03.01 如果地球上挖了一個洞,出口在地球的另一端,一個人跳進洞中,他會怎樣運動?

文學痞子


對這個跳下去的人作一個受力分析。

剛跳入洞口的時候,這個人肯定是以重力加速度向下墜落,速度越來越快。但是隨著人在洞中越墜越深,它受到的地球的引力是越來越小的。因為在地球表面的時候,地球在人的腳下,受到的地球引力的合力是豎直向下指向地心的。但是在地球內部,這個問題就變得複雜起來了,因為人的上下左右都是地球的質量,那此時人受到的地球重力是怎樣的?

假設此時人掉落的深度是H,地球半徑是R,其實利用積分可以得出一個結論,此時人受到的地球重力,就相當於人站在一個半徑為(R-H)且平均密度和地球相當的一個星球上所受到的重力,就是上圖中紅色圓圈所示。也就是說人的重力正在逐步變小,因為人上方的地球質量對人的萬有引力抵消了一部分人下方地球質量的萬有引力。

所以在到達地心之前,人是在做加速度逐漸減小的加速直線運動的。

當到達地心,人受到的地球引力來自於四面八方,而且每個方向的引力相同,因此引力相互抵消,所以此時人受到的地球引力為0,這時人的運動速度達到最大。再往下掉,頭頂上方的地球質量越來越多,於是重力開始變為向上,而且越來越大,和人的運動方向相反,這樣人就開始做加速度逐漸增大的減速運動。直到運動到另一個出口時,速度正好為0。接下就開始向上墜落,這樣週而復始,人就在洞中一直來回,像彈簧振子一樣來回震動。

上面的這個分析是不考慮空氣阻力的情形,如果考慮空氣阻力的話,就會有能量損耗,所以人在第一次跳入洞口後,是不能達到另一個出口的,在另一個出口之前就開始向上運動了,而且每一次往復振動離地心越來越近,經過很長的一段時間後,永久的停留在地心。

當然,地球內部溫度高達上千攝氏度,地心溫度更是達到了5000多攝氏度,如果真有這樣一個洞的話,人跳下去還沒到地心了就化成灰燼了。

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熊貓愛飛行


那得看是從南極到北極還是赤道上,如果是從南極到北極的話,那麼他從南極開始到了北極,它如果不上到地面上會又掉到這個洞裡,然後穿到南極,他不上到地面上再掉到這個洞裡,這樣下去就會無限循環。

但是如果是在赤道上的話,那就得考慮地球的自轉了,這時他跳進洞中,因為地球的自轉,所以它在到達地核之前會越來越朝邊上走,最終到地核中,將會砸到邊兒上,永遠呆在那個洞中。



所以如果在地球上挖了一個洞,出口,在地球的另一端,一個人掉到洞中,如果是從南極到北極的話,那麼他將會無限循環的走,如果是赤道上的話,它會停在地核中。


文史大世界


考慮最理想的情況,這種運動方式可以計算出來。

首先,為了排除地球自轉對下落的影響,這個洞要貫穿地球的地理南北極點,這樣就無需考慮科里奧利效應。然後,忽略空氣阻力和地球內部熱量的影響,並假定地球的密度均勻。

我們可以分析一下一個質量為m的人距離地心為r時的受力情況。根據高斯定理可知,處在人上面的球殼對人的引力作用之和為零。處在人下面的實心球對人施加的引力F可由牛頓萬有引力定律計算出來:

在上式中,G為萬有引力常數;M為人與地心相距為r時的那部分地球質量,這部分質量可由體積乘以平均密度ρ計算出來:

從而可以推導出如下的公式:

如果令k=4πGρm/3,則上式可表達為:

F=kr

上式的形式正是我們在中學物理中所學過的簡諧運動。可以想象,在地球引力的作用下,從地球極點一端跳下去的人的下落速度會變得越來越快,直到地心,速度達到最快。然後,又在地球引力的作用下,人的下落速度逐漸減慢,直到極點另一端,速度降為零。隨後,人又會被地球引力拽向地球另一端,不斷重複運動。簡諧運動的週期T可由下式計算出來:

