這兩天不停的有人問我為啥蚊子在高鐵上可以正常飛。地面上的蚊子飛不了多快，可是在高鐵上卻能如履平地，飛行速度達(dá)到和高鐵相同的300km/h，這到底是為啥呢？

在網(wǎng)絡(luò)上搜索這個答案，給出的解釋五花八門，往往還要附帶一些對其他解答者的嘲諷。這個問題說簡單也簡單，只需要兩個字“慣性“就可以了；說復(fù)雜也復(fù)雜，我們可能要請出伽利略、牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋、玻爾茲曼、阿基米德等大神，才能把它說清楚。我今天就來嘗試一下殺雞用牛刀、大炮打蚊子，看看能不能說清楚這件事。

01??地面上的蚊子

我們先來討論一下地面上的蚊子為什么能飛起來。

一個夏日的午后，一對蚊子睡飽了，準(zhǔn)備去覓食。首先它們伸伸胳膊腿，振動翅膀，就能起飛并且在空中懸停。這時，蚊子會以每秒數(shù)百次的頻率振動翅膀，讓空氣向下流動，從而獲得空氣對自身向上的反作用力——我們姑且稱之為上升力吧。如果空氣對蚊子的上升力F與蚊子自身的重力G大小相等，方向相反，它們就抵消（平衡）了，蚊子就能停在空中。（由于蚊子的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，我忽略了空氣浮力）

突然，蚊子發(fā)現(xiàn)了前面的獵物，準(zhǔn)備飽餐一頓，于是它向前勻速飛去。此時，相對于蚊子，空氣正在向后運動，形成了一種“風(fēng)”，這種風(fēng)會對蚊子產(chǎn)生阻力?？諝庾枇Φ挠嬎惴浅?fù)雜，不同速度、形狀、迎風(fēng)面積時阻力大小都不一樣。通常情況下，相對速度越快，阻力就越大。

為了同時克服重力和空氣阻力，蚊子需要調(diào)整一下翅膀的方向，讓翅膀向斜后方振動，獲得一個傾斜的上升力F，這個力有向上的和向前的分量，就可以同時抵消重力G和空氣阻力f。在三個力的作用下，蚊子再次平衡了，所以它的運動狀態(tài)——勻速直線運動可以保持不變。

這里我們用到了一條物理規(guī)律——如果物體不受力，或者受到的力相互抵消，物體就會處于靜止或者勻速直線運動狀態(tài)，這叫做牛頓第一定律，是牛頓力學(xué)中的基礎(chǔ)定律，最初的形式由伽利略提出，他還做了一個實驗：小球從斜面一端滑下，會到達(dá)另一端等高的位置返回。如果將另一側(cè)的斜面逐漸放平，小球會運動的越來越遠(yuǎn)。他說：如果斜面是完全平坦并且沒有阻力的，小球?qū)３诌@個速度一直運動下去，后來經(jīng)過了笛卡爾的發(fā)展，這條規(guī)律最終由牛頓完成。這些內(nèi)容在初二的物理學(xué)中有講到。

但是，如果蚊子飛的特別快，或者一陣強(qiáng)風(fēng)吹來，都會造成蚊子受到向后的空氣阻力f變得很大，蚊子沒有辦法維持平衡，只能放棄抵抗，隨風(fēng)而去。所以，地面上的蚊子是沒有辦法飛到高鐵那么快的速度的。假如這對蚊子夫妻中的妻子飛進(jìn)了高鐵覓食，結(jié)果高鐵啟動了，丈夫在車窗外拼命的飛希望跟上高鐵，也只能是徒勞的，它們這輩子都見不到了（雄性蚊子的壽命只有十幾天）。

02??高鐵中的蚊子

我們再來考慮那只飛進(jìn)高鐵的蚊子。高鐵啟動后，速度逐漸增加，達(dá)到了300km/h，它發(fā)現(xiàn)車窗外自己的丈夫拼命追趕自己，但是卻怎么也趕不上，而是被遠(yuǎn)遠(yuǎn)的甩在后面。于是它覺得自己再也飛不起來了，因為一旦起飛，自己就會像丈夫一樣被甩在高鐵最后面的擋風(fēng)玻璃上，當(dāng)場摔死。

