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人在200米深的游泳池水中一起从10000米高空落下会不会死
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人在200米深的游泳池水中一起从10000米高空落下会不会死

发布日期:2022-04-08 09:22    点击次数:118

人在200米深的游泳池水中一起从10000米高空落下会不会死

题主对重力的威力一无所知啊。
即便装在200米深的游泳池中,从高空坠地也会死,而且死得相当的惨烈。


游泳池从高空下坠的时候,除了受到重力外,还有浮力和空气阻力。
如果游泳池下坠到地面之前,能够达到受力平衡。
那么:重力=浮力+空气阻力。
即,



换算得:


为空气阻力系数,,垂直截面为 1,
为空气密度,
为水密度。
为游泳池横截面积,
为游泳池高度,
为终速。游泳池大小为:长50m,宽25m,深200m,泳池壁重量忽略不计。
游泳池重25万吨。
易得游泳池的终速为:
=1741.66m/s
整个泳池坠地的刹那,动能为:

1吨TNT爆炸释放能量
,游泳池释放的能量,相当于9 万吨TNT。
而美国投放在日本广岛的核武器小男孩的当量是1.5万吨TNT。
游泳池坠地释放的能量,相当于6颗小男孩的当量。
产生的效果,极有可能是这样的:


不过,题主提到的是从10000米高空坠落,自然达不到终末速度。
但死亡方式,比起上面这种瞬间解脱,游泳池从10000米高空落地,会更加的凄惨。
那万米高空的游泳池,落地的速度是多少呢?
万米高空无论重力、空气密度等都是变化的,要得到一个精确点的速度并不容易。
随着高度变化,温度、重力加速度、空气压强、密度、粘度的变化如下:


但有了这张图表骰宝概率,我们不妨对速度进行暴力计算:
温馨提示:不想看公式的,可以跳过计算过程,直接看后文的速度。加速下落过程中,有:







那么



再带回


得:



可得:
落到9000米的速度为:
落到8000米的速度为:
落到7000米的速度为:
落到6000米的速度为:
落到5000米的速度为:
落到4000米的速度为:
落到3000米的速度为:
落到2000米的速度为:
落到1000米的速度为:
落地速度为:

整个过程平均重力加速度为9.79m/s^2,重力做功等效的速度为:

可以看出,从10000m高空坠地,减小的速度其实很少,空气吸收了约2.89%的能量。
游泳池撞击地表的实际动能:

计算出来的动能,大约比之前减少了一个数量级,但也相当于一颗小型核弹了,小男孩当量的40%。
由于地表大部分都是海洋,那么这个游泳池有70%的概率落入水中。
入水撞击的刹那,存在冲击力。
最大冲击力为:


最大冲击压强为:


冲击系数的大小,满足公式:

[1]
从公式可以看出, 如果物体垂直与水面撞击,
趋近于零,
也趋近于无限大。
但物体落水,怎么都会存在一定的夹角:


这是不同研究人员对楔形物体撞击水面,得到
数值与夹角的关系。
当楔形物体与水面夹角为10°时,
大于45,甚至高达60以上,预估可到75。
物体落水与海平面10°的夹角是合理。

我们取60的平均值,得到撞击的最大压强为:

,也即

已知人类骨头不同干密度的压缩极限强度在40~75MPa之间[2]
人体皮肤强度的典型值在2~1.6MPa之间[3]。
甚至水在常温下,1GPa之后,会直接凝固成密度高于正常冰块数倍的超级冰:


在高压下,水体是弹性可压缩的,受到的压强会呈现一个梯度变化。
根据问题的原描述,游泳池壁为刚体,不用不考虑泳池壁破碎的情况。具体压缩尺度和时间,需要进一步来探讨:
若最大冲击力看做不变,那么:


冲击距离

冲击时间

从公式可以看出,当物体的高
不变时,速度越大,核心冲击时间越短。
可得,理论最小冲击距离2米左右,理论最小冲击时间0.01s左右。
当然,实际落水
是变化的,平均值比
更小,冲击距离和冲击时间也会更长一些。
若我们把力
看作是均匀减小的,那么冲击距离则变成4米左右,而冲击时间为原来的
倍,也即2~3倍。
以下是不同研究者所做的楔形物体落水,冲击时间与速度的关系:


