外卖小哥跳水救人,胸椎压缩性骨折,受到水的冲击力有多大?

瞻云 2023-09-05 19:09:06

2023年,6月13日下午,外卖小哥彭清林从10余米高的桥上一跃而下,救下一名轻生跳桥的年轻女子。强大的冲击压强,造成外卖小哥胸椎压缩性骨折。

有网友提问,外卖小哥跳水救人,受到水的冲击力有多大?

外卖小哥落水的瞬间,受到水的冲击力达6吨重。

对胸椎最高可造成200MPa的冲击压强,超过人体骨骼强度极限。

以下是计算过程:

外面小哥跳下的瞬间,有如下受力平衡:

下坠的力=重力-空气浮力-空气阻力。

也即 

空气阻力有风阻公式:

FC=12CρSv2

C 为空气阻力系数,,人接近圆柱体,介于球和垂直面之间,也即0.5~1。外面小哥是以大鹏展翅的姿态跃下,而且入水时,胸腔受到水面强烈冲击。可以考虑外卖小哥跃入水时,阻力系数为0.8。

ρ为空气密度,取值1.293kg/m^3。

S为外面小哥的受风面积,由于上半身倾斜,风阻面积大约有0.1m^2。

桥的高度,央视新闻提供的数据为14米。

带入H=14,求得速度为:

v=16.5m/s

可以看出,风阻和浮力的影响的确比较小,大约只存在1%~2%的误差。

而其它新闻所说的桥高度区间在12m~15m之间,带入求得的速度范围为:

15.3m/s~17.1m/s。

平均速度也在16.5m/s附近。

因此,16.5m/s和外卖小哥实际落水速度会是十分接近的。

接下来,我们再来讨论,外卖小哥入水时,受到水的冲击力有多大。

外卖小哥入水撞击的刹那,存在冲击力。

最大冲击力大小为:

最大冲击压强大小为:

CPmax为冲击系数,大小满足公式:

[1]

这里的β是撞击水面时,物体与水平面的夹角。

从公式可以看出, 如果物体垂直与水面撞击,β 趋近于零, CPmax 也趋近于无限大。

但物体落水,怎么都会存在一定的夹角:

这是不同研究人员对楔形物体撞击水面,得到CPmax 数值与夹角的关系。

从这个动图可以看出,虽然外卖小哥刚刚跃下的时候,人体与垂直面的夹角可能达到45°。

不过落水时,夹角已经调整得更小。

小哥落水时,下肢部位可以看做一个楔形面:

从楔形物落水的实验可以看出,β 角大于45°之后,冲击系数 CPmax就已经低于5,但至少大于3。

依据小哥落水时的姿态,不放取4的平均值。

可以计算出,外卖小哥受到的冲击压强为:

P=4×1000×16.5^2≈1Mpa。

人类主要的几大骨骼,其实具有不俗的力学属性。

可以看出,人类股骨、胫骨、肱骨、桡骨的各种强度至少可以达到100MPa以上。

1Mpa施加在上面,根本不可能对高强度的人体骨骼造成损伤。

这也能解释,为什么外卖小哥这些部位为什么没有受伤。

那为什么外卖小哥出现了胸椎压缩性骨折?

主要原因在于,落水时产生的主要冲击力,都会向上传导,并最终被脊椎所吸收。

人体从下半身向上半身传导的冲击力,几乎只能依靠脊椎缓冲和吸收。

虽然,外卖小哥落水时的横截面积有所调整变小,但预估依旧有0.06m^2,也即600cm^2。

可得受到的总冲击力大约有:

F=1000000×0.06=60000N。

也即相当于6000kg,6吨。

考虑外卖小哥体重也就六七十千克。

冲击的瞬间,大约相当于在一瞬间产生几十个G的加速度。

或许有人看到这个6吨,会觉得不可思议。但实际,这些力量是分散的,和6吨重的轿车压扎效果,是截然不同的。

考虑到人体存在弹性,能量会被局部吸收,冲击的瞬间和直接施加几十个G的效果也是截然不同的。

但哪怕如此,当这些冲击力作用在脊椎上,也会造成很大的破坏力。

胸椎椎管管径为2cm左右,椎骨之间的接触面积大约为3~10cm^2。

由此可知,当外卖小哥落水时,主要的冲击力都集中在胸椎上时。

他的胸椎所承受的冲击压强将达到60MPa~200MPa。

除了强度最高的胫骨等骨骼,根据不同骨头,以及不同干湿度的强度来看:

人体大多数骨头的强度在40~76MPa之间[2]。

当外卖小哥所受到的冲击力主要集中在胸椎时,那么正好令他的胸椎发生压缩性骨折。

人体皮肤强度的典型值在2~1.6MPa之间[3],结缔组织的强度最多在皮肤和骨骼之间。超过60MPa的冲击压强,自然也会造成局部出血和水肿。

从数据我们也可以看出,由于冲击力是正好超过外卖小哥胸椎承受能力,所以他在落水时,还能有一定的活动能力,并最终成功救人。

其实外卖小哥这样跳下,风险极大。

胸椎是人体脊椎比较宽的部位,承受能力比较强。如果跃下时产生的主要冲击力,被其它脊椎区域所吸收,例如在细小的颈椎部位,便有可能造成高位截瘫。

最大风险,其实还是落水瞬间的操作问题。

参考前面楔形物落水的冲击系数。

如果是横躺落水,冲击系数 CPmax 可达到45以上,增加了10倍。

冲击压强只和冲击系数有关,因此会同样增加十倍。

传达到脊椎时,局部压强可以达到数百MPa。

横躺落水时的冲击面积,也比竖着落水增加了数倍,因此总冲击力增加倍数最高可达50倍,相当于300吨的冲击效果。

即便考虑人体是圆柱形,以及落水时的倾斜程度,也至少有几十吨的冲击效果。

这样庞大的冲击压强和冲击力,生还可能性很低。

人们常说高空落水,和落在水泥地面差不多。其实,主要还是看落到水面时的接触面积。

普通人落水动作随机性比较大,因此高空跳桥大多数都是摔死的,或摔伤后淹死的。

如果外卖小哥掌握国家跳水运动员的跳水技巧,冲击力可以降低十倍,从而对自身不会造成任何的威胁。

典型的低水花跳水,冲击压强主要在手上,而人手指承受压强能力较强。落水瞬间运动员的调整,也能改变冲击系数。由于触水面积很小,总冲击力也可低至几百千克,对脊椎,相当于人正常跳跃时的自体冲击力,威胁不大。

不过,外卖小哥仅仅是没有技巧的普通人。

他跳水的瞬间,冒着巨大的生命风险。但他最终鼓起勇气跳了下去,并成功救人。

小哥的勇气和魄力,值得敬佩。

参考

^陈庆民, 吴宗成, 王丑丑. 二维对称物体的入水冲击研究[C]// 第八届全国流体力学学术会议论文摘要集. 2014.

^徐晋彬, 张宏民. 人颅骨力学性质的实验研究[J]. 医用生物力学, 1996, 011(001):5-9.

^卢天健, 徐峰. 皮肤的力学性能概述[J]. 力学进展, 2008, 38(4):393-393.

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评论列表
  • 2023-09-05 22:20

    反正是个英雄,堪比罗盛教,点赞英雄!

瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者