可是既然沒了丈夫，蚊子妻子也不想獨活，它閉上眼睛，雙腿一蹬騰空而起。奇跡發(fā)生了：它沒有感覺到任何不適，在高鐵中飛行與在地面上飛行完全沒有兩樣，盡管此時它的速度已經(jīng)和高鐵一樣——每小時300公里了。

這是為什么呢？原來，在地面上的蚊子沒辦法飛這么快，是因為飛的快時，空氣阻力特別大，蚊子從翅膀中獲得的力不足以抵消巨大的阻力?？墒乾F(xiàn)在，空氣、火車、蚊子都在以300km/h的速度向前運動，空氣相對于蚊子是靜止不動，蚊子絲毫不會感受到空氣向后運動，也就不會感受到任何阻力。它依然只需要輕輕振動翅膀，抵消掉地球的吸引力，就能穩(wěn)穩(wěn)地懸浮在空中。

甚至于，如果蚊子妻子閉上眼睛，回憶起和丈夫在一起幾天來的點點滴滴，心潮澎湃，它可能會分不清自己到底在高鐵上，還是在火車站。因為在它感覺起來，時速300公里的高鐵和靜止的地面，完全沒有任何差別。這又是另外一條重要的物理規(guī)律——伽利略相對性原理。

伽利略為了宣傳日心說，寫了一本科普讀物《關(guān)于哥白尼和托勒密兩種世界體系的對話》，這本書記錄了3個人在四天中討論的話題。

在第二天的對話中，伽利略提出了著名的伽利略相對性原理，他說：“當(dāng)你在密閉的運動著的船艙里觀察力學(xué)過程時，只要運動是勻速的，決不忽左忽右擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當(dāng)快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠(yuǎn)，雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什么東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也并不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，垂直滴進(jìn)下面的罐子，一滴也不會滴向船尾，雖然水滴在空中時，船已行使了許多拃…”

如果用物理語言總結(jié)，伽利略相對性原理是指：所有的慣性參考系中力學(xué)規(guī)律保持不變。地面是一個慣性參考系，地面上的蚊子可以正常飛行；勻速運動的車廂是一個慣性參考系，蚊子不會感到絲毫不同。甚至于，不光是蚊子，在車廂里的任何力學(xué)實驗都會和地面上毫無差別。如果再深入一點說，這就是世界的基本規(guī)律——一切運動都是相對的。你可以認(rèn)為地面靜止，車廂以300km/h的速度運動，也可以認(rèn)為車廂人靜止，地面以300km/h的速度后退，這并沒有什么不同。后來愛因斯坦想清楚了這個問題，他說電磁學(xué)規(guī)律在地面和車廂中也應(yīng)該保持不變，于是就提出了狹義相對論。

03??如果高鐵加速

剛才我們討論了：如果高鐵平穩(wěn)運行，蚊子在車廂中的感受和地面上一個無風(fēng)的午后沒有什么區(qū)別，那么，假如車廂在加速，情況又是如何呢？蚊子會不會被甩到車尾的玻璃上？

首先請大家回憶一下坐電梯的情景：當(dāng)我們從一樓進(jìn)入電梯間，按下按鈕，電梯開始上升時，我們會感覺自身重了一下。當(dāng)快要到達(dá)，電梯開始減速時，又會感覺身體輕了一點，這是為什么呢？

原來，當(dāng)我么站在面上靜止不動時，地面給我們的支持力N等于我們的重力G，這兩個力抵消，符合牛頓第一定律。但是，電梯剛啟動時，需要加速上升，所以電梯對人的支持力N要大于重力G，讓人所受到的合外力向上，從而獲得向上的加速度，所以我們就感覺電梯地板對我們的腳壓力變大，整個身子好像沉重了一些，這個現(xiàn)象叫做超重；反過來，即將到達(dá)時，電梯需要減速上升，對人的支持力N小于重力G，人感覺自己的身體輕了一些，這個現(xiàn)象叫做失重。這些內(nèi)容在高一的物理學(xué)中有講到。

不過，我們也可以換一種方式理解這個問題：在電梯中，我們其實完全無法感覺電梯相對于外界的加速度。如果突然感覺身體變重了（或者說，地面對我們的支持力變大了），其實存在兩種可能：

