科学分析:如果没有降落伞,从飞机跳下,坠入海中会怎样?
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发布时间：2022-05-10 17:05
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时间：2023-10-17 19:38
从高空潜水时，严格来说，随着高度的增加，入水速度的加快，水体会越来越“硬”。为什么会这样？安全潜水的速度是多少？下面，我从力学的角度给你一个估计。
1.基本条件分析
飞机在巡航，为了飞行稳定，在平流层飞行，高度在1W米左右。众所周知，随着海拔的升高，气压和温度都在降低。海拔10000米，气压约为0.3个大气压，即使是地面气压的0.3倍，海拔10000米的温度约为零下30。所以一万米的海拔不是人类生存的环境。这就是飞机需要空调系统的原因。
万米不适合跳伞，正常跳伞高度在3000m-4000m左右，部分极限跳伞高度在7000m左右。在海拔3、4公里处，气压约为0.6大气压，温度约为0。在这种环境下，人体才能生存。因此，以下计算基于4000m。
2.下降阶段的力学
正常跳伞时，前半部分是加速下落运动，后半部分是减速运动。一般认为降落伞打开的安全高度为500米。也就是降落伞在500米高度打开时，有足够的时间减速，这样就不会*。
如上图，正常跳伞可以分为三个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段。由于空气阻力的存在，开始时速度低，空气阻力也小，所以是加速下降阶段。随着速度的增加，空气阻力急剧增加，当阻力等于重力时，就是恒速下降阶段。打开降落伞后，阻力变得更大，这就是减速下降阶段。
如果没有降落伞，人体会以恒定的速度撞击地面。平衡速度由以下公式得到，其中k是与形状、空气密度和迎风面积有关的系数，k=0.5c s。
假设头部朝下，迎风面积约为0.05m2，空气密度为1.293kg/m3，形状阻力系数为0.47，人体质量为75kg，那么平衡速度约为220 m/s，如果不使用降落伞，撞击速度为220 m/s。
3.冲击力学
水是一种流体。当撞击发生时，由于撞击速度非常快，水没有时间做出反应，呈现出固体的特征。水面因撞击而凹陷，但水体是一个整体，人体尚未侵入水体。随着撞击的继续，一方面撞击产生的应力波在水中传播，向外扩散；另一方面，冲击点的应力过大，水体不再能保持连续，被撞开。
如上图，关键在于撞击的瞬间。那一瞬间，因为撞击速度很快，水体很坚固。学术上称为“应变率效应”。对于大多数材料来说，当加载速度变得非常快时，材料本身没有时间做出反应。这种现象可以用应力波理论很好地解释。应力的传播是需要时间的，但是当载荷过快时，应力就不能及时传递，就会积累。而且位移响应很小，因为没有及时传递。这使得物体显得非常“坚硬”，准确地说，非常“坚硬”。这样冲击力大大增加。4.安全潜水高度
很明显，从跳伞的角度来说，高度的增加并不改变平衡速度，入水速度在220 m/s左右，为了估算安全潜水高度，就要想办法计算出水速度。实际计算显然非常复杂，涉及流固耦合分析。如下图所示，可以计算出车轮下水流的运动，当然也可以计算出相互作用力。
为了简单起见，我们直接用动量定理(Ft=mv)来计算。假设冲击力在整个过程中是恒定的，作用时间为0.5s，对人颅骨的冲击力约为400kg，因此计算出的冲击速度约为26m/s，是高空坠落平衡速度的0.12倍。作用时间越短，允许冲击速度越小。在这种低速下，空气阻力被暂时忽略。这种情况下，高度约为35m。也就是从35m的高度入水时，头骨刚好处于临界状态。
体育比赛中，最高海拔潜水28米，入水速度23.4米/秒左右，其实已经接近临界值，危险。但潜水员入水时，手指先入水，延长了入水时间。因此，冲击力降低。
5.摘要
跳伞后，不采取任何措施，直接入水速度达到220 m/s，由于“应变率”效应的存在，水体在高速撞击下反应缓慢，呈现“坚硬”固体的特征。在这种情况下，冲击必然导致无生命的死亡。
在头骨所能承受的冲击力下，安全潜水高度约为35m，实际潜水高度高达28m。但是，不要把头直接伸进水里，你可能会被水打晕。
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时间：2023-10-17 19:38
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