从高空掉下来,摔在什么上比掉进水里更不容易摔死?
这个问题太保守,从高空掉下来,摔在什么上面最舒服?掉进水里能摔死,肯定不舒服。可以考虑蹦极,摔在有弹性的绳子上。还有气流,能把人吹起来的强大气流。
在“城会玩”眼里,从高空掉下来只是小意思。从物理中的加速度作为切入点,我们可以算一下安全边界。
加速度可以忽略体重的差异,在载人航天中,极限加速度是10倍重力加速度,为了舒服一点,我们取7倍的重力加速度,这样刺激性也能得到保证。
理想情况下,第一段下落过程是重力加速度,第二段过程是7倍重力减速度。减速距离只有整个下落距离的1/8。如果用强大的气流给人体减速,可以参照这个结果。
但是蹦极,或者蹦蹦床的弹性力是慢慢增加的。弹性能量公式是1/2kx2,重力势能公式是gh。把kx=7g代入求解,得到x=2/7h。也就是,如果靠弹性来缓冲,减速距离要占整个距离的2/7。
不过,这些都没有考虑空气阻力,如果高度特别高,空气阻力和重力平衡后,掉落速度就不在增加。最大速度对应的缓冲距离,可以适应任意高度的“城会玩”。
人从天上掉下来会不会死,主要是看着陆时的速度和减速到0用的时间,即:加速度的大小。加速度描述的是速度随时间的变化率。
人在地球上受到的重力加速度是一个g,即9.8米/秒2。人能够承受多少个g的加速度(过载)呢?有一位美国的军医约翰·保罗·斯塔普为了研究飞行员在一些极端情况下能够承受多大的过载,曾经做过这样的实验。
图:
约翰·保罗·斯塔普
他自己坐在无风挡的火箭式滑撬车上进行试验,测试人体能够承受多大的过载,最后一次差点死掉,这次的加速度是46.2g。最后得到的结果是,人类能够承受45g的重力加速度而不会死亡,当然,这不包括受伤。
图:实验中的斯塔普
从这个实验可以看出,只要有足够的缓冲,即:用足够长的时间将速度将到零,人就不会死亡。
如果用水作为缓冲,人可以从大约50米高处,以最小面积入水不会死亡。当然,下面得有救援人员。一般专业人士只会从不到30米往下跳。
二战时期,美国空军有架轰炸机在轰炸完德国返航时,飞机被德国人击毁,其中一个乘员掉出了飞机。他从大约1000米的高空掉了下来。幸运的是,他被高大的树冠阻挡后,又掉在了雪堆上。充足的缓冲时间,使得加速度大大降低,最后他只是受伤被俘。
2016年7月,美国的职业跳伞运动员卢克·艾金斯做了一次疯狂的表演,他从7600米高空从飞机上跳下,没有携带降落伞。最后准确的落在了一张有三分之一足球场大小的网上,平安着陆!
图:疯狂的极限挑战
高空坠落,死不死主要看的是冲击力有多大。
1、基本原理——动量定理与能量守恒
原理部分很多人懒得看,我就简单说。
能量守恒:高空中的势能转化为动能,高度越高撞击速度也越大。
动量定理:撞击过程中,动量(mv)开始转为冲量(Ft),撞击速度越大,冲量也越大。
2、过程分析
2.1 下降过程
以葫芦娃为例,下落过程中,有重力(红色)和阻力(蓝色)。对于葫芦娃来说,空气阻力很小,甚至可以忽略。整个过程是个加速下降的过程。
忽略阻力的情况下,撞击速度可以由下式计算:
2.2 撞击阶段
撞击阶段主要是动量定理起作用,受到的力有重力和地面的撞击力。考虑撞击过程:撞击力从0开始,迅速增大,而后又急剧下降。撞击速度在撞击开始的一瞬间就急剧下降,直至为零。如下图。
撞击力的计算,如下式:
将速度带入上式,得:
在撞击过程的任一时刻,都满足动量定理,所以上式可以写成增量的表达式。简单起见,我们认为在整个撞击过程中,力是不变的(平均撞击力)。
3、撞击力分析
上式知道,撞击力与撞击时间成反比,与物体质量成正比,与高度的平方根成正比。r如下图。
可见,想要保命,就得:
1)延长作用时间t
2)减小自身质量m
3)降低坠落高度h
4、保命措施
1)延长作用时间t
作用时间是指整个撞击过程的时间,这个时间越长越好。常见的消防人员救助高空跳楼人员,用的垫子就是这个原理。
2)减小自身质量m
自身质量很难减小,所以靠脱衣服来降低撞击力,根本没啥效果。
3)降低坠落高度h
坠落高度无法控制,但是可以在中间增加一层,作为缓冲,可行性也很低。
所以,最靠谱的是第一种。通过更换撞击作用物,来延长作用时间,从而降低作用力。
5、水的撞击——材料的响应速度效应
水是液体,入水后水的浮力会让人体逐渐减速。但是,这是在水中的情况。在撞击水面的那个瞬间,液态的水来不及响应,几乎是个“固体”。这时候,水面的撞击力同样非常巨大。速度越快,这个力也就越大。
所以,跳水运动有一个安全跳水高度,并且入水时头破面入水。以点破面,降低撞击力。(集中力与分布力的影响)
但是对于普通人,坠落过程中很难自己调整姿态,入水的时候,这个撞击力能直接被拍晕、甚至拍死。
6、总结
高空坠落死不死看的是撞击力,降低撞击力靠的是缓冲材料的撞击时间延长。相比于水,消防用的缓冲气垫可能会更加具有防护效果。
