为什么坠物很危险?物理老师做了实验
较真要点:
高空坠物的危险性与坠物的重量、速度、减速时间有关。首先,坠物越重,能量越大,伤害越大。其次,高度越高,物体落地越快,损伤越大。最后,如果减速时间短,没有足够的缓冲,坠物对人体的影响会很大。
查证者:杨碧旺丨德国布兰登堡州工业大学物理硕士
现在的居民楼越修越高,各种媒体上经常看到物体坠落、人从楼里掉下来的报道。虽然很多人都知道坠物很烦人,但他们可能对坠物的危险性了解不够。今天我们就用几个简单的实验来告诉大家,为什么坠物是“空气杀手”。
一、影响高空坠物危害的因素之一:重量
牛顿发现了万有引力定律,据说是受苹果落地的启发,但没有确切的历史证据。甚至有人说苹果掉在牛顿头上,这是一个警钟。不管怎样,我们应该感谢苹果。如果是椰子或者榴莲,那么砸头的场景就太可怕了。我们不一定非要撞头那么刺激,可以想象先撞脚。
比如我去买水果,买了一袋鲜枣带回家。
结果塑料袋破了漏了,一堆枣子砸我脚。如果光着脚,估计枣子直接接触脚会疼,但是不会疼。如果穿厚一点的鞋,可能就不会疼了。
第二天买了一袋苹果,同样的塑料袋,漏了。拳头大的苹果砸到了我的脚。嗯,我感觉到疼痛,我甚至可能尖叫一两次。
第三天买了个西瓜,真倒霉。塑料袋又漏了,还打在我脚上。就不会喊几声。即使忍住了,也要从牙缝里吸几口凉气。
这是因为重量不同造成的伤害效果不同。因为打脚的速度是一样的,但是重的东西能量更大,所以伤害更大。
二、影响高空坠物危害的因素之二:速度
高空坠物,东西掉的地方越高,掉在地上越快。
为了给大家更直观的理解,我们以苹果为例,看看它们从不同楼层(假设每层楼高3米)坠落的速度有多快。
本表数据采用简单模型计算(考虑空气阻力)。为了真实,我还买了2斤嘎拉苹果(甜脆),和同事一起操作,看效果。每个苹果重约180克。我分别从2m、3m、4m的高度放苹果。图片显示起始高度越高,速度越快,伤害越大。虽然4米的身高对苹果造成的伤害有点惨,但还是可以接受的。
当然我不会停在4米。还找了个10米的高度放苹果。接近地面时,速度可达每秒14米左右。木板平放在地上。原计划是让苹果打在木板中间,结果倾斜了。但不影响观看。
插视频:为什么坠物很危险?在10米的高度释放苹果
后来,我
换了一个木板,大约1厘米厚,四角安上支撑块。我们发现了有趣的现象,苹果被高高的反弹。插入视频:高空坠物有多危险?10米高空释放苹果
同事说苹果不够硬,不过瘾。于是我找了一个椰子,重287克,目标还是那一个四角有支撑的木板。
插入视频:为什么说高空坠物非常危险?椰子从10米高度坠落会发生什么?
可惜椰子砸在了木板边上,椰子自己完好无损,不过木板却是被砸坏了。
损坏的木板
同事说超市还有大西瓜,大概有10公斤。我说今天时间不早了,就算了吧。
实验表明,从10米的高度,也就是大概4层楼掉落的苹果,冲击力就已经不容小觑了,更别说是坚硬的椰子和更重的西瓜等等了。
三、影响高空坠物危害的因素之三:减速时间
要接住一个运动的东西,必须承受它带来的冲力。人接触到这个运动物体以后,减速时间(也就是缓冲时间)越长,人要承受的冲击力就越小,造成的伤害也就越小。下面动图中接西瓜的大哥,手碰到西瓜以后,胳膊明显的回缩,就是为了减少冲击力。如果没有回缩,硬生生的去接西瓜,那么不是手受伤就是西瓜受伤。
水果摊贩在轻松地接西瓜
消防队员为了接跳楼者而准备的消防救生气垫,就是为了缓冲。增加减速距离的同时,也就增加了减速的时间,使作用到人体的冲击力不会太大。这个气垫也不是把气充的鼓鼓的,把它封死不漏气,而是一直有鼓风机往里送气。这样人掉到上面,强大的冲击力把里面的空气从鼓风机这个开口处给挤出去,也实现了缓冲距离和缓冲时间的增加。如果把气充满密封,气垫反而没有了变形的余地,就会变得“很硬”,失去了缓冲的意义。
坠物的速度越大,需要的缓冲时间和缓冲距离也就越长。当坠物下落到离地面很近,速度很大的时候,在现实中就已经没有可以挽回的余地了。所以消防救生气垫也不是万能的,它针对的跳楼者一般都是20米以下的高度。对于超过20米的高度,由于坠物速度太快,消防救生气垫就无法提供足够的缓冲距离了。
动画片里,有美女坠楼,超人横飞过来,在美女砸到地面前的瞬间把人抱走,这样的场景是不科学的。超人是超人,身体结实,但是美女是凡人,身体承受不了在竖直方向上瞬间静止所带来的巨大冲击力,很可能会被超人钢铁般的手臂截成三段。所以科学的救人方式是在足够高的高度就把人抱上,慢慢减速落到地面。
四、 如果有人坠楼,徒手接人可以吗?
了解了上面这些基本知识,现在可以讨论一下别的问题了,比如徒手能不能接住人,撑床单救人可不可行。为了便于理解,我不使用物理上的力的单位牛顿,而是用我们便于理解的公斤。
假设一个儿童体重20公斤,从10米(约4层楼高)的高度掉落,假设我在孩子离地1.5米的地方开始接触孩子,此时孩子速度大约为每秒13米。假设缓冲时间为0.3秒,那么我要承受孩子的冲力87公斤和他本身的重量20公斤,加起来是107公斤。也就是说,20公斤的孩子落下来,我要拿107公斤的力气去接。我自认为我的身板还没有达到能接孩子的要求。即使我自己身体结实了,孩子自己能不能承受得住那87公斤的冲击力,也是个问题。而且我还要利用身体的灵活性和稳定性,接触到孩子以后,手臂跟着孩子一起下落,充分利用缓冲距离,减少冲击力。这一系列的动作,有很高的技术要求。而实际情况不会这么简单乐观。
网上也有报道,某人为了接跳楼轻生者而搭上了自己的性命,就是因为跳楼者太高了,落地时速度太快,冲击力太大,跳楼者和接人者都无法承受而丧命。
那么撑床单救人可不可行呢?假设有10个人去接上面的这个孩子,那么每个人只需要提供十分之一的力量就可以了,也就是10.7公斤。看数字似乎是可行的,不过考虑到床单是撑开的,而救人者拽床单的力量是水平的。当孩子落到床单上的时候,水平方向需要的力量是数倍于竖直方向的冲力。所以床单很容易脱手。即使不脱手,巨大的冲击力很可能也会把床单撕裂。所以依然要注意的是,要像接西瓜大哥一样,充分利用缓冲距离,跟着孩子一起下落,减少冲击力。不过现实中的热心市民很难在短时间掌握并配合。
我们只讨论了10米的高度和20公斤的孩子,就有很多注意事项和很高的技术要求。如果更高更重更快,就更危险,可挽回的余地也就更小了。
总之,高空坠物的危险性主要和坠物的重量、速度、减速时间相关,而实际情况中我们要营救坠楼的人的话,也要在保证自身安全的情况下科学施救。
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