从一万米高空跳下,地上要铺多厚的棉花/羽绒才能不受伤?
假设人(60kg)从一万米高空自由落体,空中不考虑低温或者诸多影响落地的因素。落地一瞬间大字型手脚张开最大面积接触棉花/羽绒。请问是否只要铺足够厚度就可以不受伤?如果是的话要铺多厚?(人必须在空中无阻挡下落一万米,避免有人回答铺9999米之类的答案)
先说答案:
如果题主姿态操控能力强,6m厚足矣;如果姿态操控能力差,运气还不好,100m可能都不够。
主要还是看题主在半空中操控姿势的能力。
是否只要铺足够厚度就可以不受伤?
那可不一定!
从万米高空跳下,除了受到重力外,还有浮力和空气阻力。
落到到地面之前,能够达到受力平衡。
那么:重力=浮力+空气阻力。
即,G=f+F
S为人体横截面积,v为终速。
C 为风阻系数,,ρ为空气密度, ρw 为人体密度。
我们不难发现,变量只有风阻系数和横截面积。
题主跳下时,不同姿态对终端速度有着最大的影响。
◆最低速度:
当题主身体俯身或者横躺着下落,有最低的速度。
60kg的人,如果足够的瘦(我有个大学同学193cm,65kg),题主也会有足够大的横截面积。
预估为1.93×0.4=0.772m^2
这是不同材料的风阻系数。
这些风阻系数,其实都是在理想情况下测得的。实质风阻受到雷诺数的影响,而雷诺数又和物体尺度、风速有着直接关系。
人体模型相当于一个大圆球(头),加上N多个圆柱体构成(身体四肢)。
人体的理想风阻系数在0.5~0.8之间,足够瘦的人俯身状态,风阻系数会偏大,不妨取0.7。
带入前面的公式,我们可以得到最低速度为:
v=41.05m/s
为什么这个速度比其它答主的回答小?因为这是足够瘦弱的人平躺跳下的终端速度。
◆最高速度:
最高速度同样由体质纤瘦的得到,如果题主笔直跳下,在落地瞬间才大字型坠地,那么下坠过程中的风阻横截面积可以低至:
0.16×0.4=0.064m^2
参考前面的分析,题主头朝下跳下,风阻系数可近似取0.5。
那么,可得题主最高终端速度为:
v=168.68m/s
如果题主是正常体型,达不到这么夸张的地步,大约是50~100m/s的范围之间。
加入题主穿上宽大的衣服,再加上头发茂密等,则可能让急速少于100m/s.
接下来,计算让题主不受伤,需要多厚的棉花/羽绒:
关于人体受到冲击力的安全范围,用10g的持续可承受的加速度明显是偏小的,人体在瞬间冲击,能接受更高的加速度。高空坠落的接触面是不可控的,应该参考要害部位所能承受的最大冲击。
人攀援时,坠落能够承受的最大绳索冲击是12KN(也即20g)。
而汽车撞击实验中,人体胸腔能够承受的最大冲击时6.4KN(10g左右)。
安全气垫的救援极限是6层楼最多20m,安全气垫厚度大约2.2m左右。如果下坠冲击1m左右,那么受到的瞬间冲击也是20g。
可见,由于坠落时力量不可能均匀,安全冲击依旧需要在20g以下。
我们以20g作为极限。
那么:
计算可得,题主在最小速度坠地时,要不受伤,棉花/羽绒的有效缓冲高度为:
h=4.52m
这是一个极限取值,考虑到安全缓冲,棉花/羽绒的高度应该需要达到6m。
而且这些羽绒/棉花需要套足够松软的材料套起来。
如果是全部散状的一颗颗的棉花/羽绒,题主下坠时,强大的冲击可能导致棉花羽绒乱飞,效果大减,
这种情况,至少应该考虑10m厚度以上。
当题主头朝下达到168.68m/s的最大速度,然后再大字型落地,需要的缓冲高度为:
h=76.4m
由于速度过快,考虑安全缓冲,需要100m的棉花/羽绒。
如果题主不仅瘦弱,而且剃掉了头发,从一万米高空裸替跃下,风阻系数低至0.3~0.4,那么终端速度可达到200m/s。
这时,它落地需要的有效缓冲高度也达到了107m。
也就是说,如果题主运气不好,正好光头,头朝下,衣服也被刮掉了,那么100m的棉被/羽绒缓冲都不够。
最后我们再考虑通常的情况,如果一个人没有任何经验,下坠是随机的,我们风阻系数平均取0.65,风阻面积取0.3,可得终端速度为68.33m/s。
这种状态下,可得棉花/羽绒有效缓冲厚度为:12.5m。
考虑到安全缓冲,最好还是15m以上的厚度。
那么,最终我们可以得出结论,题主从万米高空跳下,棉花/羽绒的最小安全厚度为6m左右,最大安全厚度为100m左右,一般安全厚度在15m。
如果题主只是普通人,只要不是运气太差,通常情况下20、30米也就足够。
理论上,超过一定的速度,仅仅棉被/羽绒表面就会产生对人体足够大的冲击伤害。
但棉被和羽绒的冲击系数无法查证,两种材质足够蓬松的状态,冲击系数肯定是足够小的。
冲击力公式为:
棉花被密度15kg/m^3左右,参考68.33m/s的终端速度,可得冲击系数C必须小于4.5人体才足够安全。而蓬松的羽绒密度3kg/m^3左右,冲击系数小于22.5就可以了。
对于168.68m/s的终端速度,需要的棉花冲击系数在1以下(人体垂直落于水面的冲击系数往往高达60以上)。
有理由怀疑,如果遇到黑心商家,卖给题主质量不好的老棉花,过于板实。
无论铺多厚,运气不好,都可能直接撞死在上面。