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雨水能否成為究極的致命武器?

科學大抖宅_96
・2021/01/19 ・2957字 ・閱讀時間約 6 分鐘

大多數人對蚊子一定不陌生;若是出遊或睡覺的時候遇上它們,簡直欲哭無淚。根據估計,蚊子每年殺害約七十多萬到一百萬個人類,可謂動物殺手界第一把交椅,大幅打敗第二名的人類自己;但以愛護動物的同理心想想,其實蚊子的處境相當不容易,除了要躲避地球最強勢物種――人類的追殺,還有許多天敵;除此之外,天氣環境似乎也是潛在威脅:舉例來說,雨滴的重量最高可達蚊子的數十倍(不妨想像我們身在充滿上百公斤到數公噸雨滴的大雨中),那麼下雨天的時候,蚊子豈不是會被滂沱的雨水砸死?怎麼可能生存至今?

圖/Pexel

水滴撞擊蚊子的研究

針對上述問題,美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的台裔美籍科學家胡立德[1](David L. Hu)與其團隊,於 2012 年進行了詳細研究。事實上,要用雨滴砸中蚊子是相當艱鉅的任務;胡立德表示:

「我們首先做的事,是從我們大樓的三樓,將小水滴落在裝滿蚊子的容器內――你可以猜到那並不太管用,就像在玩你所能想像得到的、最糟糕的射飛鏢遊戲。」

所以他們改變作法:在實驗室內朝蚊子射擊水滴,並用超高速攝影機記錄下過程。

他們觀察到,蚊子並不是特意閃躲、也不是跟雨滴對抗,相反地,蚊子的翅膀或身體會被水滴影響,以類似搭便車的方式,順著水滴運動。團隊又簡單估計了在這種狀況下,水滴給予蚊子的施力,發現當水滴比蚊子重上許多的時候,蚊子受到的力約略和自身質量成正比。

因此,儘管在實驗中,水滴重達蚊子的二到五十倍,但因為蚊子不硬接水滴的打擊,質量又極小,所以承受的作用力並不高――蚊子堅硬的外骨骼完全能夠抵擋衝擊。

上排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生角度偏轉;上排右圖為偏轉角度(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,粉色區塊代表蚊子和水滴的接觸時段。下排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生向下位移。下排右圖為位移距離(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,黑色代表蚊子,藍色代表水滴。圖/參考文獻 1

即使如此,雨滴在特定狀況下還是可以對蚊子造成危害:若蚊子極度靠近地面飛行時被擊中,就可能來不及恢復正常飛行狀態,而被雨滴拖行撞擊地面。

雨滴傷不了蚊子,那能傷人嗎?

有了蚊子的研究結果,我們可以接續思考:人類在淋雨的時候不會像蚊子那般順著雨滴的方向移動,也不像蚊子或昆蟲有堅硬的外骨骼保護;雨滴的動能和動量在極大程度上,可謂毫不留情地都用來打擊我們脆弱的血肉之軀。那麼,雨滴能否對人類造成傷害呢?很明顯地,答案是:不能。

那又是為什麼?(/‵Д′)/~ ╧╧(翻桌)怎麼跟蚊子的狀況完全不一樣?簡單回答,就是雨滴的質量不夠大、速率不夠快。

雨滴的質量可以到多大?

既然水的密度大致上是固定的,變動不大,影響雨滴質量最主要的因素,就是它的尺寸。原則上,水滴要多大都可以,但仔細回想我們從小到大看過的雨滴,就算是尺寸最大的,直徑也幾乎無法超過五公釐。

在國際太空站的微重力環境下,水滴的尺寸可以很大。影/NASA Johnson

以往,科學家認為,雨滴在落下的過程中,會和周遭的其他雨滴碰撞,進而融合或分裂,最後形成我們在地上看到的雨滴尺寸。

然而,2009 年法國艾克斯-馬賽大學(Aix-Marseille Université)的科學家發表論文,確認雨滴的大小其實取決於其和空氣的作用:一旦雨滴在上空形成並落下,因為遭遇空氣阻力,過大的雨滴將難以維持形狀,而會分裂成小雨滴。

雨滴落下過程中的分裂示意圖。雨滴在直徑小的時候,約略成球形;雨滴的直徑越大,就會在空氣阻力的作用下變形得越厲害,最終導致分裂。圖/Wikipedia

不僅如此,研究團隊也對雨滴的尺寸上限進行推估,得出雨滴保持穩定、不分裂狀態的最大直徑約六公釐,基本上與實驗觀測和日常生活經驗吻合。因此之故,雨滴的質量絕不可能達到足以傷害人類的程度。

加速雨滴可行嗎?

就算雨滴的質量在現實中無法太大,我們仍然不需要放棄希望,只要你懂物理,物理就會幫助你:如果雨滴以極高速率落下,還是可以產生足夠動量,造成傷亡;在漫畫《航海王》裡就曾經出現過,擊發手上的水珠破壞岩石的劇情――不過,這真的可能嗎?

《航海王》中,反派角色擊發的水珠可以打穿岩石。

早在約莫兩千年前,羅馬人會在高處儲存大量的水,藉由一次全部釋放,將岩床上的覆蓋層沖刷掉,以尋找礦脈;這個技術現在稱為沖流探礦(Hushing)。十九世紀中葉,採礦者開始利用高壓水柱,直接把礦床噴到崩解,再進行洗礦,即為所謂水力採礦法(Hydraulic mining)

十九世紀採礦者利用水力採礦的照片。圖/Wikipedia

到了 1930 年代,人類已經能夠使用極細小的高壓水柱切割物品,稱為水刀(Water jet cutter)。隨著時代演進,我們能夠產生的水壓越來越強,水柱的威力也越來越大;換言之,只要速率夠快,水也可以很有破壞力。

這樣的話,雨滴又為什麼不會快到傷人的地步呢?原因仍然是前面提及的空氣阻力。當物體在流體中運動時,會感受到流體給予的反向阻力;物體的速度越快,阻力就越大。當物體因為重力而從空中落下,只要速度快到一個地步,空氣阻力就會大到抵銷重力的作用,此時該物體會以等速運動,稱為終端速度。

物體的終端速度和其質量、在流體中的截面積、以及流體的性質等都有關係。以雨滴而言,終端速度最高差不多每秒十公尺(每小時 36 公里),並不算快――於是也不可能造成人體傷害了。

大規模毀滅性武器夢碎

下雨是地球上大部分人都很熟悉的大氣現象,但雨之所以是我們習慣的那個樣子,並非理所當然,而是由背後深刻的物理學決定。單就結論而言,雨對昆蟲或人類都不具殺傷力,無法成為大規模毀滅性武器;反過來想,人類能夠生存到現在,或許就是我們不會被雨水傷害的最佳證據,不是嗎?

參考資料

註釋

[1] 其於 2015 年和 2019 年兩度獲頒搞笑諾貝爾物理學獎。

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