可以看出,相关研究中速度大幅下降的主要冲击时间在0.04s左右。
最大冲击力
出现在图像中斜率最大的位置。
可以看出,若一直保持最大冲击力,则冲击时间会缩短至0.02~0.03s左右,也差不多是总冲击时间的1/2。
这样看来,我们在本题中,把总冲击时间取值为理论最小值的2倍是合理的。
那么,题主和游泳池落水与海面发生冲击时:
产生的冲击时间大约是0.02s,冲击距离约3m左右。
高达11GPa的压强产生在水底,只有最底层一两米内才可能出现超级冰。
那么,题主身体在水中遭遇的情况,则和在水中的深度有关。
人体70%都是水分,如果题主在靠近游泳池底的位置,那么可被顷刻压缩成杂质超级冰。
由于冲击力持续时间只有0.02s,刹那间游泳池内部的压强又会顷刻释放。
超级冰瞬间溶解,题主也完全解体。
当然,如果题主在水面上,那么是值得深入探讨的。
因为在超级压强下,水完全可以看成弹性体。
在冲击海面的瞬间,由于水体收缩,题主受到的压强的确远远低于

但不要忘了,题主自身也拥有
的速度。
发生冲击之后,在水体收缩的过程中,题主的速度会变成零。
前文已经得到了水体压缩3m,持续时间0.02s的结果。
但游泳池水面的情况则有些不同,冲击持续0.01s之后,外压就会骤降,游泳池内的水体就会开始反弹。题主身体会经历一个极短的减速到加速的过程。
类似于弹簧落在地面上,弹簧弹起刹那对,弹簧对地面的做功才会为零。可计算得,题主减速时,受到水向上的压力可高达:
3062010N,也即相当于306吨。
虽然这个压力均摊在人体横截面积上,产生10MPa的压强,差不多正好能撕裂较脆弱部位的皮肤。但其实,由骨头、体腔以及内脏,组合成的人体远远无法承受这么高的压强。
一个5吨的中型卡车,轮胎受压面是200cm^2时,产生的压强才差不多2.5MPa。但这样的卡车足够把人给碾死。
从10楼高度跳下,完全横躺坠地产生的冲击压强也就1MPa左右。
所以,从整个人体来看,所能承受的压强,远远低于单个骨头或者皮肤的压强极限。
10MPa的平均压强,足以令局部骨折,同时令胸腔塌陷,内脏破裂而死亡。
除此之外,人的头颅整体上是骨块拼接而成的。像太阳穴下翼点这样的地方,由蝶、顶、额、颞四骨,汇合成“H”形缝隙,当受到外部较大冲击力时,这些脆弱部位,就会直接发生形变,从而导致整个颅骨破裂[4],10MPa很明显对颅骨结构充满了挑战。
当然,我们的题主很强大,假设他侥幸不死。
那么压缩到极限之后,水再次膨胀。
理论上所有水体在题主身上施加相同的总力量,把速度再次推回
(考虑到各种损耗,实际达不到,但并不影响再次坠地的终末速度)。
压缩膨胀都在瞬间完成,水受力不平衡,会向上产生激流。题主身上某些部位承受的压强,会超过10MPa的好几倍。
超过16MPa这些激流就能直接切割皮肤,超过100MPa便有切割骨头的能力。
当然,不排除题主意志坚如铁,依旧坚持着。
那么题主飞向高空,最后再次下坠,将会以肉身的状态再在水面产生约40m/s的终末冲击速度。
虽然人体看做圆柱体,
可以低至6左右[5],但产生的冲击压强依然高达10MPa。
从之前到现在,这不知道已经相当于多少辆重型卡车在题主身上碾过。
如果题主乘坐的游泳池,不是落在海里,直接落到陆地上的话,情况实际也很类似。
内部的水也是类似的压缩过程,只不过压缩程度稍微更多一些。极限情况是,地面看做刚体,压缩做功完全等于动能。冲击系数无限高,最底层的水甚至可能压缩到核聚变(当然,现实中不会发生,毕竟陆地并非刚体)。
水底的题主,将以更快的速度凝固成超级冰然后解体。
如果在水面上,同样会经历减速到抛射的过程。
由于落在陆地上受力不均。
身体局部区域超过100PMa压强,直接造粉碎性骨折而身亡。


如果题主天赋异禀,整个过程,依旧都完好如初。
那介于他的身体能够承受的压强可超过10GPa,我深刻怀疑他是这个哥们:

参考
^陈庆民, 吴宗成, 王丑丑. 二维对称物体的入水冲击研究[C]// 第八届全国流体力学学术会议论文摘要集. 2014.^徐晋彬, 张宏民. 人颅骨力学性质的实验研究[J]. 医用生物力学, 1996, 011(001):5-9.^卢天健, 徐峰. 皮肤的力学性能概述[J]. 力学进展, 2008, 38(4):393-393.^朱青安, 欧阳钧. 人体头部承受正面和侧向冲击的颅骨应力分析[J]. 中国生物医学工程学报, 1995, 14(2):140-140.^I. M. C. Campbell and P. A. Weynberg, “Measurement of Parameters Affecting Slamming,” Report No. 440, Wolfson Unit of Marine Technology, Southampton, 1980.

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