高铁上的蚊子到底会不会被甩到车尾？在线求救物理老师…
作者丨卓焱，大连理工大学原子与分子物理博士研究生
最近某视频软件上,一个看似和物理有关的问题火了:高铁上的蚊子到底会不会因为高铁的加速而被甩到车尾? 原理是什么？
今天我们就来详细解答一下这个问题。
首先讨论高铁在匀速运动时的情况。在300Km/h高铁上的蚊子会以83m/s的速度相对于地面运动，当高铁匀速运动时不会被甩到到车尾的。
我们假设蚊子是静止悬浮在空中的，蚊子受到竖直向上的外力为翅膀扇动产生的升力和空气给蚊子的浮力，这两力之和与蚊子受到的重力大小相等，竖直方向蚊子的受力之和为0。而在水平方向，高铁匀速运动时，蚊子此时是在一个惯性参考系中，并没有受到外力作用。
根据牛顿运动定理，在惯性参考系中，没有外力作用下孤立质点保持静止或做匀速直线运动。换句话说，惯性参考系中的蚊子会保持与高铁一样的速度相对地面运动，不会发生移动，除非蚊子自己想去车尾看看被他甩到身后的风景。
接下来我们可以更深一步的去思考，那么在高铁相对于地面从速度为0加速到300Km/h的过程中呢，蚊子又是一个什么样的情况呢？
高铁的加速过程是比较缓慢的，以复兴号为例，从0到350Km/h（大约是97m/s）一般在375s左右，高铁的加速度是0.26m/s2，这个加速度是比较小的，乘客都不会感到明显的推背感。
我们假设高铁是匀加速的，在这个过程中高铁不是惯性参考系，成为了一个非惯性参考系，我们只需要加入一个惯性力就可以继续用牛顿运动定理来进行分析。还是以悬浮在空中的蚊子为例，在水平方向会受到一个指向车尾的惯性力，
F惯=m蚊a
上式中a是高铁的加速度。同理，车厢内空气也会受到惯性力。那么蚊子就会受到指向车头方向的等效空气浮力
假设车厢内的空气是不可压缩处于平衡态的流体，那么蚊子受到的浮力
F浮=ρ空aV排
蚊子的密度是要明显大于空气密度的，在竖直方向的体现就是蚊子需要扇动翅膀产生一个向上的升力，升力和浮力之和才能抵消重力。在水平方向上，当加速度a相同的时候F惯> F浮。那么蚊子这个时候就会向车尾运动，满足
F惯-F浮=m蚊a’，
蚊子会有一个指向车尾的加速度a'。当蚊子向车尾开始运动时，神奇的摩擦力出现了。摩擦力的方向始终保持与运动方向相反，我们只考虑粘滞阻力就足够了，采用斯托克斯定理，球形物体在粘滞层流中克服的阻力为
F阻=6πηvR
其中，v是球体相对于流体的速度，而流体的粘滞系数是η，球体的半径是R。在η和R都保持不变的情况下，F阻和球体与流体之间的相对速度成正比。当水平方向受力平衡时，满足
F惯=F浮+F阻
F阻的存在就意味着蚊子会与空气保持着一个相对速度v1，达到这个速度的过程中加速度是一直变化的，因此是一个变加速的过程，而且时间很短。
那么我们可以得出，当高铁开始加速时，其中悬浮的蚊子会相对于高铁向车尾运动，变加速直到最后达到一个收尾速度v1，取蚊子质量为2mg，大小在毫米量级，空气在15℃时的粘度为1.81×10-5 kg/(m·s)，经过计算，收尾速度在cm/s量级。
同理，我们就可以理解下落的雨滴最终会保持匀速运动下降到地面。而由于空气密度较小，液罐车中液体上面漂浮的气泡所受到的浮力大于非惯性力，气泡在车辆加速阶段就会向汽车头部运动。
当然上述的讨论都是基于蚊子悬浮在空中保持不动的前提的，并且高铁中的空气不可压缩。如果高铁敞篷，空气前后流动，空气和蚊子就处于惯性系中，高铁走了之后蚊子只能在原地发呆了。如果考虑蚊子的主观能动性，那就想飞到哪里就飞到哪里去了。
在我们的日常生活中很多地方都体现了惯性力。洗衣机的甩干就是利用了惯性力将水珠从衣物中脱离。在生物化学实验中也经常用到离心机，利用不同物质受到不同的惯性力进行分离。
在摩天大楼的顶部一般会有重量很大的减振阻尼器，其目的就是利用惯性在地震或者大风条件下给楼体施加一个反方向的作用力，减弱楼体结构的振动。在战斗机中需要用到惯性导航系统，其核心部件陀螺仪可以提供精确的方位、俯仰、位置、速度、加速度等信息，也是利用了物体的惯性。
既然谈论到高铁，那么一定有人知道这样一个事情，之前一位在中国旅行的外国友人，将一枚硬币竖立在300Km/h奔驰的京沪高铁窗台上，硬币竟然能站立8分钟而不倒，最后在变换轨道时，列车发生横向移动硬币才站立不稳倒掉。评价高铁稳定性主要有三个指标，分别是纵向稳定性、横向稳定性和垂向稳定性。
纵向稳定性主要评价高铁在起停、加减速和匀速运行时的平稳性。对于纵向稳定性，主要用到加加速度（减减速度）。加加速度（减减速度）用来描述加速度（减速度）变化快慢，可以评价高铁的纵向平稳性，尤其是高铁停站和起步时的纵向平稳性水平。而我们国家的高铁这个指标在全球处于顶尖水平。
横向稳定性评价高铁运行期间的左右晃动。垂向稳定性描述的是描述的列车上下颠簸程度。中国的高铁列车在这两个指标也表现的相当优秀。以中国中车旗下的CRH380A型高速动车组为例，以300Km/h运行时，横向的加速度最大只有0.42m/s，横向稳定性堪称全球顶尖。至于垂向稳定性，试问各位在高铁上碰到过上下颠簸的情况吗，反正我是没有遇到过的。
高铁线路对于高铁横向与垂向稳定性是起决定作用的。中国的高铁线路建造标准很高的，非常的平直和平顺，其中京沪高铁是世界上建设标准最高的高铁线路，没有之一。
高铁线路平直需要在铺设线路时尽量采用直线或者大半径的圆曲线，尽量减少太急的弯道，在京沪高铁中最小的曲线半径也是9000米。我们国家在建设高铁中大量建设了桥梁，不仅节约土地还能够截弯取直。
高铁线路的平顺则要求线路的坡度不宜过大。京沪高铁线路中最大坡度也是低于12‰，即使在困难处的最大坡度也不能高于20‰。为此，多采用无砟轨道以及无缝钢轨铺设线路。此外，还要严格控制沉降，这也是高铁线路多采用桥梁的原因之一，桥梁建在桩基之上，桩基要打到岩石层，建立在桥梁上的线路产生的沉降会远远小于普通的填方路基。
既然高铁如此平稳，当然不会有安全带了。存在安全带时，如果发生意外，旅客反而容易被安全带束缚、卡在变形的座椅中不方便逃离，受到更严重的伤害。