蚊子为啥能在高铁中正常飞?

这两天不停的有人问我为啥蚊子在高铁上可以正常飞。地面上的蚊子飞不了多快，可是在高铁上却能如履平地，飞行速度达到和高铁相同的300km/h，这到底是为啥呢？

在网络上搜索这个答案，给出的解释五花八门，往往还要附带一些对其他解答者的嘲讽。这个问题说简单也简单，只需要两个字“惯性“就可以了；说复杂也复杂，我们可能要请出伽利略、牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、玻尔兹曼、阿基米德等大神，才能把它说清楚。我今天就来尝试一下杀鸡用牛刀、大炮打蚊子，看看能不能说清楚这件事。

我们先来讨论一下地面上的蚊子为什么能飞起来。

一个夏日的午后，一对蚊子睡饱了，准备去觅食。首先它们伸伸胳膊腿，振动翅膀，就能起飞并且在空中悬停。这时，蚊子会以每秒数百次的频率振动翅膀，让空气向下流动，从而获得空气对自身向上的反作用力——我们姑且称之为上升力吧。如果空气对蚊子的上升力F与蚊子自身的重力G大小相等，方向相反，它们就抵消（平衡）了，蚊子就能停在空中。（由于蚊子的密度远远大于空气，我忽略了空气浮力）

静止悬空的蚊子

突然，蚊子发现了前面的猎物，准备饱餐一顿，于是它向前匀速飞去。此时，相对于蚊子，空气正在向后运动，形成了一种“风”，这种风会对蚊子产生阻力。空气阻力的计算非常复杂，不同速度、形状、迎风面积时阻力大小都不一样。通常情况下，相对速度越快，阻力就越大。

蚊子匀速飞行时受到重力G、阻力f和翅膀作用力F

为了同时克服重力和空气阻力，蚊子需要调整一下翅膀的方向，让翅膀向斜后方振动，获得一个倾斜的上升力F，这个力有向上的和向前的分量，就可以同时抵消重力G和空气阻力f。在三个力的作用下，蚊子再次平衡了，所以它的运动状态——匀速直线运动可以保持不变。

这里我们用到了一条物理规律——如果物体不受力，或者受到的力相互抵消，物体就会处于静止或者匀速直线运动状态，这叫做牛顿第一定律，是牛顿力学中的基础定律，最初的形式由伽利略提出，他还做了一个实验：小球从斜面一端滑下，会到达另一端等高的位置返回。如果将另一侧的斜面逐渐放平，小球会运动的越来越远。他说：如果斜面是完全平坦并且没有阻力的，小球将会保持这个速度一直运动下去，后来经过了笛卡尔的发展，这条规律最终由牛顿完成。这些内容在初二的物理学中有讲到。

但是，如果蚊子飞的特别快，或者一阵强风吹来，都会造成蚊子受到向后的空气阻力f变得很大，蚊子没有办法维持平衡，只能放弃抵抗，随风而去。所以，地面上的蚊子是没有办法飞到高铁那么快的速度的。假如这对蚊子夫妻中的妻子飞进了高铁觅食，结果高铁启动了，丈夫在车窗外拼命的飞希望跟上高铁，也只能是徒劳的，它们这辈子都见不到了（雄性蚊子的寿命只有十几天）。

我们再来考虑那只飞进高铁的蚊子。高铁启动后，速度逐渐增加，达到了300km/h，它发现车窗外自己的丈夫拼命追赶自己，但是却怎么也赶不上，而是被远远的甩在后面。于是它觉得自己再也飞不起来了，因为一旦起飞，自己就会像丈夫一样被甩在高铁最后面的挡风玻璃上，当场摔死。

可是既然没了丈夫，蚊子妻子也不想独活，它闭上眼睛，双腿一蹬腾空而起。奇迹发生了：它没有感觉到任何不适，在高铁中飞行与在地面上飞行完全没有两样，尽管此时它的速度已经和高铁一样——每小时300公里了。

这是为什么呢？原来，在地面上的蚊子没办法飞这么快，是因为飞的快时，空气阻力特别大，蚊子从翅膀中获得的力不足以抵消巨大的阻力。可是现在，空气、火车、蚊子都在以300km/h的速度向前运动，空气相对于蚊子是静止不动，蚊子丝毫不会感受到空气向后运动，也就不会感受到任何阻力。它依然只需要轻轻振动翅膀，抵消掉地球的吸引力，就能稳稳地悬浮在空中。

甚至于，如果蚊子妻子闭上眼睛，回忆起和丈夫在一起几天来的点点滴滴，心潮澎湃，它可能会分不清自己到底在高铁上，还是在火车站。因为在它感觉起来，时速300公里的高铁和静止的地面，完全没有任何差别。这又是另外一条重要的物理规律——伽利略相对性原理。

