人类现在或未来有可能飞到宇宙边缘吗?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-02-24 12:28:38

本文讨论了人类是否可能飞到宇宙边缘的问题,并探讨了与宇宙、物理现象相关的一些问题,如地球上的上下概念、围墙上行走的平衡、水流不易结冰的原因等。

如果我们把视野放在宇宙中,从月球上看地球,那么如何定义“上”和“下”呢?我们会发现地球是一个球形,对于地球来说没有所谓的上下,从各个方向来说都是一样的。而对于地球上的人来说,由于受到地球的引力作用,头上是天空,脚底是大地,所以有了上下的感觉,所以南半球北半球都是脚踏大地即为下。

在空间站中,由于失重的原因,所以宇航员们没有上下的概念,但是为了跟地球上保持一致,一般会使航天器底部为下,给仪表盘按统一方向设置。

人在围墙上张开双臂,是为了防止重心偏移导致跌落,这跟走钢丝时使用长杆子是基本相同的道理。当我们在较为狭窄的墙面上行走时,我们的重心是很容易偏出墙外的。

当我们的中心在墙外时,以过支撑腿与墙面接触点的直线为轴做力矩分析的话,我们可以看出此时墙体对人体支撑力的力矩为0,而重力由于重心偏出墙面会产生净力矩,这样人体由于力矩不守恒,就会向重心偏移的方向倒下。而当我们张开双臂时,我们可以通过调整双臂的位置来调整人体所受力矩。

例如,当我们感觉身体的重心过于偏右时,我们可以将左臂展开,通过左臂的重量来调节自身整体的重心位置,使重心重新回到墙面范围内,这样所受的和力矩为零,人就不会失去平衡倒下了。

流动的水面不易结冰,并非因为流动使水的凝固点降低。

平衡态下物质同时具有最大化熵和最小化内能两种趋势,而液体的凝固正来源于能量与熵的竞争:高温下,熵占据主导地位,分子排列混乱从而具有更高无序度的液相稳定,而低温下,能量占据主要地位,分子排列有序从而具有更低内能的固相稳定。因此,在温度降低至凝固点时,平衡相就会从液相向固相转变,也即发生凝固。由此可见,凝固点决定于物质的微观组成和相互作用,和宏观尺度的流动几乎无关。

流动的水面不易结冰,也并非是因为液体的动能通过内摩擦转化为了内能。物质的微观热运动速度比宏观大得多,因此一般情况下宏观动能相比于内能变化微乎其微。可以估算,1千克水以10米/秒高速流动,其动能完全转化为内能,放出的热量若完全被自己吸收,只能使温度升高不到0.1℃;若放出的热量完全转移至冰面,只能融化不到0.2g的冰。因此,要用水的动能阻止结冰,可以说是杯水车薪。

然而在生活中,常观察到河面大部分已经封冻,然而桥墩等处依然有流动的水面。这一现象主要由两个原因引起。首先,桥墩处的水深通常比较大,周围环境温度低于冰点时,是河岸附近较浅的水域率先降温至冰点以下,因而结冰也通常从河岸开始。

其次,即使同样位于河心,桥墩附近等水流湍急的位置依然更难结冰,这是因为在这些位置,水体内部的热交换除传导外,还有较强的强迫对流,使得水面和水底的热交换效率大大提高,各个深度几乎具有相同的温度。因此,在水流湍急处结冰,就需要从水面到水底,均降至凝固点以下,这无疑使得结冰更加困难。

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