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雨伞≠降落伞,别学动画片里撑伞跳楼

《科技生活》周刊||热度 ( )

文/记者 刘辛味(实习) 编辑 李乃麟

4月15日,江苏昆山一名7岁男孩将雨伞当做降落伞从5楼楼坠下,虽然并无大碍,但让人吓出一身冷汗。不久之前的3月5日,乌鲁木齐一个5岁小女孩也撑雨伞从11楼坠下摔成重伤。在网络上搜索一下,类似的事件在国内外都不鲜见,这些案例共同的特点是:孩子们都在模仿动画片中将雨伞当成降落伞的情节!

我们必须要以科学的名义严肃地讨论下这个问题了!雨伞到底能不能当降落伞用?这个问题不仅关系到如何去教育熊孩子避免伤害,而且也关系到,一旦遇到危难,使用雨伞从高楼降落能安全着陆吗?答案是:绝对不可能。

雨伞为什么不行?

事实上,已经有很多勇士做过了实验,让我们先感谢他们勇于探索的科学精神。现在来看看到底雨伞不能当降落伞的原因在哪里。

雨伞结构所能支撑的阻力远小于实际下落时空气产生的阻力,巨大的阻力会使雨伞“翻面”。事实上这种情况在雷雨大风天气时就很常见,当风力达到6级时,此时风速大约为12m/s,打着雨伞顶风行走就已吃力,稍有不慎雨伞就可能“翻面”。

如果人从15m高的楼顶跳下来,没有阻力做自由落体运动,落地时速度会达到17m/s。实际下落中空气阻力很快就破坏了伞骨,雨伞能起的缓冲作用微乎其微。

美国特级跳伞运动员Erik Roner就用一把雨伞从热气球上跳下来进行实验。

Roner牢牢地握住了雨伞,使身体和伞柄贴合在一起,然后工作人员将他从热气球上放下,很快我们看到了伞面与伞骨迅速脱离……他用备用的降落伞安全着陆。

有人认为使用极为坚固的材料制造的雨伞,比如宇宙飞船的钛合金材料制造伞骨就不会“翻面”了。其实很多商用的遮阳伞材质已经足够结实,但用那些巨大的雨伞进行实验的勇士们全部都失败了!原因在于,下落过程中人和伞很难保证竖直方向的平衡,人和伞作为刚体在复杂的空气流动中受力后会转向,转向力使雨伞向某一角度倾斜。只有一根杆难以维持平衡,这时人很难用双手调整大伞的位置。不仅得不到竖直方向上所需的足够阻力,水平向的阻力也很容易让你脱手……彻底撒手人寰。

打个比方,雨伞好像一个巨大的羽毛球,下落中甚至会转向180°。即便你完全与雨伞绑定在一起,转向后也得不到垂直方向的阻力……摔成肉饼前,伞面也早就飞没了。

降落伞是怎么做到的?

雨伞与降落伞的区别到底在哪里呢?降落伞有哪些设置可以保证其安全落地?

降落伞主要由柔性织物的伞衣,伞绳,伞包和背带系统组成。如果大家仔细观察,跳伞时打开伞包后会先打出一个小伞,然后小伞拉动主伞打开,这个小伞就是引导伞。这些结构组合而成一套完整的降落伞。而雨伞只由手柄、伞骨和伞面组成。

降落伞下落过程中会经历一次完整的充气过程,伞衣的逐渐打开使阻力逐渐增大,这是个非常复杂的随时间变化、非线性过程。很显然雨伞的充气过程瞬间就完成了,雨伞的结构难以承受阻力迅速增大的过程。

更重要的是在降落伞下降的过程中,背带和弹性绳组成的系统拉动人体,而非人自己控制手柄。虽然两者都会在空中转向,降落伞的巨大伞衣完全打开后阻力增大,伞衣中心的孔洞使空气上下形成一个通路,更容易保证空中的稳定性。这个孔使空气沿伞面内壁向孔洞移动以保持伞面的张开。

另外,如果观察降落伞的伞面,伞面并不是一块大布,还有很多缝隙,这是为了增加透气量,对阻力系数、开伞性能、稳定性都有影响。

用降落伞跳楼可以吗?

既然降落伞如此科学,那可以在家常备一顶,以备火灾、地震等不时之需吗?答案依然是不能!

很多人认为雨伞不能当降落伞使用的原因是普通雨伞的面积太小,逃生时用降落伞就没问题了。然而残酷的事实是,降落伞也有使用高度。降落伞的使用最低安全高度大概是150m,也就是大约50层楼高。如果在这一距离打开降落伞,到达地面的时间在10s左右。实际高层住宅30层也不到百米,不满足降落伞的使用条件。当然,如果你身处528米的中国尊顶层,是可以考虑用降落伞保命的。

根据《都市快报》好奇实验室的测试结果,从5层楼约15米处,普通雨伞与模特绑定后下坠,实际下落时间仅1.4s,使用大型的太阳伞下落时间也只有1.8s。大量实验表明,逃生用降落伞开伞速度在110m/s以上时伞衣才能完全展开,而这么短的时间内根本达不到这样的速度,所以降落伞根本不能充分打开。所以有足够高的距离,达到充分的速度才能提供合适的阻力,高度才是缓冲降落的关键!

