什么高科技可以超音速？公園大爺單手就可以！

我們說到超音速，你會想到什么，是戰(zhàn)斗機，還是子彈，反正都得是很多厲害家伙對吧，不過在超音速名人堂里還有一位名不見經(jīng)傳的殿堂級人物，公園大爺！

是的你沒聽錯，這位玩鞭子的大爺也能超音速，不過他不是像超人那樣讓自己嗖得飛起來，超過音速，而是讓手中的鞭子超音速，其實這事你們準還見過，他們揮鞭時啪的那聲響，就是鞭子末端超越音速時產(chǎn)生的音爆。

那問題來了，大爺還是那個大爺，鞭子也是普通的鞭子，怎么大爺小手一揮，鞭子就超音速了呢？

其實從原理上講，超音速并不難，只要有足夠的能量就行。如果你高中時物理學的還算行，那應該還記得這個動能公式（Ek=1/2mv2）。如果速度一定，物體的質(zhì)量越大，需要的能量就越多。而對于大爺甩出的鞭子來說，它也并不是整根鞭子都超過了音速，而是只有鞭子尾巴那一點點超過了音速，而鞭子尾巴這塊的質(zhì)量是非常小的，所以想讓它超過音速，需要的能量并不是特別多，只要讓大爺甩甩手，就能提供這份能量。

那既然小尾巴超音速需要的能量并不是特別多，為什么我們要是直接拿著這塊小尾巴往出扔，卻扔不出超音速呢，而必須得放在鞭子上甩呢？

這就涉及能量傳遞的問題了，如果我們直接拿著小尾巴去扔，那根據(jù)動能公式（Ek=1/2mv2），小尾巴得到的能量只能是它的質(zhì)量，再乘以我們手臂揮動的速度的平方，再乘二分之一。小尾巴質(zhì)量不大，我們甩手的速度也達不到特別快，能量自然不夠。其實稍微想一下也知道，要想扔出超音速，首先我們的手就得能甩出超音速才行，這顯然不可能。

而鞭子之所以能讓小尾巴超音速，關(guān)鍵在于它不只“扔”了一次，而是時時刻刻都在“扔”，都在讓自己加速。

首先，整個鞭子的質(zhì)量相比于小尾巴大了很多，這就保證它在同樣的速度下，能獲得更多的能量。而隨著鞭子甩動，鞭子的末端速度會依次減小，進而把自己的能量都傳給前邊。如果我們把鞭子想象成有很多段小鞭子連起來的一大條，那這個過程就好像每一小段鞭子都用盡全力把前面的部分再往前扔一下似的，而這個過程每扔一起，前邊的速度就會又快一點，就這樣你扔我我扔他。最終鞭子越甩越快，整個鞭子獲得的動能最后全都集中到了小尾巴上?，F(xiàn)在對于小尾巴來說，這么小的質(zhì)量，卻擁有整條鞭子為它收集的動能，速度自然就超級快了。

至于為什么鞭子超音速就會啪得響一聲，這跟聲音的傳播有關(guān)。鞭子超音速之前，其實也會發(fā)出聲波，就像水波會在湖面上慢慢擴散一樣，這些聲波也會在空氣中向周圍擴散，這個聲波擴散速度就是音速。

隨著鞭子一邊運動，一邊又產(chǎn)生新的聲波，如果鞭子向某一邊揮動，那在這邊后來的聲波就會和之前的擠在一起，變得越來越密，就像緩慢劃船時，船前面也有一層層的水波一樣。那從鞭子的角度來看，這些聲波就都堵在了它跟前，每個聲波都具有一定的能量，這么多聲波聚在一起，就形成了一堵充滿能量的聲波墻。

而鞭子超越音速那一下，就相當于是一下把這堵墻撞破了，積攢的能量噴薄而出，這就造成了巨大的響聲。

最后我們從科學的角度總結(jié)一下，下次再看見單手超音速的大爺，必須心存敬畏，尊敬老年人的問題就這么科學地解決了！

作者：問題小分隊

審核：中國科學院物理所 研究員 羅會仟

出品：中國科協(xié)科普部

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