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超级英雄物理学:能徒手接住坠楼者吗?
2012-03-19 18:08:50  出处:快科技 编辑:萧萧     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

据统计 ,中国有 26% 左右的儿童死亡原因是意外伤害,高空坠落、交通事故以及溺水是 3 个主要原因。近期我们听说过多起徒手接住坠楼儿童的新闻。这样的事情到底有多危险,见义勇为的人是多么伟大,分析一下。

就算是超人也有难度

让我们假设一个超人拯救失足坠落美女的场景。一个美女从 7 层楼高的空中坠落,受到的重力是 mg,假如不考虑空气阻力,她最终的速度可以通过如下公式求出:

超级英雄物理学:能徒手接住坠楼者吗?

假设她是从静止下落,也就是初速度 v 0 为 0米/秒,层高 3 米, 7 层楼高度为 18 米。据此我们可以算出美女落到地面的最终速度:

超级英雄物理学:能徒手接住坠楼者吗?

假如此人 50 公斤,则她所具有的动能将达到 8.836 千焦。现在超人站在原地把手举起到与他的身高差不多,比如从 1.80 米开始接人。并且他将在女孩落地前把她的速度平稳地降低到 0 米/秒,这需要多大的力气呢?根据 FS = 1/2M v 2 (F是超人所要用的力,S从运动到静止的距离,这里为手初始高度)可以得到

超级英雄物理学:能徒手接住坠楼者吗?

这相当于要将差不多 500 公斤的物体在地球重力条件下移动 1.80 米。很显然任何一个正常人类都是做不到的,所以大概也只有超人在救美之后能够潇洒地摆个pose,耍个帅了。

可是这里还有点“小”问题。当超人伸出钢铁般结实的手臂,用 4909 牛顿的力去接美女的时候,该美女也要承受 4909 牛顿的力,所以她的骨头极有可能被超人的手给折断。谢尔顿在 TBBT 第一季第二集中和朋友们聊天时也曾讲过讲过类似的道理,依照物理学的眼光看超人救美,超人只可能把美女切成三段。

怎样减少坠楼者受到的伤害

只要没有心脏病,一般来说坠落本身不会伤人,致命的是其停下来的方式。消防员如果要拯救自杀的人,他们通常会采取两种措施:使用一个巨大的气垫或是几个人拉张网来接住下落的人。其原理都是把下落者的动能通过垫子或网的形变转换成弹性势能,同时摩擦会把一部分下落的动能变成热能。这两种能量的和我们用 E 表示。

超级英雄物理学:能徒手接住坠楼者吗?

从上面这个公式也可以看出,坠落的人可否活下来不仅仅与接触地面时的速度 v t 有关。如果落在垫子或网上,由于 E 值比较大,坠落者所承受的力F相对就小,增大了他活下来的可能。

这个问题还可以从动量与冲量转换的角度来看,由于 Ft = m v t ,接触时间 t 越长,则所受的碰撞力越小。同样的,气垫和撑起的网可以延长下落速度从 v t 降低为 0 所需的时间,这样就减小了可能的伤害。此外,我们知道同样的受力下,接触面积越小,压强越大,对接触的物体的损害可能也越大,从这个角度来说能和身体充分接触的气垫作用也要比胳膊好很多。综合以上这些分析,只要有可能(虽然可能性不大),还是不要用胳膊去接人,而应该去找个厚垫子。

坠落者生存的几率还与他用身体的哪个部位着陆也有很大的关系。人的头部是最为脆弱的,只被一层薄薄的颅骨保护着,因此需要尽可能避免头部受到巨大的冲击。假如着陆时脚先落地,那么腿骨和肌肉能够消耗掉一部分能量,延长撞击的时间,大大增加活下来的可能。人们常说猫有 9 条命,认为猫可以从高空坠落中活下来,这确实有一定的道理。 1987 年曼哈顿的 两位兽医研究了 132 只从 2 楼到 30 楼不等(平均为 5.5 层楼)的高空坠落的猫咪,其中的 90% 存活了 24 小时以上。猫能够具有这种神奇能力的主要原因除了它们比较轻( m 小,产生的动能小),还在于它们能够在空中控制自己的姿态,保证四条腿着地。不过绝大多数自由坠落的人没有受过训练,通常没有时间、技术和力量来控制自己的身体。

徒手接坠楼人,该不该?

回到徒手接人的壮举上,从上面的分析来看这确实是一件非常危险的事情。但任何一点对坠落过程的阻碍,都可能提高坠落者的生存几率。当然这往往需要见义勇为者付出自己受伤的代价,来帮助坠楼者分担一部分冲量。假如你遇上了这样的事情,留给你思考的时间通常只有 1、2 秒。这里死理性派要根据上面的物理分析提醒你几点。首先,要判断对方下落的高度和体重。如果楼层太高,对方又是个个头很大的成年人,那真的不适宜采用徒手救助的方式,因为这极其可能对你造成致命的伤害。其次,当你冲上去的时候,要注意尽可能延长冲击的时间。最好伸出双手并适当放松,争取用手臂来接人,采用两腿微蹲的站姿以避免自己的骨骼受伤,一定要确保自己的头部不受撞击。此外,对于女性来说,必须要脱去高跟鞋,在 最美妈妈吴菊萍 的案例中,吴妈妈做出脱鞋的决定极有可能挽救了她们两个人生命。

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