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假如在0.0001s内将一个人加速至1m/s的速度,他是否会晕厥甚至死亡?

2024-08-18科学

人……直接就碎了。

这个问题,很多人都忽视一个非常关键的问题。

短时间加速下,人体是一个弹性体,需要把人体极速压缩后,才能加速。

不知道大家有没有看过,印度火车撞牛的视频,即便火车看起来速度并不快,但撞击在牛身上,牛直接就碎了。

非常短暂的加速到1m/s,人体其实就像一个装满水的气球。

人体皮肤的强度大约2~16MPa,人体在瞬间加速的刹那,皮肤其实会提供一定的刚性。

但如果强度过大,皮肤就会撕裂,产生碎掉的效果。

那么,仅仅加速到1m/s会让人体碎掉吗?

我们不妨来算一算。

高速状态下,人体是软的。

当物体从左边对人体进行施力时,人体左边组织开始压缩,而右边组织在极短时间内不受力,速度为0。

也即,人体被压缩到一定的程度之后,才可能被整体加速。

人体弹性系数从10N/mm到150N/mm不等,其中躯干的主体胸腹弹性系数较低,头颅和四肢较高。

人受力时,整体弹性系数,是不同受力部位弹性系数的叠加。

在非常理想的情况下,人体在包裹比较好的物体内,各部分可以比较好的受力,总弹性系数大约可以达到500N/mm左右。

0.0001s的时间加速至1m/s,人体的加速度为10000m/s^2,约1000G。

对于一个60kg的人体来说,产生的冲击力高达60万N。

那么,人体在被加速之前,产生的理想弹性形变量为600000/500=1200mm,也即1.2米。

1.2米?

反复检查了一下,我并没有算错。

完蛋……

人体头颅、胸腔也就二三十厘米的前后径……

果然直接碎了。

人体受到压缩的刹那,力量从0增加到60000N,1.2米的距离,吸收能量大约36000J,相当于一个人 无风阻 从60米的高度跳下,然后横躺落地……

真是足够惨烈的。

为什么如此的惨烈?

因为对人施力的物体,速度并不是1m/s。

假设人体被加速之前,压缩时间也是0.0001s。这行进的1.2米,意味着施力物体的平均速度高达12000m/s。

这速度……

退一步来说,假设人体是一个高强度的弹簧,即便压缩量只有1cm米,施力物体的速度也会超过100m/s。

这个被撞击的惨烈程度,已经远远超过火车撞牛了。

在这样的情况下,即便我们考虑人体是这样垂直受力:

充分利用关节进行缓冲(人体反应速度远远低于0.0001s,实际只能靠筋骨撕裂来进行缓冲),也依然会直接碎掉。

竖直状态下,人体弹性系数更小,人体达到理想加速度(1000G)时,理论压缩尺度达到数米,同样远远超过人体的高度。

那有没有可能,在理论上实现无伤加速呢?

有可能的。

如果人在包裹全身的水腔中,且腔体为刚性,对整个腔体进行加速,则可能实现无伤。

水在常温下的体积弹性模量:2.18×10^9Pa。

人和水密度相当,如果人体在1m^3的水腔中。产生1000G加速度时,水的压缩量也仅仅只有0.0046%。

也就是说,1m深的水,仅仅只压缩了0.046mm。而在水中的人体,被压缩尺度比0.046mm还更小。

人体1000G匀加速,加速到1m/s的距离正好0.05mm,这和人体压缩尺度接近。

动能30 J 。

我们可以预估,人体组织吸收的能量也大约在30 J 附近。

考虑到人体在水中,整个身体都能进行缓冲,所以30 J 对人体并不会造成多大的威胁。

人体表面积大约1.5m^2,皮肤强度按照最低的2MPa来算,整个体表所能承受的最小应力也有3万N以上,考虑到皮肤的整体弹性,单单皮肤就能吸收几百焦耳以上。

除此之外,人整体压缩的0.046mm也完全在正拉伸范围内,不说其它结缔组织和肌肉了,骨骼都完全绰绰有余。人仅仅在跑步时,胫骨的压缩就有1mm。如此短时间,人在水腔的压缩尺度,对人体影响非常小。

不过现实中这样的刚性腔体并不存在。

虽然人类合金所打造的深潜器最多可以达到1万米深的马里纳亚海沟,承受10^8Pa的压强,然而深潜器的平均密度也是水的好几倍,意味着着加速到1000G所需要承受的压强,也增加好几倍,达到应力极限。考虑加速时的受力不均,局部区域应力还可能大大增加,人类深潜器也无法难胜任这样的「脉冲」加速腔体。

腔体一经破裂,在高应力下, 流动的水体高速喷流,里面的人迎来的又是一场灾难。

所以无伤加速,只存在于理想情况。

当然,物理范畴中的理想,通常可以理解为在现实中不存在。

例如,你也可以假设,人体可以每个微元都均匀受力,这样也能无伤。