人……直接就碎了。
這個問題,很多人都忽視一個非常關鍵的問題。
短時間加速下,人體是一個彈性體,需要把人體極速壓縮後,才能加速。
不知道大家有沒有看過,印度火車撞牛的影片,即便火車看起來速度並不快,但撞擊在牛身上,牛直接就碎了。
非常短暫的加速到1m/s,人體其實就像一個裝滿水的氣球。
人體皮膚的強度大約2~16MPa,人體在瞬間加速的剎那,皮膚其實會提供一定的剛性。
但如果強度過大,皮膚就會撕裂,產生碎掉的效果。
那麽,僅僅加速到1m/s會讓人體碎掉嗎?
我們不妨來算一算。
高速狀態下,人體是軟的。
當物體從左邊對人體進行施力時,人體左邊組織開始壓縮,而右邊組織在極短時間內不受力,速度為0。
也即,人體被壓縮到一定的程度之後,才可能被整體加速。
人體彈性系數從10N/mm到150N/mm不等,其中軀幹的主體胸腹彈性系數較低,頭顱和四肢較高。
人受力時,整體彈性系數,是不同受力部位彈性系數的疊加。
在非常理想的情況下,人體在包裹比較好的物體內,各部份可以比較好的受力,總彈性系數大約可以達到500N/mm左右。
0.0001s的時間加速至1m/s,人體的加速度為10000m/s^2,約1000G。
對於一個60kg的人體來說,產生的沖擊力高達60萬N。
那麽,人體在被加速之前,產生的理想彈性形變量為600000/500=1200mm,也即1.2米。
1.2米?
反復檢查了一下,我並沒有算錯。
完蛋……
人體頭顱、胸腔也就二三十厘米的前後徑……
果然直接碎了。
人體受到壓縮的剎那,力量從0增加到60000N,1.2米的距離,吸收能量大約36000J,相當於一個人 無風阻 從60米的高度跳下,然後橫躺落地……
真是足夠慘烈的。
為什麽如此的慘烈?
因為對人施力的物體,速度並不是1m/s。
假設人體被加速之前,壓縮時間也是0.0001s。這行進的1.2米,意味著施力物體的平均速度高達12000m/s。
這速度……
退一步來說,假設人體是一個高強度的彈簧,即便壓縮量只有1cm米,施力物體的速度也會超過100m/s。
這個被撞擊的慘烈程度,已經遠遠超過火車撞牛了。
在這樣的情況下,即便我們考慮人體是這樣垂直受力:
充分利用關節進行緩沖(人體反應速度遠遠低於0.0001s,實際只能靠筋骨撕裂來進行緩沖),也依然會直接碎掉。
豎直狀態下,人體彈性系數更小,人體達到理想加速度(1000G)時,理論壓縮尺度達到數米,同樣遠遠超過人體的高度。
那有沒有可能,在理論上實作無傷加速呢?
有可能的。
如果人在包裹全身的水腔中,且腔體為剛性,對整個腔體進行加速,則可能實作無傷。
水在常溫下的體積彈性模量:2.18×10^9Pa。
人和水密度相當,如果人體在1m^3的水腔中。產生1000G加速度時,水的壓縮量也僅僅只有0.0046%。
也就是說,1m深的水,僅僅只壓縮了0.046mm。而在水中的人體,被壓縮尺度比0.046mm還更小。
人體1000G勻加速,加速到1m/s的距離正好0.05mm,這和人體壓縮尺度接近。
動能30 J 。
我們可以預估,人體組織吸收的能量也大約在30 J 附近。
考慮到人體在水中,整個身體都能進行緩沖,所以30 J 對人體並不會造成多大的威脅。
人體表面積大約1.5m^2,皮膚強度按照最低的2MPa來算,整個體表所能承受的最小應力也有3萬N以上,考慮到皮膚的整體彈性,單單皮膚就能吸收幾百焦耳以上。
除此之外,人整體壓縮的0.046mm也完全在正拉伸範圍內,不說其它結締組織和肌肉了,骨骼都完全綽綽有余。人僅僅在跑步時,脛骨的壓縮就有1mm。如此短時間,人在水腔的壓縮尺度,對人體影響非常小。
不過現實中這樣的剛性腔體並不存在。
雖然人類合金所打造的深潛器最多可以達到1萬米深的馬里納亞海溝,承受10^8Pa的壓強,然而深潛器的平均密度也是水的好幾倍,意味著著加速到1000G所需要承受的壓強,也增加好幾倍,達到應力極限。考慮加速時的受力不均,局部區域應力還可能大大增加,人類深潛器也無法難勝任這樣的「脈沖」加速腔體。
腔體一經破裂,在高應力下, 流動的水體高速噴流,裏面的人迎來的又是一場災難。
所以無傷加速,只存在於理想情況。
當然,物理範疇中的理想,通常可以理解為在現實中不存在。
例如,你也可以假設,人體可以每個微元都均勻受力,這樣也能無傷。