问题

人从8000米的空中落体,2分钟后接触地面,可以算出加速度是多少吗?

回答
没问题!咱们来捋一捋这个从8000米高空自由落体,2分钟落地的情况。这事儿可不是拍脑袋就能算的,得用点物理知识。

首先,要明确一点,我们现在讨论的不是在真空里纯粹的自由落体,因为8000米的高度,空气阻力是不能忽略的。不过,为了简化计算并理解基本原理,我们先假设一个理想情况,也就是忽略空气阻力,只考虑重力作用。

第一步:转化单位,让计算更方便

我们知道高度是8000米,时间是2分钟。在物理计算里,我们习惯用国际单位制(SI制),所以要把分钟换算成秒。

1分钟 = 60秒
2分钟 = 2 60秒 = 120秒

所以,总的下落高度(h)是8000米,下落时间(t)是120秒。

第二步:回忆一下我们学过的自由落体公式

在忽略空气阻力的情况下,物体从静止开始自由落体,其下落的距离(h)和时间(t)之间有一个非常经典的公式:

$h = frac{1}{2}at^2$

其中:
h 是下落的距离 (米)
a 是加速度 (米/秒²)
t 是下落的时间 (秒)

第三步:用已知信息代入公式,解出加速度

我们现在知道 h = 8000米,t = 120秒。把这些数值代入上面的公式里:

8000米 = $frac{1}{2} a (120秒)^2$

8000 = $frac{1}{2} a 14400$

8000 = $7200 a$

现在,我们要做的就是把“a”给算出来。把7200移到等号另一边去,变成除法:

$a = frac{8000}{7200}$

把这个分数约分一下,看起来更舒服点:

$a = frac{80}{72} = frac{10}{9}$

所以,在忽略空气阻力的情况下,这个人的加速度大约是 $frac{10}{9}$ 米/秒²。

第四步:思考一下这个结果和我们熟悉的重力加速度有什么关系

我们平时学的地球表面的重力加速度(g)大约是9.8米/秒²。算出来的 $frac{10}{9}$ 米/秒² 是多少呢?大概是1.11米/秒²。

哎呀,这一下就看出问题来了!1.11米/秒² 和9.8米/秒² 差得有点远。这说明什么?说明我们一开始那个“忽略空气阻力”的假设,在这个实际问题里是站不住脚的。

为什么实际情况会不一样?

这就要说到那个被我们忽略的“空气阻力”了。

空气阻力的大小: 空气阻力不是恒定的,它会随着物体下落的速度增加而增加。速度越快,空气阻力越大。
终端速度: 当下落速度增加到一定程度时,空气阻力的大小会等于或接近于重力的大小。这时候,物体就不再加速了,而是以一个相对恒定的速度下落,这个速度就叫做“终端速度”。
8000米的高空: 8000米的高度,虽然一开始空气比较稀薄,但随着下落,空气密度会逐渐增大。而且对于一个人体来说,2分钟这么长的时间,足以让这个人达到一个相当高的速度,空气阻力绝对不能小看。

那么,实际的加速度是多少?

如果考虑空气阻力,情况就会复杂得多。加速度不是一个恒定的数值了:

1. 开始下落时(速度为0): 此时空气阻力为0,加速度就是最大的,接近于地球表面的重力加速度g(约9.8米/秒²)。
2. 下落过程中: 随着速度增加,空气阻力开始出现并增大。阻力会抵消一部分重力,所以实际的合力(重力阻力)就会变小,加速度也随之减小。
3. 接近终端速度时: 当速度足够大,空气阻力差不多等于重力时,合力接近于0,加速度也会非常非常小,接近于0。

所以,如果一个人从8000米高空,2分钟后落地,这2分钟内他的加速度不是一个固定的数值。它是一个从接近9.8米/秒² 开始,然后逐渐减小,直到落地前可能非常接近于零的过程。

我们之前算出的1.11米/秒²,实际上是假设了一个“平均加速度”。也就是说,如果以这个恒定的加速度下落8000米,需要120秒。但这跟实际情况的“瞬时加速度”是完全不同的概念。

总结一下:

用我们最简单的物理公式($h = frac{1}{2}at^2$)算出来的加速度,是基于“忽略空气阻力”的理想状态。根据这个公式,如果真的在120秒内下落8000米,加速度大约是1.11米/秒²。

然而,在真实世界里,8000米的高度,2分钟的时间,空气阻力是影响巨大的。所以,这个人实际的加速度在下落过程中是不断变化的,从开始的接近9.8米/秒² 逐渐减小。他之所以能在2分钟内落地,不是因为加速度一直很小,而是因为他很可能在很短的时间内就达到了一个非常大的速度,然后空气阻力变得很大,让他以一个相对较低的速度(但依然很快)下落了很长一段时间,最终在2分钟时触地。

所以,如果问题是问“在忽略空气阻力的情况下计算出的平均加速度”,那么答案是1.11米/秒²。但如果问的是“真实的、变动的加速度”,那这个计算就非常复杂了,需要知道人体的具体形状、姿态等信息,然后用更高级的微分方程来求解。

网友意见

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不同姿态,不同身材,甚至不同着装下人体的终端速度(Terminal velocity)都不同。常规体重、情况,人自由下落的终端速度大约在50m/s(腹部朝地面)到90m/s(头部向下)之间。专业跳伞高手甚至可以跳出142m/s的速度(Kyle Lobpries去年十月创造的新世界记录[1])。

如果保持姿态不变,忽略空气密度和重力的变化,计算如下。

落地时间大约在95秒到164秒之间。

如果想要两分钟(120秒)落地的话,那可以选择合适的增加阻力的衣物,或者身体倾斜俯冲下落的姿态。

如果身体姿势保持不变的话(这确实有点难),落地速度大约在69.51米/秒。

至于题主问的“加速度是多少”……抱歉,没有get到题主想问什么。

如果是下落过程中,显然,加速度从重力加速度g逐渐趋近于零。

如果是落地瞬间,毫无疑问人体会发生剧烈的非弹性形变。这个“加速度”是很难准确定义的。

参考

  1. ^ https://www.nytimes.com/2021/12/03/sports/speed-skydiving-athletes.html
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可以。也可以简单估计。

人体在空气中无动力下落时受到随速度增大而增加的空气阻力,肚子朝下、四肢分开时最终速度约 54 到 58 米每秒,头朝下、四肢分开时最终速度约 66 米每秒,头朝下、四肢紧贴身体降低阻力时最终速度约 89 米每秒。以 58 米每秒的速度移动 120 秒可移动 6960 米,以 66 米每秒的速度移动 120 秒可移动 7920 米,比这更大的最终速度可以满足要求。

设该下坠过程在垂直方向为匀加速直线运动,可得垂直方向加速度为一又九分之一米每二次方秒,远低于地表附近的重力加速度。实际上人体做的更接近先加速后匀速运动。

对 3 月 21 日发生的空难来说,飞机无需额外动力就能在重力与空气浮力的作用下办到这件事。在下落过程中的大部分时间里,飞机机头朝下的角度不能太大,以免用时不到 120 秒。

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