由此可以計算出週期為84分鐘,這意味著無論人的體重為多少,他從地球極點的一端掉到另一端的時間都是42分鐘。


火星一號


別以為你會在地球另一頭洞口冒泡←_←

由於地球各處質量密度是不均勻的。所以當你垂直挖一個洞穿過地球是無法保證凍的截面一直保持在重心上。因此如果你發的東西垂直的話,但你的下落不是垂直的。所以情況是當你跳進去,你會很快撞到洞壁,然後會反彈到另一邊的洞壁,然後這樣彈來彈去。。。。估計沒到地心,你就被磨得骨頭都不剩了。。。。←_←



假如你挖洞時保持洞口的每一個截面都在重心上,那情況會更惡劣,因為通道不再是直的,你會更快碰壁,不過這也會導致更快的減速。所以在到達地心時,其實你的速度已經很低了。

不論是哪一種情況你都在不斷碰壁中下落,最終會在地心附近停下來,因為實際上在離地心很遠的時候,重力加速度就已經在不斷降低了。由於持續的碰壁,因此當你到達地心的時候,速度基本上已經很低了,想在另一頭冒泡是不現實的。


星宇飄零2099


如果地球上挖了一個洞,出口在地球的另一端,一個人跳進洞中,他會不停在洞裡面做以地球為中心的往復運動!(如下圖所示)

當這個跳到這個洞裡以後,他所受到的,他受到的重力會逐漸降低。因此,其加速度會逐漸降低,但是直到這個人到達地心以前,他都是加速的,到達地心時他的速度最大,加速度為零。(如下圖單擺由右向左運動,到中心零位置)

下一步這個人從地球再往下繼續下落,這次做的是一個加速度越來越大的減速運動,最終在到達地球另一端的時候,速度變為零,加速度變成最大。下一步這個加速度繼續向上運動,直到回到原始位置,速度變為零。下一步再重複以上過程。(如上圖單擺由右向左運動,從中心零位置到最左側,再到最右側)。


總之,這個人會一直在這個洞裡以地球球心為中心做蹦床一樣的運動!


地震博士


這個問題很有意思,我高中的時候就曾經思考過。假如在理想環境中,不考慮其他意外因素,從洞的入口跳進去,通過地心滑倒洞的另外一端,這個人的運動形態是簡諧振動,會像彈簧一樣來回振盪。

我們知道,地球表面上的重力加速度是9.8米/秒/秒,當一個人從洞的入口跳下去,他會加速下墜,但隨著距離的深入,他受到的引力也會逐漸變小,也就是說,他運動的加速度在變小,但他的運動速度仍然在增加,當到達地心時的他的運動速度最大,但此時的加速度為0。

這個人高速通過地心後,滑向洞的另外一端,高速飛去,這時他會受到和運動方向相反的加速度,使得他的運動速度開始減速,隨著他遠離地心,加速度也逐漸增大。當他到達洞口另外一端時,他的速度將減低到0,這時他的加速度最大,地心引力又會讓他重新下落,快速滑向洞的入口處,如此反覆,他的運動形態就是物理學上的簡諧振動,當然,這是在最理想狀態下的運動。


當然,實際情況是,他會受到空氣助力的影響,他不可能滑到洞口的另一端,另外,挖這個洞不通過地心的話,他也會受到地球自轉的影響,還有最重要的一點,就是地球內部的高溫,隨著滑入距離越來越深,溫度也會越來越高,一個人不可能承受幾千度的高溫炙烤,到不了地心會被燒為灰燼。

(手機上寫了好幾百字,眼累,手累,請大家給點個贊)


震長


很好,讓我們假設現在在地球中心鑽了一個洞!

當然假設沒有空氣阻力!然後你跳了下去,我會聽到你尖叫一會兒,直到你的呼喊變得越來越模糊,越來越模糊......


假設我們可以為你保持隧道的暢通,而且氧氣充足,身體又能抵禦高溫,並且以某種方式防止壓力隨著你的下降而增加,總之各種假設讓你不會死!然後你就可以享受有史以來最長的自由落體,直到抵達地球的中心。

一般來說,當你掉落的時候,你每秒鐘掉下來的速度就是每秒9.8米,但只能在地球地表附近。表面上,地球上所有的質量都在你的腳下,但是當你墜落時,越來越多的質量環繞著你,發揮著自身的重力。


這些水平力量會相互抵消,你不需要擔心這一點,但是頭部以上質量的比例越來越大,所施加的力量會越來越小,因此加速度會隨著接近核心而減慢。

所以在到達中心之前至少會有40分鐘的自由落體的快感,由於重力減輕,中心速度將低於10米/秒。直到你到達地球的中心!

