升起的烟花:从正面看?从侧面看?

升起的烟花:从正面看?从侧面看?

相信有不少朋友看过《烟花》(《打ち上げ花火、下から見るか?横から見るか?》)这部电影,剧中人物勾起了你我多少青春的回忆;烟花燃尽,只剩下一曲《打ち上げ花火》在脑海中回响。而电影中的孩子们,讨论得最激烈的问题是:升起的烟花,从正面看是圆的,那么从侧面看,是圆的还是扁的?相信读者朋友们对此同样感到好奇。那么,接下来就让我们从物理的角度,揭开“烟花”神秘的面纱。

P站画师:絶灯

其实,只消回忆我们站在一边,看烟花升入云霄,在空中绽开的一幅幅画面,这时,如果聚焦于绽开烟花中的一束,就可以发现,它在空中划出了一条优美的弧线。而这,正对应了我们在高中物理课堂上学过的拋体运动。拋体运动,正是揭开电影中的少年们“青春之谜”的钥匙。

让我们先来回顾一下基础知识:

我们把大小、形状可以忽略的物体“浓缩”成一个只有质量的点,叫做“质点”。假设有一个质点以初速度 在坐标原点被抛出,速度大小为 ,方向沿切线方向。这样的运动比较复杂,但是,从物理课本的运动学部分中,我们知道,可以将物体的速度分解到两个垂直的方向,这样可以化繁为简。可以写出质点运动方程的参数形式:

别看这两个方程形式简单,平平无奇,但它们实际上蕴含了斜抛运动的全部奥秘。已经说过,烟花当中的每一束,都应当服从斜抛运动的规律;那么,该怎样把部分与整体关联起来呢?请大家不要忘记,我们在欣赏烟花时,其实是在欣赏烟花在每一时刻那转瞬即逝的美景,因此,时间应当是固定的。如此一来, 就应该是一个常数。这时,再回想起数学课上学过的圆的参数方程:

我们对前式作恰当变形,就可以得到所有的质点在 时刻应该满足的方程:

而此时等号右侧应该是常数。于是任意时刻烟花的轨迹都应该是一个圆,或者更确切地说,是一个球。可能有同学会质疑,上面的讨论只谈到了二维,也就是在一个平面的情形,并没有回答“侧面”烟花的形状,依然没有解决典道的疑惑。其实,上面的关系也很容易推广到三维情形:

上式更加直观地说明了同一时刻烟花是球形这一事实。这也就解答了典道的困惑:升起的烟花,不管从什么方向看,都是圆形的。同时,这个球的半径, ,随着时间增大而不断增大;球心的位置, ,随时间不断下降,而且是作自由落体运动。

P站画师:絶灯

虽然我们已经得到了答案,但话又说回来,上面的推导,对于不熟悉高中物理运动学的同学来说,确实不太友好。不过,请不要担心,上面的结论,也完全可以仅仅通过常识,再加上一点物理思维得到。

其实,我们可以把烟花想象成一个点状的“炮弹”,而把一束束烟花的端点想象成散落的弹片,然后来看弹片的轨迹。物理学中有“相对运动”的观点,接下来我们也将从这个角度来思考。弹片一边下落,一边散开,这确实让人感到无从下手,但如果相对一个和“炮弹”一起下落的物体来看,我们就只需要考虑炮弹“绽开”的过程。我们可以想象,在最“好”的情况下,向着各个方向飞出的弹片应该是均匀的、等速的,那么,在一个固定的时刻观察,弹片确实应该是呈球形的。这不就是第一个结论吗?这时候,再来回到之前选定的“参照物”上,这个“参照物”应当在空中自由地下落;而“炮弹”随着这个“参照物”一起运动,因此也应当“自由下落”。于是,这些“弹片”实际上是一边扩大、一边自由下落的,二者恰恰是前文的第二个结论。笔落至此,相信读者朋友们一定和笔者一样,直拍案叫绝了。

升起的烟花,无论从正面看,还是从侧面看,都是圆形,都一样圆满。而在《烟花》的最后,贯穿全文的宝石——“if 之石”,被放入礼炮中升入天空绽放。在这宝石的碎片中,每个人都看到了自己期待的画面,每个人都实现了自己的梦想。对于青少年来说,“if 之石”是虚幻青涩的梦想,神石破碎,从梦境回到现实;抓住当下,才能不给青春留遗憾。对于成年人来说,自己的青春时光或许有那么一些小小的遗憾,但站在眼前,回忆过去时,那一段时光总是美好的;不忘初心,才能留住那一片灿烂之美。

愿你我皆能牢记大自然的教导,怀一颗真心,少一点犹豫,共赏那夜空中的璀璨烟花盛景。

P站画师:ひろ 参考资料

杨榕楠,沈晨.更高更妙的物理:高考高分与自主招生决胜篇[M].杭州:浙江大学出版社,2013.

烟花:原版_电影_bilibili_哔哩哔哩