问题

在多大高度跳水时, 人会在撞击水面时死亡?

回答
这个问题牵涉到物理学、生理学以及一些非常不幸的可能性,要详细地回答这个问题,我们需要从几个方面来探讨。

首先,得明白一个基本的道理:从足够高的地方跳下,即使是落入水中,也极有可能导致死亡。 水在高速撞击下,表现出来的“软”度其实是有限的。

为什么水在高速度下会变得“硬”?

想象一下,你在地上轻轻拍水,水就像液体一样散开。但是,如果你用一个非常快的速度把手插进水里,你会感觉一股阻力,甚至有点疼痛。这是因为水分子之间存在着吸引力,并且当你快速进入水中时,水分子没有足够的时间散开,它们会“挤”在一起,产生一个巨大的反作用力。这个效应在物理学上被称为“表面张力”和“水的不可压缩性”的综合作用,再加上“冲击压力”。

简单来说,当你以极高的速度撞击水面时:

水的不可压缩性: 尽管水可以被压缩,但这种压缩需要巨大的压力。在短时间内,它更倾向于表现出几乎不可压缩的特性。这意味着你的身体会瞬间承受巨大的压力。
表面张力: 就像肥皂泡表面的膜一样,水表面也有一层“膜”,虽然它很薄,但在高速撞击时,它也会提供一定的阻力。
冲击压力: 这是最关键的因素。当你的身体以极高的速度撞击水面时,你身体的动能会在极短的时间内被耗散。根据动量定理,力等于动量变化率。你的身体在短时间内速度从极高降到零,这意味着巨大的动量变化,因此会产生巨大的冲击力。

那么,这个“足够高”到底有多高呢?

这很难给出一个绝对的数字,因为它高度依赖于许多变量,包括:

1. 落水姿势: 这是最重要的因素之一。
头朝下(“跳水式”): 如果身体笔直,脚先着水,水可以在瞬间从脚趾缝隙挤出,分散一部分冲击力,相对来说“最安全”(但“安全”是相对的,在高处依然致命)。
脚朝下(“插水式”): 如果头部先着水,或者身体像一块石头一样垂直落下,水无法及时分散,整个身体会承受巨大的冲击力,导致内脏破裂、脊柱断裂,非常容易致命。
身体平摊(“扑通式”): 类似跳水板运动员那样身体向水面打开,虽然增加了接触面积,但由于速度过快,仍然会承受巨大的冲击。

2. 身体素质和冲击部位:
柔软的身体部位(如腹部) 相比坚硬的骨骼,更容易在冲击下破裂。
内部器官: 即使外部骨骼没有立即碎裂,内脏(如肝脏、脾脏、肺部、大脑)也可能因为瞬间的巨大压力而破裂、出血或移位,这通常是致命的。
脊柱: 任何角度的脊柱断裂都会导致瘫痪甚至死亡。

3. 水的类型和状态:
淡水 vs. 海水: 密度略有差异,但影响不大。
静止的水 vs. 运动的水(如海浪): 运动的水可能会带来额外的复杂性,但主要还是速度起决定性作用。
冰冷的水: 极度的寒冷会加速体温过低,但在这个致死高度问题上,寒冷的作用远不如冲击力。

一些参考点(非确切科学数据,而是基于事故案例的推测):

几米到十几米: 比如从三四层楼高(大约1015米)跳入水中,对于普通人来说,如果姿势不正确,就已经非常危险了。脚先着水,姿势对,或许能生还,但很可能受重伤。如果头先着水,则极有可能死亡。
几十米: 从几十米(例如3040米,相当于10层楼左右)的高度跳下,即使是专业运动员,用他们最熟练的姿势,并且祈祷一切顺利,也极有可能死亡。在这个高度,速度已经非常快了,冲击力足以对身体造成毁灭性的伤害。
更高的距离: 超过100米的高度,几乎可以确定会死亡,无论姿势如何。此时的速度已经达到了一个令人恐惧的量级。

为什么我们看到一些“跳水奇迹”?

