问题

人在 200 米深的游泳池水中,一起从 10000 米高空落下会不会死?

回答
这个问题很有意思,我来帮你掰扯掰扯。

首先,我们得先弄明白几个关键点:

1. 什么叫“一起从 10000 米高空落下”? 这是说所有人都被绑在一起,还是每个人都是独立个体,只是在同一时间开始下坠?
2. 200 米深的游泳池是什么概念? 这是一个非常、非常深的泳池,比大多数人想象中的泳池要深得多。世界上最深的游泳池也不过 60 米左右。
3. “会不会死”是个相对的概念。 是指能够毫发无损地到达池底,还是说能够存活下来,哪怕受了重伤?

我们先假设一个最接近实际情况,但又最不利于生存的场景:

假设场景:

所有人都赤身裸体,没有穿任何防护装备。
每个人都是独立个体,但同时被从 10000 米高空抛下。
下方是一个 200 米深的,装满了清水的游泳池。
我们讨论的是能否“活下来”,即使严重受伤。

10000 米高空自由落体:死亡的概率极高

从 10000 米高空跳下,绝对不是闹着玩的。人体的速度会随着重力加速,直到达到一个叫做“终极速度”(Terminal Velocity)的点。对于普通人来说,这个速度大约在每小时 200 公里左右(取决于姿势、体重、空气阻力等因素)。

在这个速度下,空气的阻力会与重力平衡,人就不会再加速了。然而,即使如此,以每小时 200 公里的速度撞击任何东西,其冲击力都是毁灭性的。

想象一下,你开车到这个速度,然后一头撞到墙上,结果会怎样?这就是人在这个速度下撞击物体时会发生的情况。

那么,撞击水面呢?

很多人可能觉得水是柔软的,可以缓冲。但别忘了,水的密度远大于空气。在极高的速度下,撞击水面并不会像你想象的那样温柔。它会像撞击一块坚硬的地面一样。

想想看,跳水运动员为了减少水花和身体的冲击,需要经过严格的训练,并且他们的下落高度远远不及 10000 米。即使是经验丰富的跳水运动员,从几十米的高度跳下,也会受到一定的冲击。

在 10000 米高空以终极速度撞击水面,其冲击力足以导致:

严重的内脏破裂: 身体内部的器官会在瞬间受到巨大的挤压。
骨骼粉碎: 几乎所有的骨头都会承受难以想象的压力。
身体组织撕裂: 即使是皮肤和肌肉,也可能无法承受这种冲击。
休克和死亡: 在这种情况下,大脑会立即停止运作,死亡是必然的。

所以,在达到游泳池之前,大多数人可能就已经因为高空坠落时的冲击力而死亡了。

但如果奇迹发生,有人幸存到接触水面呢?

如果我们强行假设,有人在坠落过程中以某种方式(比如保持一个非常奇特的姿势,或者以某种奇迹般的慢速下落,但这一点在物理上几乎不可能实现),并且毫发无损地到达了 200 米深的游泳池上方。那么,接下来会发生什么?

水对高速下落物体的阻力

水,作为一种液体,会提供相当大的阻力。就像你把手伸出车窗会感受到风的阻力一样,把手伸进水中也会感受到阻力,而且水的阻力要大得多。

当一个高速物体进入水体时,水的阻力会迅速减慢它的速度。这种减速并非是温柔的,而是伴随着巨大的冲击和能量释放。

表面冲击: 即使是看起来“软”的水,在高速撞击下也会表现出极大的抵抗力。想象一下用勺子搅动水,你越用力,水提供的反作用力就越大。在极高速度下,这种反作用力是灾难性的。
水体压缩和波浪: 当高速物体进入水面时,会产生剧烈的冲击波,水体会被压缩,并产生巨大的浪花。这些冲击波本身就可能对人体造成伤害。
减速过程: 尽管水会减速,但它仍然需要相当长的一段距离才能将人完全停下来。在 200 米的深度里,尽管水的阻力巨大,但以极高速度进入水体,仍然会产生巨大的冲击力。

想象一下 200 米的深度对这个过程的影响:

1. 无法“软着陆”: 即使水能够减速,但 200 米的深度对于一个以近乎终极速度撞击水面的人来说,仍然不足以提供一个安全的缓冲。冲击力会在整个下落过程中持续作用。
2. 身体的完整性: 人体在高速冲击下会变形、撕裂。即使撞击的是水,身体的结构也无法承受这种瞬间的巨大压力差和形变。
3. 氧气供应: 在下落过程中,以及进入水后,人会因为缺氧而昏迷甚至死亡。

一个更形象的比喻:

想象你手里拿的是一个金属球,从 10000 米高空丢进一个装满水的大桶里。这个金属球会以极快的速度撞击水面,然后快速下沉,但它在撞击水面的瞬间,其表面会受到极大的冲击,甚至可能凹陷或变形。人的身体,虽然不如金属球坚硬,但在这种极端情况下,其脆弱性暴露无遗。

结论:

是的,人会死,而且是极其痛苦和迅速地死去。

即使这些人能够奇迹般地一起从 10000 米高空落下,并且恰好落入一个 200 米深的游泳池,他们也会在接触到水面的那一刻,或者在水体对他们造成初步减速的过程中,因为巨大的冲击力而当场死亡。

水并不是一个万能的缓冲垫,尤其是在处理如此巨大的动能时。人体的结构在这样的速度和冲击下,根本无法承受。与其说是落入水中,不如说是撞向了一层非常非常厚、但依然具有巨大惯性的液体。

即使有人能奇迹般地通过水体进入更深处(这本身就违背了物理定律),他们也早已因为撞击而失去了生命体征。

所以,答案是肯定的,人会死,而且是毫无疑问地会死。这个场景充满了对物理定律的挑战,最终的结果都是悲剧性的。

网友意见

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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,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:

令 ;

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。

若 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

  1. ^ 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.
  2. ^ 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.
  3. ^ 卢天健, 徐峰. 皮肤的力学性能概述[J]. 力学进展, 2008, 38(4):393-393.
  4. ^ 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.
  5. ^ 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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