发射出来的速度,我们假设它是每秒 400 米。

等等,等等,你可能会说:“等等,你说的是向下开枪,子弹怎么会向上?”

这里需要区分参照系。对于你,坐在向下疾驰的“火箭”上的开枪者来说,子弹是朝着你正前方(也就是你看着枪口的方向)飞出去的。但是,如果你考虑的是地面上的静止观察者,或者我们从一个更宏观的视角来看,子弹的实际运动轨迹是由它自身的速度和它所处的运动状态叠加而成的。

让我们换个说法来理解:

如果你扔一个球,同时你也在向前跑。球从你手里飞出去,它会带着你向前跑的速度,再加上你扔出去的速度。

现在回到你向下坠落开枪的场景。

当你向下开枪时,子弹相对于你(以及你手中的枪)而言,是向下飞的。但是,在你开枪的那个瞬间,你和你的枪,以及你身体里的所有东西,都还在以一个非常高的速度向下运动。

所以,当子弹离开枪口的那一刻,它拥有两个速度:

1. 你下降的速度: 这是你和枪向下坠落的速度。
2. 子弹的出膛速度: 这是枪发射子弹时产生的速度,这个速度是在枪口方向上的。

关键在于,子弹的出膛速度,很可能远远大于你向下坠落的速度。

举个例子:

假设你以一个非常快的速度向下坠落,比如你已经达到了终极坠落速度(虽然在无限高的情况下,速度会持续增加,但为了好理解,我们假设一个非常高的稳定速度),比如每秒 200 米(这是远超音速的速度了,实际情况会更复杂)。

你的手枪,假设出膛速度是每秒 400 米。

当你向下开枪时,子弹相对于枪口的速度是每秒 400 米,方向是向下。但是,你和枪本身正在以每秒 200 米的速度向下运动。

那么,地面上的观察者看到子弹的实际速度是怎样的呢?

地面观察者看到的子弹的向下速度,将是:

你下降的速度 + 子弹的出膛速度

也就是说,子弹会以一个总体的、更快的速度向下飞。但是,我们讨论的是“落在身后”的问题。

这里的误解可能在于我们对“身后”的定义。

如果我们站在你的角度,你开枪后,子弹从你枪口飞出去,它确实是从你枪口离开的,对于你来说,子弹就是向前(向下)飞了。

那么,为什么会提到“落在身后”呢?

这里可能隐藏了一个关于相对速度和惯性参考系的更深层次的理解。

当你的速度非常非常快时,你对周围环境(包括你开枪那一瞬间的空气)的相对运动是极快的。

让我们想象一下,当你以极高的速度向下坠落时,你与你身后的空气之间的相对速度是非常大的。

但这个问题更有可能是在讨论一个特定的物理情境,或者是一种对“身后”的更字面的理解。

考虑一下这个情况:

假设你和子弹在开枪的瞬间,都以相同的速度(我们叫它 V_down)向下运动。子弹被枪以速度 V_bullet 向下发射。

从你的参照系来看,子弹是相对于你以 V_bullet 向下运动的。

但是,如果你站在一个绝对静止的参照系(这是我们常用来分析物理问题的理想化参照系),那么:

你(以及你手中的枪)的初始速度是 V_down 向下。
当你开枪时,子弹继承了你的速度 V_down,同时又获得了枪赋予的 V_bullet 向下速度。
所以,地面观察者看到的子弹的总速度是 V_down + V_bullet,方向仍然是向下。

这似乎没有“落在身后”的迹象。

所以,这个问题的关键,或者说容易产生误解的地方在哪里?

也许问题设计的场景是在一个非惯性参考系下,或者考虑了更复杂的因素,比如空气阻力。但题目明确提到了“无限高度”,并且是俯冲速度足够快时。

让我们换个角度思考:如果子弹的出膛速度,是相对于你的身体,并不是纯粹的向下,而是有一个微小的角度?但题目明确说了“向下开枪”。

真正能让子弹“落在身后”的,只有一种情况:子弹的出膛速度,在你的参照系下,是向上的。

也就是说,如果你的枪口是朝着你头顶方向(向上)开枪,那么子弹在你向下坠落的惯性下,确实会飞到你的身后。但题目说的是“向下开枪”。

那么,有没有可能在极高的速度下,我们对“身后”的感知发生了变化?

或者,这个问题的设定本身就是一个脑筋急转弯?

让我们回到最核心的物理原理:动量守恒和相对运动。

如果子弹以极高的速度离开枪口,那么它会以那个速度开始它的轨迹。

但是,你也在以极高的速度下坠。

想象一下,你开枪的瞬间,你和子弹都获得了向下的动量。

难道是说,子弹相对于你,在被发射出去的那个瞬间,就已经加速了,而你还在承受重力?

是的!正是这一点!