在地球的中心,重力將在所有方向對稱地作用於你。但是當你越過這一點時,你就會開始減速。基本上意味著你會像彈簧一樣執行上下運動。

當然了,如果排除任何能夠保護你的因素,估計用不了幾分鐘,你會應該缺氧而死,然後成為一具屍體,直到被高溫化為灰燼…

更多未解之謎,盡在:萬物未解之謎


萬物未解之謎


這其中要假設在理想的狀況下才行,因為不可能會有這樣的洞,地核處的溫度足以熔化人類已知的所有金屬以及人類所能合成的金屬。

假設在理想情況下,從北極到南極,貼合地球的自轉軸挖這樣的洞,忽略了地球自轉的影響,如果不忽略的話,那這個人肯定會撞在牆壁上,來回的撞。

這個人準備好氧氣瓶,縱身一躍。

他起初受到的地心引力給他提供了一個數值為一個g的加速度,但隨著這個人距離地心越來越近,那麼他所受的地心引力也會愈來愈小,這樣的話,他的加速度在不斷地減小,但他仍然是處在加速的過程中,且速度越來越快,並在抵達地心時,速度達到了最大值。

經過地心後,他將受到一個與他運動方向相反的地心引力,但是他仍然可以保持較高的速度衝向地球的另一端,但速度在不斷地降低,直至減小到0,然後,他開始做反方向運動,和最起先的過程一樣,最終這個人將在這個洞中做類似簡諧振動的運動,但由於其它因素的影響,他並不能一直這樣的運動下去,他最終會懸停在地心處。


科學船塢


如果地球上挖了一個洞,出口在地球的另一端,一個人跳進洞中,他會怎樣運動?

這個是非常有意思的一個問題,估計大多數人都想過如此的模式下會如何運動,從理論上來看,這應該是一個往復運動,一直到空氣的阻力下停留在地心處!

如果忽略掉空氣的阻力的話,會這樣一直運動下去,如果忽略高溫影響的話,目測會餓死,是不是挺好玩的!不過你千萬別認為這是腦洞,科幻片《全面回憶》裡就有一套穿越地心的運輸系統,可以在極短的時間內到達地球另一端,當然如果不考慮地球內部極端惡劣條件影響的話這確實是一條捷徑,因為根據計算,一個自由落體的物體穿過地心只要一個小時不到(忽略空氣阻力)!那麼如果真的能製造出一條這樣的通道來,絕對是是一個地球交通史上的偉大創造!

但非常可惜,到了100KM以下溫度即超過1000度,繼續往下就已經軟流層和岩漿層了,只要到4000KM-5000KM,溫度即已超過地球最最耐高溫的物質的物理承受極限!

迄今我們人類能製造的極耐高溫的物質也就4000度左右,所以想要穿過地心得以保全簡直就是痴心妄想(地心溫度更是高達6000度,相當於太陽表面的溫度)!


星辰大海路上的種花家


純腦洞大開的問題!既然是“如果”,那麼久跟著這樣的假設來做個思想上的實驗!

首先能找到最簡單的一種運動形式是這個人(以下用他表示)會做直線運動(相對於地球),因為這個洞就是直線(別告訴我洞是彎曲的)!

那麼運動的速度如何呢?

由於距離地心越近引力越大,所以原則上他會做加速運動,而且加速也是有規律的,到達地心速度最大,之後開始減速,到達另一端時速度正好為零!

但事實上遠不是這樣!且不說空氣阻力等因素的影響,因為地球本身再自轉也在公轉,這意味著從他跳進洞裡開始,由於地球自轉和公轉,他講不斷地與洞壁產生摩擦,這種摩擦沒有什麼規律性可言,取決於自轉公轉速度方向,還有摩擦力大小!

除非摩擦力為零(理想條件),否則這種影響是不可避免的,也是無法通過計算來預測的!

所以說,實際情況下,根本無法預測他到底會做什麼樣的運動,地球自轉公轉,與洞壁的摩擦力大小都影響著下落的速度!

最後說一點肯定的,那就是他絕對無法到達地球另一端,地核高達6000攝氏度的高溫會直接把他熔化掉!


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