出品:科普中国

制作:张圣杰

监制:中国科学院计算机网络信息中心

一个人不背降落伞,从7500米高空跳下来还能安然无恙吗?答案是可能,只要你在落地时的减震装置足够好就行。

美国跳伞运动员卢克·艾金斯曾经不背降落伞,从7620米高空跳下,成功落入安全网中,创下世界纪录。

他是如何做到的呢?除了高超的跳伞技巧,最重要的莫过于地面帮他减速的安全网。那么安全网会如何保护运动员的安全?落入安全网和直接落在地面上有多大的区别?

艾金斯入网过程

(图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=aOBavry0K2E)

从高空跳下,有多危险?

大家都知道,从高空跳下,因为重力加速度的作用,将在落地时达到很高的速度。有多高?

从视频里明显可以看出,刚开始,安全网并不是处于紧绷的状态。艾金斯入网时的速度非常高,从接触安全网到完全减速至零,整个过程中他大约前进了15米,用时大约1.3秒。我们假设艾金斯入网后做匀减速直线运动,通过减速时间和减速距离可以计算出,入网时,艾金斯的初速度约为23m/s,速度达到了82.8km/h!

在这样高的速度下,我们假设他的体重为75kg,那么,通过动能定理可以计算得到,他在减速过程中的平均受力为1322N,相当于体重的1.76倍。

这种情况下,如果艾金斯直接落在地面上会发生什么呢?

很明显,相比安全网,地面非常坚硬,即使它被重物砸到也不会发生巨大的形变。

我们假设人直接落在地上造成的形变为0.1m,相应的减速距离也是0.1m。通过类似的方法我们可以计算得到人体平均受力约为200000N,这相当于运动员体重的约270倍。一般来说,人的距骨(人体最大承重关节组成部分)可以承受大约13000N的压力,可见如此大的力已经足以把人体骨骼压断。一般我们把从高处跌落造成的伤害称为坠跌伤,坠跌伤通常在体表只有轻微伤害,而内部则会发生严重的内脏破裂和骨折。尤其当坠落高度较高时,坠跌伤的损伤程度会很重,如颅骨严重粉碎变形、脑组织重度挫裂,甚至外溢;肋骨或四肢骨折;胸腹内脏破裂,甚至肢体断裂。

当然,这些惨剧并没有发生,艾金斯稳稳落入了地面上的安全网。

创下世界纪录,离不开安全网

从高空跳下的运动员要想安全落地,就必须缓慢地从高速运动状态减速到静止状态,要达到这样的效果就需要减速装置稳定地提供缓冲。

这样说来,好像需要很高端的装备才能实现这个目的。但实际上,一张安全网就能做到。

读者可能会问,安全网这么神奇吗?它的材料是不是也很神奇呢?

其实在科技高速发展的今天,安全网的材料可能真的称不上神奇,一般的化纤材料就可以满足艾金斯这个案例中所用的安全网的需求。

那它是怎么帮助艾金斯从80多公里的时速安全减速至静止状态的呢?从视频的结尾也可以看出,网自身并没有特别强的弹性。但是需要注意的是,一方面,在艾金斯落在安全网里之前,安全网的表面并不是平整的,这意味着大网处于松弛状态,所以它可以通过改变自身形状来延长减速距离。

另一方面,网很大(长宽各30米),这意味着网的质量也很大,因此尽管它吸收了艾金斯巨大的动量,也不会变得速度很大,这也保证了艾金斯的安全。网大带来的另一个效果就是它让网变得更有弹性,也就是劲度系数更小。读者应该有这样的体验:同样粗细的弹簧,长度越长越容易被拉开。这样可以让整个减速装置显得更软,提供更高的安全性。

正是这些原因,帮助艾金斯安全着陆。

除了安全网,还有哪些安全装置?

在接住高空坠落的人时,安全网并不是唯一的选择。

另外一个选择是安全气垫。

救生气垫 (图片来源:www.bo-can.com)

安全气垫和安全网的原理是一样的,不同的是安全气垫利用压缩空气的弹性来进行减速。当人坠落在安全气垫上时,气垫里的空气由于气垫形状的变化受到压缩,压缩的空气具有一定的弹性从而给人体提供缓冲。而且安全气垫一般都很厚,因此它能提供足够的减速空间。另外,安全气垫的侧面一般会有排气口,这样可以适量排出被压缩的空气从而使气垫表面一直保持比较松弛的状态,不然人落在气垫上会被弹飞造成二次伤害。

可以看出,要想让高空坠落的人安全落地,必须满足至少两个条件:松弛或柔软的表面,能够进行形变,从而提供缓冲,让人的速度慢慢地降到0;弹性不能太强,这样才能接住人,不至于把人弹飞造成二次伤害。除了接住高空坠落的人,这一原理还有着广泛的应用,比如火箭回收、高空救援和汽车安全气囊等等场景中。

对了,还需要足够长的减速距离。在《超凡蜘蛛侠2》中,尽管用蜘蛛侠用蜘蛛丝黏住了女主格温·斯坦西,但无奈减速距离过短,最终还是没能挽救她的生命。

超凡蜘蛛侠2 救人 (图片来源:电影《超凡蜘蛛侠2》)

最后提醒大家,正如我们前文所说的,艾金斯的安全着陆,离不开他高超的跳伞技巧,否则即使从几十米的高空跳下,也难以保证能准确落入安全网中。危险动作,请大家切勿模仿。