1.電梯出現(xiàn)了向上的加速，所以地面的支持力變大了。

2.電梯沒有加速，但是地球?qū)θ说奈ν蝗蛔兇罅?，所以支持力變大了?/p>

假如我們在電梯外，也許還能夠區(qū)分這兩種情況，可是在電梯里的人，對這兩種情況的感受是完全相同的。同樣，如果我們在電梯中，松手放出一個球，球以加速度g下落到地面，我們同樣無法區(qū)分到底是電梯靜止在一個加速度為g的星球上（有引力、沒有加速度），還是電梯在無引力的宇宙中，以加速度a=g加速運動（有加速度、沒有引力）。

參考系存在加速，等效于參考系內(nèi)物體受到與加速度方向相反的引力，這是愛因斯坦的等效原理告訴我們的。人在電梯中加速上升，就等效于受到了一個額外的向下的引力，有時候我們管這個力叫做慣性力。慣性力和普通的力最大的不同是：我們找不到慣性力的施力物體。

有了等效原理，我們就能分析高鐵加減速時蚊子的狀態(tài)了。在高鐵加速時，蚊子會受到重力、向后的慣性力。由于高鐵的加速很小，向后的慣性力也不太大。所以，只要蚊子調(diào)整一下自己翅膀的角度，再加一點點力氣，就能用翅膀獲得的上升力抵消這個新出現(xiàn)的“吸引力“，從而實現(xiàn)受力平衡，讓蚊子能夠相對于加速的車廂依然保持靜止。

從蚊子的感覺上看，引力的方向和大小都發(fā)生了變化，就好像整個世界稍微傾斜了一點，引力也稍微大了一些（從重力G變成了等效重力G“）。

反過來說，如果列車減速，慣性力向前，蚊子感受到的世界就會向相反的方向旋轉(zhuǎn)。如果列車總是反復(fù)加速和減速，蚊子就會感覺周圍的世界總是一會兒這樣轉(zhuǎn)一會兒那樣轉(zhuǎn)。雖然它還是能夠維持相對車廂靜止，但是它可能很不舒服——如果蚊子也能像人一樣暈車的話。

要知道：蚊子的身體異常靈活。佐治亞理工的研究人員曾經(jīng)研究過蚊子為什么不會被雨拍死。他們用高速攝影機(jī)拍下了這個過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雨滴接觸蚊子翅膀的時候，蚊子會靈巧的轉(zhuǎn)身躲過雨滴：

甚至于，如果雨滴剛好落到蚊子的身上，蚊子也能迅速隨著雨滴下降，然后翻身躲過雨滴。蚊子真是一個雜技演員。所以對付一點慣性力，兼職是小菜一碟。

說到這，認(rèn)真學(xué)習(xí)的小朋友一定會問：那風(fēng)呢？高鐵加速時車廂里的空氣會不會涌向車廂末尾，給蚊子一個向后的力呢？的確存在這種可能，這又要請出兩位大神——麥克斯韋和玻爾茲曼了。他們研究氣體分子的分布規(guī)律，得出結(jié)論：在重力場中，越靠下的位置，分子越密集；越靠上的位置，空氣分子約稀疏。比如一杯空氣，內(nèi)部的空氣分子密度情況如下：

同樣，最初空氣分子更多的排列在車廂下層。當(dāng)列車加速時，整體車廂的重力改變了方向和大小，空氣分子涌向了車廂末尾的下層。這的確會存在一點影響。

可是，這種重新排布引起的空氣分子運動只發(fā)生在臨近的區(qū)域內(nèi)，每一個空氣分子只發(fā)生了微小的移動，好像我們拿起塞滿硬幣的儲錢罐調(diào)整一下角度，儲錢罐里的硬幣就會動一下，但是很快它們找到新的平衡位置，硬幣就不動了，每一個硬幣的移動其實非常微小。同樣，車廂里的空氣很快就會建立新的平衡，而不會形成持續(xù)的風(fēng)，也不會對蚊子有什么影響。

