◎ 动能:来玩玩高空跳水吧

体验势能转换成动能的最佳方式,就是去牙买加玩悬崖跳水。爬上悬崖,随着你越爬越高,就能以提升高度的方式得到势能。而体重乘上与水面的高度差,就是你取得的势能。

等你到了顶端,站在悬崖边往下看着水面,可以想象一跃而下后,就能把所有势能全都转换成动能。你也可能在想,大力冲击水面那一刻,泳衣没被冲走的可能性有多高。如果知道落水时会有多少动能,也许比较容易回答后面这个问题。于是,你站在悬崖边鼓起勇气往下跳前,做了点小小的运算。

你的势能就是体重乘上悬崖的高度,所以要把体重64公斤乘以要跳的6米(嗯,没人在悬崖上帮你量起跳时的体重啦——不过你想实话实说也可以)。

你准备就绪,带着384焦耳的势能(64× 6=384),并将它转换成速度、肾上腺素,还有担心泳装发生意外的一点点紧张。你跨出悬崖来到半空中,身体直直往下掉,开始加速。不论你的入水姿势是优美而静谧,或是一边尖叫一边挥舞手脚都无所谓。每往下掉1米,就会把高度逐渐转换成速度,用更科学的方式表示,就是把势能转换成动能。触及水面的时候,势能就会全部转换成动能。

384焦耳是什么意思?就是要把384公斤的物体移动1米,或是把1公斤的物体移动384米所需要的力。站在悬崖边,如果你心想:“水里不知道会不会有鲨鱼等着,还努力压低笑声等你掉进它们的便当盒?”那么就算知道这些数字,对你也没什么帮助。但或许你想知道如果肚皮先落水的话,384焦耳会是什么感觉。你决定算算看撞到水面的时候速度有多快。这倒容易——把势能放在等号一边,动能放在另一边:

势能=质量×重力加速度×高度

动能=1/2质量×速度2

如果你的势能被转换成动能,算式就是:mgh=1/2mv2

你的体重刚好可以左右抵消(看吧,就算你说自己是个胖子也没差)。接下来把你所知道的数字代入,解出速度:

9.8米/秒2×6米=1/2×v2

从这就可以算出速度了,对吧?把等号左边的数字乘一乘,然后两边都 ×2,最后再把等号两边都开个根号,右侧就只剩速度一项。你算出自己会以每秒10.8米的速度撞击水面,差不多等于时速38.9公里,这对于没穿多少衣服在空中飞的人来说,算是相当快的。

还记得吧,你会以时速38.9公里的速度撞击水面,而不是撞上砖墙。你认为水有好处,可以让速度渐慢下来,而不会突然停住。你撞到海面时,海水会用一两秒的时间让你停下来,到时候你所有的动能都可以用来推开海水;要是撞上人行道,就不会像水那样挪开位置给你,全部的动能都会转换到即将摔断的腿上。不过反过来说,如果跳到人行道的话,就不会落入饥肠辘辘的鲨鱼大嘴了。两种状况都有好有坏,只是顶着因撞击水面而红通通的肚子奋力游到岸上,总比全身骨折打钢钉固定要好得多。

你在悬崖上站得够久了,都快晒出泳衣的痕迹啰。你在脚边的地上写满算式,而且聚集的人越来越多,好奇你是不是需要帮忙。只好跳了。你把由高度而来的势能转换成以速度表现的动能,而且有了超棒的人生体验、激动人心的科学实验,还把自己砰的一声大力撞击水面前那极为怪异可怕的惨叫声全都录了下来。一切都很值得。