一枚硬币从一万米高空落下,会不会砸死人?要讲理论哦美国科学家曾做过类似的实验,结果发现无论多高,硬币到达地面时的冲击力都会变得很...
一枚硬币从一万米高空落下,会不会砸死人?
要讲理论哦因为物体的下落速度并不仅由质量决定,而是与形状及其所受到的阻力有关。硬币的平面提高了其所受到的空气阻力,所以它并不能像在真空环境中一样不断加速,而只能达到一个不会伤人的极限速度。
硬币砸不死人,但如果换成圆珠笔就不同了。虽然要是圆珠笔横着落下,人也不会受伤,但这样的几率真的太小了,最有可能的情况是:圆珠笔像箭一样落下来,速度达到每小时300多千米,这样的速度足以刺穿木板。
其中 ρ 为空气的密度; C d 为阻力系数,它非常依赖于物体的形状; A 为物体的横截面积, v 是物体相对于空气的速度。
从空气阻力的表达式中我们可以看出,速度越大,空气阻力也就越大。然而空气阻力也不会无限制地增大,当空气阻力大到与重力 G = mg 相等时,物体的受力就平衡了。于是此时物体不再有加速度,将稳定地以这个速度匀速下落,这时的速度被称为收尾速度 v 0 ,它的大小可以通过 F d = G 求得:
这种由空气阻力与重力平衡的匀速下落实际上非常常见:通常的雨滴,下落到地面上的时候,都是匀速的。而雨点越小雨滴飘落得越慢这一生活经验,也正可以由上式中 v 0 与 m 的 1/2 次方成正比得到解释。
回到我们最初的问题上来,硬币最后的收尾速度是否会对人体造成足以致命的伤害?让我们代入硬币的具体数据来计算一下。以 1 元硬币为例:它的质量约为 6.3g,直径 d 约为 25 毫米,厚度 h 约为 2 毫米。通常温度压强下的空气密度 ρ 为 1.2 kg/ m 3 ,我们设它是恒定的。阻力系数Cd在硬币的圆面水平下落时为 1.15(见参考文献[3]),而在硬币的圆面竖直下落时没有确切的数据可以查询,但是也约为 1。代入这些具体数值就可以分别计算硬币的圆面水平和竖直下落时的收尾速度,作为其最小值和最大值,得到结果:
也就是说不论硬币从多高的地方掉下来,最终的速度也不会超过 45.4 m/s。真实情况下,硬币下落时会在空中翻滚,因此可以认为真实情况下硬币的收尾速度是介于以上面两种情况之间的。
极限速度不是致命速度
让我们来考虑最极限的情况,最大的收尾速度会不会对人体造成伤害甚至致命?为此我们需要估算一下这么大的速度的硬币砸到人身上时,人所受的力及压强。用动量定理可以做一个很好的估计:
一般而言,硬币与人体皮肤作用的时间为 10ms 量级(详见参考文献 [1] ),因此 F ≈2 9N。如果假设硬币与人体皮肤作用的面积为硬币厚度 h 的平方那么大,即 4 mm2 ,则人体受到的压强为 P ≈ 7.2MPa。
这么大的压强会不会死人呢?按照参考文献 [1] 中的说法,人体皮肤所能承受的压强为 P = 20.89±4.11MPa,高空坠落的硬币产生的压强比这一极限压强还是小很多的。由此看来,高处落下的硬币基本是不会致命的啦!
事实上,美国的一位物理教授 Louis Bloomfield 还曾经做过实验来证明高空落下的硬币并不那么可怕。他在一个氦气球中安装了一个硬币发射器,然后将这个气球升到数百英尺的高处( 100 英尺约等于 30 米),按下遥控装置让发射器每次放下一枚硬币,然后 Bloomfield 教授试着伸手去接,由于他自己运动神经比较菜(教授自己的说法),他一枚硬币也没接住,反而被砸到了下巴,“就像被一个小虫咬了一口的感觉”。
最后他总结到,虽然摩天大楼高达几百米,但硬币的收尾速度终究有限,高处掉下来的硬币,没有想象中那么危险,当然高处掉落的硬币也有可能砸到敏感部位从而造成不同程度的受伤。他同时指出,如果高空落下一支流线型的小物体,比如头朝下的圆珠笔,那被击中的人可就惨了,应该跟“膝盖中了一箭”差不多。不过想让圆珠笔头冲下竖直落下并不容易,通常圆珠笔都是会翻滚的(不过还是很危险)。所以,行走在都市中摩天大楼中间,我们不必担心偶然落下的一枚硬币击穿头颅“带走”了自己。
从高楼上抛下一元硬币会砸死人吗?
摩天楼上掉下硬币会砸死人吗
应该不会的,硬币在下落过程中会遇到气流,也会阻止其下落速度,所以不会造成死亡。如果你从15米的高度跌落,硬币将以每小时40公里的速度跌落。被击中的人不会感到任何疼痛。没有空气,硬币可以达到每小时334公里的速度,足以造成严重伤害,但仍然无法刺穿头骨。事实上,美国物理学教授也做过实验,证明从高空落下的硬币并没有那么可怕。
他得出结论,尽管摩天大楼有几百米高,但硬币的最终速度是有限的。从高处落下的硬币没有想象的那么危险。当然,从高处落下的硬币也可能会撞击敏感部位,造成不同程度的伤害。硬币的影响非常小。从视觉上讲,它像一片叶子,而不是鱼雷。结果表明空气阻力和硬币的形状阻止了它成为致命武器。
事实上,在这个问题上,我们需要考虑空气阻力,这是我们在做这个话题时从来没有考虑过的。空气阻力在这里起着至关重要的作用。在正常低速条件下,空气阻力自然可以忽略,就像计算高中物理问题一样。空气阻力是不可忽视的,它们甚至可能大到成为决定最终运动状态的关键因素。
然而,如果你把硬币换成圆珠笔,情况就会不同。如果圆珠笔以一定的方式从高楼上掉下来,很容易导致死亡。如果它从侧面掉下来,大楼下面的人会很安全。如果它像箭一样落下,速度可以达到每小时321公里,足以刺穿人行道和木板。
虽然摩天大楼高达几百米,但硬币在空气阻力的影响下收尾速度有限,高处掉下来的硬币,没有想象中那么危险,当然高处掉落的硬币也有可能砸到敏感部位从而造成不同程度的受伤。
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