總結(jié)一下：當(dāng)高鐵運動時，由于高鐵中的空氣隨著高鐵一起運動，蚊子不會受到空氣的阻力，因而可以在高鐵中自由的飛。如果高鐵加速或者減速，蚊子除了重力外，還會受到慣性力，只要列車加速度不太大，蚊子依然可以高傲的飛翔。

04??還能再給力一點嗎？

喜愛柯南的小伙伴一定看過經(jīng)典劇場版《貝克街的亡靈》。在故事結(jié)尾，柯南坐在一趟無法停車的火車上，列車即將脫軌，柯南注定無法幸存。千鈞一發(fā)之際，柯南打破了列車上儲存的紅酒桶，讓紅酒灌滿了整個車廂。

列車脫軌而劇烈振動時，柯南和小伙伴鉆進(jìn)了紅酒中，依靠紅酒的緩沖作用活了下來。這個故事合理嗎？

列車脫軌時，車廂劇烈振動，會造成雜亂無章的加速度，而且加速度的值都很大。如果柯南在空車廂中，沒有安全帶的情況下，會在車廂中亂飛，繼而會因為和車廂高速碰撞或者被甩出車廂外和地面碰撞而死亡。

可是，紅酒充滿了整個車廂時（我們姑且認(rèn)為電影中的紅酒的確有這么多，車廂的密封性也夠好），柯南在紅酒中會受到紅酒的浮力。浮力是由于液體受到重力作用，下方壓強(qiáng)比上方大引起的，它的方向總是與重力的方向相反。而且，根據(jù)阿基米德浮力原理，浸入液體中的物體所受到的浮力等于它排開液體的重力，由于人體的密度與水接近，所以人浸沒在水中時受到的浮力幾乎可以抵消人的重力，這也是人可以在水中游泳的原因。

現(xiàn)在，由于碰撞，車廂劇烈減速，會讓柯南受到向前的慣性力，慣性力和重力合起來稱為等效重力，他會讓柯南感覺整個車廂發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。而此時，車廂中的紅酒一樣會受到等效重力，于是浮力的方向也跟著發(fā)生變化——與柯南受到的等效重力總是等大反向的。如果車廂存在其他方向的加速度，情況也是如此：浮力總能精確的抵消掉柯南的重力。下面這張圖顯示了在不同加速度情況下，柯南感受到的車廂情況和所受到的浮力。

所以，如果紅酒充滿了車廂，在車廂劇烈振動時，紅酒給柯南的浮力理論上的確可以抵消柯南所受到的重力，讓柯南與車廂保持相對靜止，而不撞擊到車廂壁上。即使由于車廂有巨大加速度時，車廂中的等效重力已經(jīng)遠(yuǎn)大于柯南原本的重力，結(jié)果也是如此，這部劇場版的設(shè)計是符合科學(xué)的。

這篇文章聊的已經(jīng)夠多了。生活中一個簡單的現(xiàn)象，如果深究起來，都有深奧的科學(xué)內(nèi)涵。不過我還是要指出：對于一個問題的認(rèn)識，是一個不同層次的漸進(jìn)的過程。比如對幼兒園小朋友解釋這個問題，絕對只需要“慣性“兩個字就好了，而不需要長篇大論。而對于高中生、大學(xué)生，如果只討論到慣性這個層次，格局就小了，應(yīng)該有更加精細(xì)的模型。但是，絕對不應(yīng)該認(rèn)為自己是大學(xué)生，就要去否定甚至嘲諷幼兒園小朋友用”慣性”解釋這個問題的方法。

最后，留一個思考題吧：奧運會就要開幕了。如果有一天人類征服了月球，在月球表面建了一個大棚，開辦月球奧運會。那么，世界跳高冠軍在月球上能夠跳多高呢？就像蚊子的問題一樣，這個問題不同層次也會有不同的解答，有答案的小朋友可以在下面留言。

重點推薦

李永樂老師全新科普專欄《李老師品書：從一到無窮大》已經(jīng)發(fā)布啦！用70期節(jié)目解讀科普經(jīng)典著作。李老師將會帶著你沿著伽莫夫的足跡，用每天幾分鐘的時間了解數(shù)學(xué)、物理、生物、和宇宙的奧妙，現(xiàn)在已經(jīng)更新到70期，快快點擊李永樂老師品書了解一下！