回覆列表
  • 1 # 李永樂老師

    我們經常看到電影裡演這樣的情節:一幫壞人正在追男主女主,二人被逼到懸崖邊,縱身一躍跳入幾十米以下的水中,逃脫了魔爪。

    現實中,人從很高的地方跳入水中,會不會有危險呢?最近有一位老哥,在一座大橋上喊了一句"我先走了",就從橋上跳了下去。

    入水時,老哥也沒有采取什麼壓水花的方式,基本是屁股和後背入水。影片顯示,老哥入水後好久也沒有浮上來。

    其實,人從高空跳水是非常容易受傷的,大家千萬不要再做這種危險的行為.我們從加速度角度給大家解釋一下這個問題。

    什麼是加速度

    我們知道,物體運動的快慢可以用速度衡量,那麼如果物體速度發生變化,就出現了加速度的概念。加速度描述物體速度變化快慢。

    比如有兩輛汽車,都可以達到100km/h的速度,但是其中一輛汽車只需要5秒就能從靜止加速到100km/h,另一輛汽車需要10s才能加速到這個值,這就說明第一輛汽車的加速度大,第二輛汽車的加速度小。汽車的加速度主要看發動機功率和扭矩,百公里加速時間越短,汽車的加速度越大,汽車的運動效能越好。頂級跑車百公里加速時間已經不到3秒。

    如果汽車在高速運動時突然撞牆,那麼人就很容易受傷。這是因為撞牆後汽車會在極短的時間內停下,造成一個很大的加速度。

    自然界有一個重要的加速度,那就是重力加速度。物體在只受到重力作用而發生自由落體時,加速度大小約為10米每二次方秒。 也就是說:每秒鐘物體的落體速度會增加大約10m/s。物體從開始下落計時,第一秒末速度是10m/s,第二秒末速度是20m/s,第三秒末速度是30m/s…

    而且,這個加速過程與物體的輕重無關。傳說伽利略在比薩斜塔上扔下了一輕一重兩個鐵球,這兩個鐵球一起落地,說的就是自由落體的加速度與質量無關。雖然,這個故事其實是後人杜撰的。

    我們有時候習慣於把加速度寫成重力加速度的形式。比如十倍重力加速度就是每秒鐘速度變化100米每秒,20倍重力加速度就是每秒鐘速度變化200米每秒。

    加速度由什麼決定?

    汽車的加速度由什麼決定呢?牛頓告訴我們:物體的受力F等於質量m和加速度a的乘積,表示式是 F=ma

    也就是說:在質量一定的情況下,物體受力越大,加速度也就越大。在撞車時候加速度很大,是因為汽車受到牆的巨大沖擊力。反過來,如果受力相同,質量越大則加速度就越小,例如我們用同樣的力推自己車,腳踏車很容易加速,如果推汽車,汽車加速就很慢。

    所以說,如果人的加速度很大,就是因為人受到了很大的外力,這種外力會使人受傷。同時,人體的肌肉和骨骼會把外力傳遞到身體的各個部分,如果這個力很大,身體在傳遞力的過程中可能會出現骨折或者內臟受傷。

    人能承受多大加速度?

    那麼,人究竟能承受多大的加速度呢?我們對這個問題的回答要感謝美國軍醫約翰.保羅.斯塔普。

    斯塔普是一名美國軍醫,在美蘇冷戰時期,美國軍隊要研究飛行員在各種極端環境下會受到怎樣的威脅。例如,在飛機升空、急速下墜或飛行員被彈射裝置彈出的過程中,飛行員能否承受巨大的加速度。因為巨大的加速度就意味著巨大的受力。

    斯塔普以自己為實驗品,從1951年開始做一系列加速度實驗。比如把自己綁在鞦韆的椅子上,然後讓椅子撞擊柱子驟然停下,檢查自身受到的衝擊和傷害。

    1954年,斯塔普開始作大死。他坐上了超音速火箭車,在極短時間內加速到大約2倍音速,然後又在1.4秒內減速到停止,剎車加速度達到了460米每二次方秒,大約46倍重力加速度。

