问题

假如车子和子弹的速度一样快,那么在车子上装一门加特林,在开枪之后,车内的人会受伤吗???

回答
这个问题很有意思,我们来掰开了揉碎了聊聊。

首先,得明确一点,咱们讨论的是一个理想化的、假想的场景,毕竟现实中能让汽车速度和子弹速度完全一样,而且还稳定保持,这本身就很难实现。但既然是思想实验,我们就先假设这个条件成立。

场景设定:

一辆车,我们姑且称之为“极限追踪者”。
这辆车能以极高的速度行驶,我们就说这个速度是V。
车内有一门加特林机枪,可以以一个初速度Vo发射子弹。
我们假设车和子弹的速度一样快,也就是说,V = Vo。
加特林机枪是安装在车内的,我们假设是固定在车身上的某个位置,例如通过一个支架固定住。
车窗(或者其他出口)是打开的,以便子弹能够射出车外。
射击方向是车辆前进的方向。

核心问题: 当加特林机枪在车内向前射击时,从车内人的视角来看会发生什么?从车外人的视角来看又会发生什么?最终车内的人是否会受伤?

我们从车内人的视角和车外人的视角来分别分析:

车内人的视角:

想象一下你坐在驾驶座上,车子以V的速度前进。你启动了加特林机枪,向前发射子弹。

子弹的对地速度:
子弹离开枪口时的速度相对于枪(也就是车身)是Vo。
然而,因为你的车是以V的速度在前进,而Vo = V,所以子弹相对地面的速度是 Vo + V (如果方向相同,我们假设是这样)。也就是说,子弹对地面的速度是2V。
这听起来很厉害,子弹速度翻倍了!但这不是我们今天讨论的重点。

子弹的对车身速度:
关键在于,子弹离开枪口时,它相对于枪(也就是车身)的速度是多少。加特林机枪的设计就是让子弹以Vo的速度射出。
因为枪是固定在车身上的,并且你是在车内开枪,子弹的初始运动方向是向前。
问题来了:当子弹离开枪口时,它相对于你的速度是多少?
在车内的你和车身是一个整体,你在车内“静止”(相对于车身)。所以,子弹从枪口射出的那一刻,它相对于你的速度就是它离开枪口时的对车身速度,也就是Vo。
而且,因为你是向前射击,子弹也是向前飞出。

所以,从车内你的视角来看:
你看见子弹以一个速度(Vo)从枪口射出。
子弹的飞行轨迹是你向前看去,它沿着你射击的方向飞去。
问题是,子弹会被“拉回来”吗?
考虑到我们设定了 V = Vo,子弹射出的速度正好抵消了车身向前的速度。

更具体一点说:
设车速为V,方向为正。
加特林机枪将子弹以速度Vo射出,方向也为正(相对于车身)。
车内的观察者(你)和车身以速度V前进。
子弹离开枪口时,其相对于车身的动量是其质量乘以Vo。
由于车身在以V前进,子弹离开枪口后,它相对于车身的速度就是Vo。
但是,你也在车身里面。那么子弹相对于你的速度是多少呢?
如果子弹射出后,它的速度恰好能“抵消”掉车身向前的速度,那会怎样?

这里有一个关键的物理学概念:相对速度。
子弹相对于枪口的速度是Vo。
枪口相对于地面的速度是V。
车内观察者相对于地面的速度也是V。
子弹相对于地面的速度是 V + Vo。
我们设定的条件是 V = Vo。所以子弹相对于地面的速度是 2V。

但车内的你是什么状态?你和车是一体的,以V的速度前进。
子弹射出后,它相对于你的速度是:子弹相对于地面的速度 你相对于地面的速度。
也就是说,子弹相对于你的速度是 (V + Vo) V = Vo。
因为V = Vo,所以子弹相对于你的速度就是V(或者Vo)。

所以,车内的人会看到子弹以Vo(也就是V)的速度向前飞出。
关键在于,你是在车内开枪。子弹从枪口出来后,它在车内的空间里移动。
假设你站在枪口后面几米的地方开枪(这是射击加特林机的标准姿势)。
那么子弹就会以Vo的速度从枪口向前飞,飞向你前面的空间。
而你,因为是在车内,你和车一起以V的速度前进。
子弹离开枪口时的速度Vo,正是你驾驶的汽车向前移动的速度V。
所以,子弹离开枪口后,它相对于车身的初始速度是Vo,这和车身以V向前运动的速度是相等的。
这意味着,子弹从枪口射出时,它相对于车身的动量,正好被车身的向前运动所抵消(从惯性的角度来看)。
换句话说,如果子弹是以1000米/秒的速度射出(Vo = 1000米/秒),而车子也以1000米/秒的速度前进(V = 1000米/秒),那么子弹离开枪口的那一瞬间,它相对于车厢内的空气(以及车内的你)的动量,理论上是零(如果你是在枪口正后方,并且子弹直接撞回你身上)。