伽利略为了宣传日心说，写了一本科普读物《关于哥白尼和托勒密两种世界体系的对话》，这本书记录了3个人在四天中讨论的话题。

在第二天的对话中，伽利略提出了著名的伽利略相对性原理，他说：“当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，只要运动是匀速的，决不忽左忽右摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，垂直滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行使了许多拃…”

如果用物理语言总结，伽利略相对性原理是指：所有的惯性参考系中力学规律保持不变。地面是一个惯性参考系，地面上的蚊子可以正常飞行；匀速运动的车厢是一个惯性参考系，蚊子不会感到丝毫不同。甚至于，不光是蚊子，在车厢里的任何力学实验都会和地面上毫无差别。如果再深入一点说，这就是世界的基本规律——一切运动都是相对的。你可以认为地面静止，车厢以300km/h的速度运动，也可以认为车厢人静止，地面以300km/h的速度后退，这并没有什么不同。后来爱因斯坦想清楚了这个问题，他说电磁学规律在地面和车厢中也应该保持不变，于是就提出了狭义相对论。

刚才我们讨论了：如果高铁平稳运行，蚊子在车厢中的感受和地面上一个无风的午后没有什么区别，那么，假如车厢在加速，情况又是如何呢？蚊子会不会被甩到车尾的玻璃上？

首先请大家回忆一下坐电梯的情景：当我们从一楼进入电梯间，按下按钮，电梯开始上升时，我们会感觉自身重了一下。当快要到达，电梯开始减速时，又会感觉身体轻了一点，这是为什么呢？

原来，当我么站在面上静止不动时，地面给我们的支持力N等于我们的重力G，这两个力抵消，符合牛顿第一定律。但是，电梯刚启动时，需要加速上升，所以电梯对人的支持力N要大于重力G，让人所受到的合外力向上，从而获得向上的加速度，所以我们就感觉电梯地板对我们的脚压力变大，整个身子好像沉重了一些，这个现象叫做超重；反过来，即将到达时，电梯需要减速上升，对人的支持力N小于重力G，人感觉自己的身体轻了一些，这个现象叫做失重。这些内容在高一的物理学中有讲到。

不过，我们也可以换一种方式理解这个问题：在电梯中，我们其实完全无法感觉电梯相对于外界的加速度。如果突然感觉身体变重了（或者说，地面对我们的支持力变大了），其实存在两种可能：

1.电梯出现了向上的加速，所以地面的支持力变大了。

2.电梯没有加速，但是地球对人的吸引力突然变大了，所以支持力变大了。

假如我们在电梯外，也许还能够区分这两种情况，可是在电梯里的人，对这两种情况的感受是完全相同的。同样，如果我们在电梯中，松手放出一个球，球以加速度g下落到地面，我们同样无法区分到底是电梯静止在一个加速度为g的星球上（有引力、没有加速度），还是电梯在无引力的宇宙中，以加速度a=g加速运动（有加速度、没有引力）。

参考系存在加速，等效于参考系内物体受到与加速度方向相反的引力，这是爱因斯坦的等效原理告诉我们的。人在电梯中加速上升，就等效于受到了一个额外的向下的引力，有时候我们管这个力叫做惯性力。惯性力和普通的力最大的不同是：我们找不到惯性力的施力物体。

有了等效原理，我们就能分析高铁加减速时蚊子的状态了。在高铁加速时，蚊子会受到重力、向后的惯性力。由于高铁的加速很小，向后的惯性力也不太大。所以，只要蚊子调整一下自己翅膀的角度，再加一点点力气，就能用翅膀获得的上升力抵消这个新出现的“吸引力“，从而实现受力平衡，让蚊子能够相对于加速的车厢依然保持静止。

在外界看来，车厢加速时蚊子的受力情况

从蚊子的感觉上看，引力的方向和大小都发生了变化，就好像整个世界稍微倾斜了一点，引力也稍微大了一些（从重力G变成了等效重力G“）。

蚊子自己感受到的世界

反过来说，如果列车减速，惯性力向前，蚊子感受到的世界就会向相反的方向旋转。如果列车总是反复加速和减速，蚊子就会感觉周围的世界总是一会儿这样转一会儿那样转。虽然它还是能够维持相对车厢静止，但是它可能很不舒服——如果蚊子也能像人一样晕车的话。

车厢反复加速和减速时，蚊子的感受

要知道：蚊子的身体异常灵活。佐治亚理工的研究人员曾经研究过蚊子为什么不会被雨拍死。他们用高速摄影机拍下了这个过程，发现当雨滴接触蚊子翅膀的时候，蚊子会灵巧的转身躲过雨滴：