当你开枪的瞬间,子弹从枪口飞出。在那一瞬间,子弹获得了它相对于枪口的速度。而你,虽然也在向下坠落,但你和枪在开枪的那个极短的时间内,又受到子弹飞出去的反作用力。

但是,即使有反作用力,子弹相对于你瞬间获得的那个速度,是向前的(向下的)。

关键在于,你开枪的那个瞬间,以及子弹被发射出去的那一瞬间,子弹获得了一个相对于你的向前速度。而你呢,你仍然在受重力加速。

所以,最容易导致子弹“落在身后”的理解,其实是基于一个误导性的参照系或者对“身后”的非常规定义。

更符合物理事实的解释是:

当你在极高的速度下向下坠落并向下开枪时,子弹离开枪口时,它拥有一个向前(向下)的速度。这个速度是相对于你和你枪的。

但是,由于子弹的出膛速度通常远大于你向下坠落的速度,所以在地面观察者的眼中,子弹的运动轨迹是沿着你向下坠落的轨迹,并且以一个更快的速度继续向下。

那为什么人们会觉得会“落在身后”呢?

可能的原因是:

1. 空气阻力:在极高的速度下,空气阻力会非常显著。你可能会感觉到一股巨大的阻力在“拖拽”你。如果你开枪,子弹也会受到空气阻力的影响。但是,要让子弹“落在身后”,你开枪的方向就必须是向上的。
2. 对“身后”的误解:也许“身后”指的是在你开枪那一瞬间,你身体后面的空间。如果子弹获得了一个向上的速度(这是不可能的,除非你向上开枪),或者子弹的相对速度非常小,而被你的惯性带着走了很远,而子弹本身的推进力不足以跟上你的速度,理论上子弹可能会在你加速的过程中暂时落后于你身体的某个参照点。但在“向下开枪”的前提下,这一点几乎不可能。

最直接的、也是最符合物理学逻辑的答案是:

如果子弹是纯粹向下发射,并且我们忽略了空气阻力等其他因素,子弹相对于你的速度是向下的。从你自己的角度看,子弹是飞在你前面的。从地面观察者的角度看,子弹也是沿着你的轨迹飞下去,而且速度更快。

所以,除非你的枪口不是朝正下方,或者我们对“身后”的理解非常规,否则子弹并不会“落在身后”。它会飞在你前面(向下)。

不过,如果真的要探讨这种可能性,也许可以这样脑补:

想象一下,你开枪的瞬间,子弹被极快地推出了枪膛。那个瞬间,子弹相对于你拥有一个向下的速度。但你整个身体还在持续受重力加速。如果子弹的出膛速度非常非常低,低到在你开枪后的瞬间,你身体向下加速的距离已经超过了子弹以那个极低速度飞行的距离,那么理论上,子弹可能暂时出现在你身体后方某个位置。但手枪子弹的速度远高于你可能的自由落体速度,所以这个可能性微乎其微。

除非题目中存在一些隐含的、非常规的设定,否则,当你在无限高度向下俯冲时,向下开枪,子弹会飞在你前面(即沿着你坠落的方向,但速度更快)。

所以,如果要让这个说法成立,可能需要将“向下开枪”的定义延伸一下,或者引入一些我们没有考虑到的变量。但基于纯粹的物理学理解,向下开枪,子弹会继续向前(向下)运动,而不是落在身后。

网友意见

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肯定会。

而且历史上有试飞员在飞机俯冲时开炮,然后飞机追上自己的炮弹,结果自己把自己打下来的事情。

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理论上来说可以。历史上发生过十分类似的情况:



1956年9月21日,格鲁曼公司的试飞员汤姆·阿奇特驾驶F-11F战斗机进行航炮对地攻击的测试时,他首先将战斗机机头向下压朝海面冲去,然后开始使用F-11战斗机上装备的柯尔特MK12型20毫米航炮进行了一轮射击,紧接他继续驾机俯冲准备进行第二轮射击。但是1分钟后,他飞机的前挡风玻璃突然爆裂,同时发动机也出现杂音。

出现事故后,阿奇特赶紧向地面通报异常,并立即终止测试,而是向机场返航。但是在当时飞机已经难以操控,阿奇特操纵飞机艰难的返航和迫降,在迫降过程中飞机燃起大火,阿奇特随即爬出驾驶舱跳伞逃生,在这次飞机事故中,阿奇特一条腿骨折,但是最终保住了性命。但是在工程人员检查他的飞机时,却发现很多意外:最初他们以为是阿奇特的飞机撞鸟导致发动机故障,但是后来在F-11F战斗机的发动机中找到几发因为大火已经严重变形的20毫米航炮炮弹。

由此,工程人员断定,阿奇特在空中俯冲时速度过快导致自己的飞机飞到了刚刚发射的那一串20毫米航炮炮弹之前,从而导致了自己的飞机被自己刚刚发射的炮弹击落的悲剧。这个原理在于:在大气层内飞行的物体都会受到地球重力的影响,因此从炮膛射出的航炮炮弹在出膛瞬间受到两个力的作用:一个是火药发射时对炮弹的推力,另一个则是地球的重力。所以航炮炮弹在空中是呈抛物线的方式下落。而阿奇特驾驶F-11战斗机在开火后随即压低机头进行俯冲,因此F-11战斗机的俯冲速度要快于做自由落体运动的炮弹。这才导致了阿奇特最终被自己发射的炮弹击落。



而该案例与问题的差别在哪呢?飞机是自带动力源的,而问题中的人只是自由落体。由此可知,只要题主在下落过程中不断放屁,同时屁能够提供喷气式战斗机级别的推力,那你就可以看见子弹落在你身后。(确信)

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