人类和鸟类不一样,因为人类没有翅膀,鸟类可以在天空自由的翱翔,但人类就不行了,只能通过飞机来实现。自从有了飞机的发明,人类也可以跟鸟类一样在天空进行各种运动。但是飞机有时候会发生各种事故。又出现了飞行员或者乘客的死亡的现象。
从高空坠落的物体会有很大的势能。这些势能是能会最终转换成动能,包括人类就会在这种动动能能的作用下与地面相撞而最终死亡。实际上从高空坠落,不管掉水里面还是掉在别的物体上,基本上存活的几率是很低的。人类的器官根本就经不起如此的冲击力。
有人会觉得人从高空掉落在水里面存活的几率会高一点,但是实际上从几十米高的桥梁跳入水中也会导致人员的伤亡。更何况是从几千米的高度坠落的的人体了。
目前发生的诸多的空难中,从高空坠落的人基本上是不会存活的。首先在高空大气的温度就是零下几十摄氏度。在这种环境下人就会被冻得非常僵硬。另外由于高空出现事故,飞机舱内的压力是突然变化的。这会导致整个机舱就跟爆炸一样。在这种情况下面,很多人已经当场死亡了。
其实还真的有,别不信!我们都知道,高空跳水其实是一个非常危险的运动。水看似柔弱,但是当具有一定高度后,柔弱的水也会给人体造成巨大的伤害。小时候顽皮喜欢从树上跳,有时太高入水姿势不对肚皮就遭殃了。
正常情况下,人在重力加速度作用下,速度会随着高度增加成正比例发展。也就是高度越高,速度越快。速度越快代表质量越大,产生的撞击力越强。水虽然属于液体,受力形变能力非常好,能够很好的卸力。但是当高度太高时,这种形变能力完全来不及卸掉,根据力的相互作用,这种撞击力就直接作用人体。
超过30米的高度,可以这样说,和落在水泥地板上没啥区别。到达100米,不管你是不是专业人员,以何种姿势入水,几乎没有生还可能性。所以要说高空跳下来,摔水里都要死,我们还能想到摔在哪里不死的。
想半天估计也没想出个好东西,别急,我来告诉大家。其实,只要有一个可以连续卸力又不至于反弹太多力给人体的东西就可以了。
2016年,美国著名极限跳伞运动员卢克?艾金斯成功轰动世界,在不带降落伞的情况下从7600多米高空跳下,不断调整身体姿态,准确落到事先准备好的大网,并且安然无恙,创造历史记录。
不得不说,这不仅需要胆量和运气相结合,更多的也说明了,在充分卸力又不至于反弹力的情况下,人受到的伤害就会降到最低。
在他落入网上的一刻,网受到冲击,接着发生形变,这个过程由冲击点向四周扩散卸力,但这远远不够。巨大的力仍然是卸不完的。但不要紧,在形变发生时候,力不仅向四周扩散,也同时向下缓冲扩散,没有直接把剩余的力反弹给人。
不同于水,水的密度相对空气太大,没有网依托空气这种向下缓冲卸力过程。
跳水运动员能够轻松从十米跳台上甚至更高的高度跳入水中,如果是从十米高的楼上跳下来,那后果会很严重。
从十米跳台上到达水面附近的速度和从十米高的楼上掉下来的速度相差无几,运动员跳入水中之所以毫发无损,是因为专业的训练能够使他接触到水面后受到比较小的阻力,这样水对运动员的冲击就比较小。若是掉到了水泥地面上,减速距离很短,人会受到比较大的冲击力,超过了人体所能够承受的限度,这样人就会受伤或者死亡。
如果是没有受过专业训练的人从十米跳台上跳下,很容易整个身子直接撞到水面上。入水时和水面的接触面积越大,人受到的冲击力就越大,这样人也很容易受伤甚至死亡。从十米高处掉到水里,即使不考虑溺水,也并非是十拿九稳的安全。
人从高空中掉下来,要想尽可能的确保的安全,一个重要的措施就是增大减速距离。根据动量定理可知,减速距离越长,人受到的冲击力就越小。跳水运动员跳到水中有比较长的减速距离,有的能够达到4米,这个距离保障了他们的安全。
如果一个人从楼上落下,可以在地面上放厚厚的充气垫,这样能够起到比较好的缓冲作用。如果是从更高的地方落下,降落伞是一个很好的缓冲装置。虽然人不是落到降落伞上而是降落伞从后面拖拽着人,但是减速原理可以说是一样的。
如果是落到月球表面或火星表面,由于这些星球表面大气非常稀薄,降落伞能够发挥的作用非常有限,可以依靠火箭反冲为自己减速。人类发射的很多探测器,最后着陆时就是要依靠火箭的反冲。
其实从高空落下,落在硬地面和水里没什么区别。因为固体和液体都很难被压宿,缓冲空间不大,反而是落在树上,气垫上,小车顶上,由于有较大的缓冲空间,反而要好些。
从高空坠落,为避免肌体骨骼受伤,需要增长缓冲时间。撞击到水面上,陡然的冲击力也是很大的,因为水不宜透过空气,会增大空气的阻力。我认为,以松软的海绵作为铺垫最为合适。海绵既能迅捷透过空气,减少空气的阻力,又富有柔软的弹性,使身体的撞击力逐渐地减弱,而不是陡然地减弱以致身体肌肉骨骼组织的快速运行的内脏与嘎然而止的体表肌肉发生严重的错位损伤。透气的海绵可增长体表肌肉从快速到静止的减速缓冲时间,所以可极大限度地避免摔死。当然,不只是使用海绵作铺垫,所用的材料应当既能透气,又松软有弹性,才能增长缓冲时间,保障身体内外不致挫伤而摔死。
搭十层楼后的棉花