甚至于，如果雨滴刚好落到蚊子的身上，蚊子也能迅速随着雨滴下降，然后翻身躲过雨滴。蚊子真是一个杂技演员。所以对付一点惯性力，兼职是小菜一碟。

说到这，认真学习的小朋友一定会问：那风呢？高铁加速时车厢里的空气会不会涌向车厢末尾，给蚊子一个向后的力呢？的确存在这种可能，这又要请出两位大神——麦克斯韦和玻尔兹曼了。他们研究气体分子的分布规律，得出结论：在重力场中，越靠下的位置，分子越密集；越靠上的位置，空气分子约稀疏。比如一杯空气，内部的空气分子密度情况如下：

同样，最初空气分子更多的排列在车厢下层。当列车加速时，整体车厢的重力改变了方向和大小，空气分子涌向了车厢末尾的下层。这的确会存在一点影响。

匀速行驶时车厢中空气分子的分布

存在加速度后车厢内空气分子分布情况

可是，这种重新排布引起的空气分子运动只发生在临近的区域内，每一个空气分子只发生了微小的移动，好像我们拿起塞满硬币的储钱罐调整一下角度，储钱罐里的硬币就会动一下，但是很快它们找到新的平衡位置，硬币就不动了，每一个硬币的移动其实非常微小。同样，车厢里的空气很快就会建立新的平衡，而不会形成持续的风，也不会对蚊子有什么影响。

总结一下：当高铁运动时，由于高铁中的空气随着高铁一起运动，蚊子不会受到空气的阻力，因而可以在高铁中自由的飞。如果高铁加速或者减速，蚊子除了重力外，还会受到惯性力，只要列车加速度不太大，蚊子依然可以高傲的飞翔。

喜爱柯南的小伙伴一定看过经典剧场版《贝克街的亡灵》。在故事结尾，柯南坐在一趟无法停车的火车上，列车即将脱轨，柯南注定无法幸存。千钧一发之际，柯南打破了列车上储存的红酒桶，让红酒灌满了整个车厢。

列车脱轨而剧烈振动时，柯南和小伙伴钻进了红酒中，依靠红酒的缓冲作用活了下来。这个故事合理吗？

列车脱轨时，车厢剧烈振动，会造成杂乱无章的加速度，而且加速度的值都很大。如果柯南在空车厢中，没有安全带的情况下，会在车厢中乱飞，继而会因为和车厢高速碰撞或者被甩出车厢外和地面碰撞而死亡。

可是，红酒充满了整个车厢时（我们姑且认为电影中的红酒的确有这么多，车厢的密封性也够好），柯南在红酒中会受到红酒的浮力。浮力是由于液体受到重力作用，下方压强比上方大引起的，它的方向总是与重力的方向相反。而且，根据阿基米德浮力原理，浸入液体中的物体所受到的浮力等于它排开液体的重力，由于人体的密度与水接近，所以人浸没在水中时受到的浮力几乎可以抵消人的重力，这也是人可以在水中游泳的原因。

现在，由于碰撞，车厢剧烈减速，会让柯南受到向前的惯性力，惯性力和重力合起来称为等效重力，他会让柯南感觉整个车厢发生了旋转。而此时，车厢中的红酒一样会受到等效重力，于是浮力的方向也跟着发生变化——与柯南受到的等效重力总是等大反向的。如果车厢存在其他方向的加速度，情况也是如此：浮力总能精确的抵消掉柯南的重力。下面这张图显示了在不同加速度情况下，柯南感受到的车厢情况和所受到的浮力。

所以，如果红酒充满了车厢，在车厢剧烈振动时，红酒给柯南的浮力理论上的确可以抵消柯南所受到的重力，让柯南与车厢保持相对静止，而不撞击到车厢壁上。即使由于车厢有巨大加速度时，车厢中的等效重力已经远大于柯南原本的重力，结果也是如此，这部剧场版的设计是符合科学的。

这篇文章聊的已经够多了。生活中一个简单的现象，如果深究起来，都有深奥的科学内涵。不过我还是要指出：对于一个问题的认识，是一个不同层次的渐进的过程。比如对幼儿园小朋友解释这个问题，绝对只需要“惯性“两个字就好了，而不需要长篇大论。而对于高中生、大学生，如果只讨论到惯性这个层次，格局就小了，应该有更加精细的模型。但是，绝对不应该认为自己是大学生，就要去否定甚至嘲讽幼儿园小朋友用”惯性”解释这个问题的方法。

最后，留一个思考题吧：奥运会就要开幕了。如果有一天人类征服了月球，在月球表面建了一个大棚，开办月球奥运会。那么，世界跳高冠军在月球上能够跳多高呢？就像蚊子的问题一样，这个问题不同层次也会有不同的解答，有答案的小朋友可以在下面留言。

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