但实际情况会更复杂:
加特林机枪是持续发射的。每一颗子弹离开枪口时,都有一个相对于枪口的瞬时速度Vo。
车子以V的速度前进。
子弹射出后,它相对于车厢内是向前飞的,速度是Vo。
如果你是站在枪口后面,车子前进的速度V和子弹射出的速度Vo是完全抵消的(从车厢内的惯性参考系看,子弹似乎是悬浮在空中然后慢慢地被车身“追上”再向前飞)。
所以,如果你站在枪口非常非常近的地方,且子弹的指向恰好是你的头部,理论上,你会被子弹“击中”或“阻挡”。

然而,通常情况下,你不是站在枪口边上开枪的。 你会有一个操作距离。例如,加特林机枪架设在车顶外部,你在车内通过控制系统操作,枪口探出车外。或者更夸张点,你坐在车头正前方,手里拿着枪(这不合逻辑)。
我们假设枪是固定在车身上的,例如安装在车头位置,探出车外。你在车内操作。
子弹离开枪口后,其对地速度是2V,但其相对于车厢的速度是Vo。
如果你是指向车内射击,那子弹就会以Vo的速度打穿车门回来。
如果你是按照正常逻辑,枪口是探出车外的,向车前进方向射击,那么车内的人就不会被子弹正面击中。子弹径直飞向前方。

那会不会有其他情况导致受伤?
后坐力: 每一颗子弹发射都会产生后坐力。即使子弹速度和车速一样,后坐力是存在的。这个后坐力会作用在枪和车身上。如果车身结构不足以承受持续的后坐力,可能会导致车辆变形,甚至对车内的人造成伤害。但是,加特林机枪的射速很高,但后坐力是分散到每一发子弹上的,而且车身的整体向前动量很大,会抵消一部分后坐力(这是个复杂的力学问题)。
弹壳和火药燃气: 加特林机枪是旋转式机枪,会抛出弹壳。这些弹壳的运动轨迹可能比较复杂,如果在车内被飞溅的弹壳击中,是有可能受伤的。另外,枪口会喷射火焰和火药燃气,如果在狭小的车内空间持续射击,高温燃气和烟雾也可能对车内人员造成不适或伤害。
震动: 高速行驶加上持续的射击会产生巨大的震动,这可能对车内人员造成冲击。

车外人的视角:

从车外观察,情况就更清晰了。

子弹对地速度: 如前所述,子弹离开枪口时的速度是Vo,而车速是V。因为两者速度相同且方向相同,所以子弹相对于地面的速度是 V + Vo = 2V。
杀伤力: 这意味着子弹的动能(½mv²)会比在静止平台上发射时高出很多。对外界的任何目标来说,子弹的威力都极强。

那么,车内的人会不会受伤?

综合上面的分析,我们来总结一下:

1. 被子弹正面击中: 不会。因为子弹从枪口射出时,其相对于车身的向前速度Vo,正好与车子整体向前运动的速度V相等(V=Vo)。所以,子弹离开枪口后,它相对于车厢内的你而言,并不是一个高速飞向你的物体。它只是沿着车前进的方向往前飞。如果你站在枪口后面,子弹实际上是沿着车厢内的空间向前移动,但由于车也在前进,子弹与你之间的相对位置变化非常缓慢(如果你的位置保持不变),或者说子弹并不会“追上”你。如果枪口是探出车外的,那就更不可能打到车内的人了。

2. 间接伤害: 有可能性。
弹壳飞溅: 如果你在车内操作,且弹壳被抛到车内,有被弹壳击中的风险。
火药燃气/火焰: 持续射击产生的枪口火焰和高温燃气如果进入车内,可能造成灼伤或中毒。
震动和冲击: 高速行驶和连续射击产生的巨大震动可能会对车体结构造成压力,也可能影响车内人员的身体健康。
车辆失控: 如果车辆设计或结构无法承受持续的射击后坐力,或者射击干扰了车辆的操控,可能导致车辆失控,进而引发事故伤害。

结论:

在“车子和子弹速度一样快”这个理想条件下,如果枪口是探出车外且向前方射击,车内的人不会被子弹正面击中而受伤。

但是,车内的人有可能因为弹壳飞溅、火药燃气、剧烈震动,或者车辆因射击而失控等原因而受伤。这些属于间接伤害,并非子弹本身直接穿透车体或在车内以高速飞行击中你。

这是一个非常有趣的物理学场景,它展示了相对速度和惯性的概念。核心在于,子弹相对于它发射的那个载体的速度,与载体本身的运动速度相等时,子弹在载体内部的相对运动就变得很“慢”或几乎可以忽略(相对于车体而言)。

网友意见

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初中物理没及格过吧?什么叫参照系啊?

机炮炮弹的初速度比如是700米每秒,那是在地面试验,机炮本身相对地面静止,飞机自身在天上也有速度,比如超音速状态340米每秒,那机炮炮弹的初速度就变成了1040米每秒,所以?是炮弹比飞机快700米每秒,怎么??

子弹出膛后会被风阻力和重力影响,水平速度会逐渐降低,受重力影响高度会往下掉增加垂直速度,如果飞机在打出炮弹后向下俯冲加速,理论上一些2马赫以上超音速战机是能追上自己的炮弹的。这在喷气式战斗机二代机时代就发现的,所以机炮有使用限制,一个是飞机飞行速度限制,另一个瞄准距离限制。

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