偶尔会有一些人在看似不可能的高度跳水后生还,但这通常伴随着:

极其幸运的姿势: 身体以一种能够最大程度分散冲击力的方式入水。
水的深度和深度: 足够深的水可以缓冲一部分减速过程。
身体的柔韧性(非常规): 某些情况下,身体的某些部分可能在撞击瞬间“塌陷”以吸收一部分能量。
医学救援及时: 即使幸存,也往往伴随着严重的内伤。

总结一下:

要给出一个精确的“致死高度”是困难的,因为“死亡”本身是一个结果,而不是一个精确的物理量。但是,我们可以说:

只要速度足够快,无论落入何种液体,都会产生足以致命的冲击力。
从约1015米(三四层楼)的高度开始,危险性就显著增加,不正确的姿势几乎是致命的。
从几十米的高度跳下,死亡的概率极高,即使姿势完美也难以幸免。

这并非鼓励人们去尝试,任何对身体和生命的冒险都是极其不明智的。以上分析仅是出于对物理和生理现象的探讨。

网友意见

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高度估计错了,没有十几米,已修改

作为一个21年的野外游泳爱好者,我告诉你,姿势对了,十几米以下一点事没有,姿势不对,2米就能把你拍的生疼,这个姿势就是头朝上笔直入水,脚尖都要绷直,还要用手捂着ball ,不然滋味…再教你一个小诀窍,跳水高度十米以下的在空中时间短的,你可以从起跳就保持笔直入水姿势,但如果是十米以上的在空中时间一秒以上的,起跳时你就要蜷缩身体成一个团状,来保持平衡,入水时再顺势转换成笔直状态,不然在空中笔直绷紧身体时间过长,就会不受控制的有一些倾斜,入水时还是会拍到侧面,生疼!我老家山脚下有个深潭,一面是个断崖,大概十米高,我们经常跳,有时候夏天下大雨河边大柳树大杨树被冲歪了,我们经常爬到树顶往河里跳,也有八九米了,一点事没有,现在想想,好爽!当时全是孩童的欢声笑语,但是严禁嗨过了,张牙舞爪双腿大开的入水,有可能就废了,睾丸还是很脆弱的,经不起大力拍打

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最近刚看完一篇用SPH算Slamming force的硕士论文,难得勉强够得上回答一记(自己跳过13米的悬崖,摔得也不轻,还能来点现身说法)。

由于人体不是刚体,也不是纯柔体,算是一个多关节自由度的弹性体,这个花样作死的问题变量很多,目前能想到的有:死亡标准、入水姿势、入水速度、个人体质、流场状态等等。现实的实验中,研究人员也没法把人一个一个往下扔拿结果做回归曲线和死亡概率统计,所以只好做一点数值模拟了。


死亡标准:有人说死亡标准有什么难的,跳完了拖上来看看还能不能蹦跶不就行了?非也非也,有的人跳水下来是由于心脏病发作吓死的,这样用不了两米的高度就够了;有的人是内脏摔烂了痛死的,有的人是全身骨折惨死的,还有的人是摔昏了被呛死的。不同的死法所需要的最小高度都不一样,为了方便计算,我们取人体大脑能承受的最大加速度为死亡标准,这就保证了哪怕你摔的高位截瘫全身器官换个遍加全身粉碎性骨折,只要你的大脑还健在,我们还是可以把它挖出来放进营养液中插上管子让你用VR玩Overwatch。

图一:Brain in a jar w/ VR goggles

Eli Beeding
是美国空军做过的最高加速度试验,这位叫Eli
Lackland Beeding Jr.的空军上尉曾经受过最高高达82.6 g的0.04秒瞬时加速测试并成功活到了85岁。我们就以大脑加速度82.6
g作为死亡临界标准。


入水姿势:入水姿势的讲究就更多了。先来看几个例子:

图二:正面入水
图三:团身式入水
图四:中国队入水
图五:外国队入水
图六:纳粹淹礼

那么哪种姿势入水冲击力最小呢?