降落伞使用过程中,从开伞到稳定速度要一定的时间,然后再逐渐减速到适宜的落地速度。这一过程分多个步骤,打开伞前进行近自由落体运动,伞绳拉直充气再到稳定阶段。每个阶段实际情况均为复杂的力学过程,最后救生用伞极限的落地速度为6m/s才能保证安全,落地时受到冲击还与着陆姿势、地面质地有关,所以跳伞是一项危险的极限运动原因也在于此。降落伞都不能完全保证你的安全,何况雨伞呢?

大家提到的面积影响阻力,确实是有关系的。空气阻力一般公式为F=1/2CρSV2 ,其中C是空气阻力系数(由实际情况决定),ρ为空气密度,S是迎风面积,V是速度。在低于2.5倍音速的速度时,空气阻力公式可用F=KSV表示,K也是系数,S表示面积,V表示速度。

很明显,面积越大得到的阻力越大。降落伞的设计过程中,60kg体重适用的降落伞面积约为25m2。使用柔性织物的原因就是可以把如此之大的伞衣折叠到一个小小的伞包内。令人欣慰的是这种面积的商用太阳伞(半径为2.5m)还是有的,所以面积不是关键。但如此之大的太阳伞如何控制呢?实际上也没有人真的用如此之大的伞来进行实验……

还有人提到跳楼时用床单拴住自己的四肢,充当降落伞。其实这比用雨伞更恐怖。床单的面积只能算比一般的雨伞大,面积上就不过关。距离不够时,也不能完全充分地产生阻力。但如果高度足够,产生的阻力会迅速拉动四肢向上,床单在空中就被“解体”了。

我们要意识到,安全才是降落伞最根本的意义。高楼逃生,切记不要盲目跳楼!更不要模仿影视剧中拿雨伞从天而降,艺术来源于生活,但高于生活!

最后要说,雨伞就是为了遮风避雨的,或者能让你变得更绅士,还有极端的可能成为自卫武器。就让雨伞老老实实干好本职工作吧。

 最早的降落伞中国造

最早的降落伞就来自伞状结构。相传最早的降落伞是由中国人发明的。《史记·五帝本纪》记载, “使舜上涂廪,瞽叟从下纵火焚廪,舜乃以两笠自杆而下,得不死。”舜的父亲和弟弟因为嫉妒想杀死舜,就借着修理谷仓的事让舜爬到顶端,他们俩偷偷撤走梯子并纵火试图烧死舜。舜举着两个伞状的草帽跳了下来,没有死。这是最早的关于降落伞的记载。后来,一些杂耍艺人在表演时从高处下落使用了降落伞的原理。

在西方,最早的降落伞可以追溯到文艺复兴时期。可考据的是来自1470年意大利的一份匿名手稿,如图所示。后来达芬奇设计了金字塔型(框架底座)的降落伞,传说他亲自利用自己设计的降落伞从高塔跳落进行实验。2000年时,英国跳伞运动员Adrian Nicholas成功测试了达芬奇设计的降落伞。后来一些历史学家认为这是我们现在认识的降落伞的起源。

▲最早有记载真正使用降落伞的人 是法国人勒诺尔基。1783 年, 他使用降落伞从一个观察塔 上跳了下来。这个降落伞 是用木框蒙上布制作 的,伞的直径为76 厘米(中国数字科技馆官网)

现代意义上的降落伞出现在18世纪。1783年,法国人Louis-Sébastien Lenormand第一次公开表演了使用降落伞从高空下落。降落伞“parachute”一词,就是他最先使用的。18世纪热气球风行,法国发明家Jean-Pierre Blanchard第一次公开证明了降落伞在热气球下落的适用性。他将一只小狗乘客放在篮子里,用布拴住,从热气球抛了下去。后来这样的表演越来越多,这些小动物的牺牲,催生了人发明逃生工具(现在会遭到动物保护主义者的强力抗议……)。其实这不就是我们儿时用手绢制作的小降落伞吗?和床单绑在四肢上原理也一样。

早期的降落伞是用亚麻布制成的,并且为了保持某一形状多少有些框架形式的结构,更类似于我们东方的伞。到17世纪90年代,Blanchard开始利用丝绸更结实和轻便的特点制做降落伞。1797年,法国人André-Jacques Garnerin第一次使用丝绸的伞并且是无框架结构的伞从热气球上跳下,实现了人类首次高空跳伞。

有意思的是,最初降落伞技术的进步并不是因为飞机的发明而引起的。1907年,美国发明家Charles Broadwick设计了穿戴式的降落伞,然后从热气球跳下使用他发明的强制开伞拉绳(static line)打开降落伞。1911年, Grant Morton第一个完成了从飞机上跳伞,那架飞机正是莱特兄弟设计的最后一代双翼飞机。此后给飞机减速用的伞被发明出来。

真正逃生用的降落伞使用是在一战时期,侦察热气球上的观察员来使用。而当时飞行员是不被允许使用降落伞的,因为军官认为他们若用降落伞,只会自己逃生而不会拯救飞机。事实上,当时也没有合适的降落伞装置放置在飞机驾驶舱内。后来随着技术的进步,尤其真正的背包式降落伞的出现,使驾驶员安全有了一定保障。到二战时,多国组建了伞兵部队,以增强区域打击能力。与此同时,跳伞运动进入到大众视野中。到现在逐渐发展出了不同功能的降落伞。■

扫描二维码观看美国特级跳伞运动员用一把雨伞从热气球上跳下来的实验

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