    實驗結束後,斯塔普的肋骨骨折,眼球差點沒飛出來,視網膜脫落,因此還失明瞭一段時間。不過他也因此登上了時代週刊的封面。

    透過斯塔普實驗我們知道:人類能夠承受的最大加速度也就在40到50倍重力加速度。超過這個加速度,身體各部分之間的作用力可以扭斷骨頭,造成骨折、腦震盪或內臟受傷。

    為了減少加速度,人在從高處下落時都要採取緩衝措施。例如我們從5米高處落下時,落地速度大約為10m/s,如果我們觸地後屈腿,或者打滾,使減速時間為1s,那麼加速度就是十米每二次方秒, 大約是一倍重力加速度。但是如果我們沒有屈腿,而是直立在地面上,減速時間為0.1s,加速度就大約是100米每二次方秒, 10倍重力加速度,很容易受傷。

    人在入水時,由於人的速度很快,水在短時間內難以向周圍散開,於是會給人很大的作用力,這種情形就好像人跳到水泥地面上沒有進行很好的緩衝一樣,容易讓人受傷。

    人從高處跳下時,高度越高入水時速度越快,根據運動學公式,入水速度v與高度h和重力加速度g的關係是:

    在落地之後,會受到水面對人的作用力。這個作用力非常大,與人的形狀、觸水面積、速度等因素都有關係。根據實驗結果,水面對人的作用力表示式為:

    其中k為與形狀有關的比例係數,A為入水面積,v為速度。

    如此,就可以計算加速度了。入水時由於水面對人的作用力遠遠大於重力,因此人受到的重力忽略不計,人只受到水面作用力F的作用。根據牛頓第二定律,加速度

    我們透過這個表示式發現:人入水的時候加速度a正比於觸水面積A和高度h,反比於質量m。

    如果高度越高,觸水面積越大,質量越小,人在入水時加速度越大,人越容易受傷。反之,如果高度低、觸水面積小或者人的質量大一些,入水時加速度小,人就不容易受傷。

    那麼,到底多高才是安全距離呢?這並不是一個簡單的問題。

    由於比例係數k透過計算很難確定,我們需要透過實驗來得出結論。《流言終結者》曾經做過一個實驗,將一個假人腦子裡塞入一個加速度計,並從h=50m處釋放,讓他自由落入水中,測量入水時的加速度。

    透過腦子中的加速度計,我們知道了假人入水時的加速度,幾次測量結果稍有不同,但是都在250倍重力加速度以上。

    要知道,一次猛烈的車禍加速度也不超過一百倍重力加速度,人能承受的加速度不超過50倍重力加速度。果然,入水之後假人的腿斷了,身體其他部位也有不同程度的損傷。

    我們來看那位跳橋者。由於他入水時並未採取特定的姿勢,所以入水面積與假人基本相同,我們再假設二者質量也相同。那麼唯一的區別就是水面高度。跳橋者從開始下落到入水大約2.2秒,根據運動學公式可以計算出橋的高度約為25米,大約為流言終結者的一半。因此跳橋者入水時的加速度大約是125倍重力加速度。這麼巨大的加速度一定會讓人受傷。

    有一種運動叫做高空跳水,男子高空跳水的高度是23米到28米,女子是17到23米。高空跳水運動員必須經過長期訓練,普通跳水運動員哪怕是田亮、郭晶晶,也不敢嘗試。在高空跳水時,運動員會將身體繃直,以腳入水,從而減小入水面積。例如如果在25米入水,面積減小為假人的四分之一, 那麼加速度就可以減小為大約30倍重力加速度,人體勉強可以承受。

    結論

    即便是專業的高空跳水運動員,如果稍有不慎,也會出現事故。所以對於普通人來講,10米以上的跳水高度就極有可能受傷甚至死亡,高度超過50米普通人基本沒有生還可能。大家千萬不要被電影情節中男女主角懸崖跳水逃脫的情節欺騙了,千萬不要輕易嘗試高空跳水。

  • 中秋節和大豐收的關聯?
  • 中華民族有哪些民族英雄?