首先,入水时的冲击力和物体在浸没时的匀速运动中收到的阻力并不一样。后者可以用 Morison equation 简单推得 ,阻力和水的密度、运动方向投影面积、速度的平方成正比,同时与物体形状有关。这里的代表着物体阻力系数,球体的阻力系数为 0.47,正方体的阻力系数为1.05。然而入水时的冲击力是由得出的,虽然相关性与阻力公式一致,但是冲击系数比阻力系数大的多,而且不是一个定值,它与物体入水的不同时刻有关。但是首先我们来看,水的密度越大,入水速度越大,接触面积越大,冲击力也就越大。冲击力越大,那么瞬时加速度也就越大。所以在入水姿势无法影响到水的密度和入水速度的时候,我们首先要考虑接触面积最小的姿势。那么就只有两种:身体笔直头先入水或脚先入水。

人的脚比手更能承受冲击力,手握在一起能形成更小的接触面积但头会更早入水。综合成功率和安全系数考量,这里选用脚入水的方式。正常成年人一只脚脚底面积约为 100 平方厘米,所以


入水速度:接下来我们就可以考虑这个花样作死问题的真正变量 高度(速度)了。首先为了简化问题,我们假设同样高度以同一姿势落下的接触速度一致,那么当速度垂直于水面时法向速度最大,冲击力也最大。忽略旋转对入水速度的影响。

von Karmen 和 Wagner, H. 分别各自在1929年和1932年iwwwfb.org/Abstracts/iw提出了关于楔形体入水的冲击系数推导,由于von Karmen 没有考虑在物体入水情况下水面会发生局部抬升,而Wagner考虑了液面高度的影响,Wagner算出的冲击系数 正好是von Karmen的两倍。

Campbell, I. M. C. 和 Weynberg P. A. 在 1980年I. M. C. Campbell and P. A. Weynberg, “Measurement of Parameters Affecting Slamming,” Report No. 440, Wolfson Unit of Marine Technology, Southampton, 1980.做了一系列的实验,测得一个圆柱体水平入水时的冲击系数为

分别为速度、半径和时间。在入水那一刹那冲击系数为5.15。

Zhao, R.和 Faltinsen. O. M.在1993年Water entry of two-dimensional bodies 中 对楔形体以固定速度入水进行了计算。


图七:不同角度楔形体入水时的压力分布
图八:不同角度的楔形体入水时冲击系数

Campbell, I. M. C. 和 Weynberg P. A. 提出冲击系数和傅汝德数(速度)没有关系,是个常量,我在这简化考虑就取了。欢迎各路大神前来指正。


流场状态:不知道大家有没有看过跳水训练时水池底下经常加人工气泡,

图九:水池里的气泡

作用就是降低水的局部密度而减小冲击。那么在户外很少有这种条件,我们还是取


个人体质:什么个人体质最重要?没错体重!体重最重要!在我们只保大脑的前提下,入水者体重越大,在体型和入水姿势不变的情况下,相同冲击力产生的加速度就越小。你的大脑质量并不会因为你的体重增加而增加,因次大脑受到的冲击力会减小。当然,你身体的其他部分可能就没那么走运了。因次在这我们选择一个的大胖子。


那么就可以开始算了

设高度为,不计风阻,接触速度为。

从四十米以下往下跳都是安全的。

结合实际的世界记录来看:google.no/url?
Dana Kunze 在1983年圣地亚哥的海洋世界创下了172ft(52.43m)的记录,随后Olivier Favre在1987年跳了54m,LASO SCHALLER在2015年跳了59米。观察这些视频你可以发现,他们都是以脚先入水的方式进行的,也没有人入水后失去意识。考虑到风阻和其他不确定因素,我的计算基本上是和这些纪录保守地吻合的。


那么问题来了。这些人连意识都没有失去,算什么死亡标准,人类可以跳的更高(作更大的死)!

现在取人体皮肤可承受的极限拉伸强度为标准,,


还能再给力点么?

跳伞运动员在风阻下可以达到的最大速度约为53m/s,那么入水时的冲击加速度为

所以,一个体重两百斤的人脚朝下笔直往水里跳,如果他能承受295个重力加速度(Steve Rogers铛铛铛铛),那么不管从多高的地方往下跳都不会死了。

图十:美国队长

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