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将鸡、鸭、鹅从万米高处扔下,做自由落体运动,可以安全着陆吗?

2024-01-22科学

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综述

鸡,鸭和鹅都是常见的家禽,经过人类上千年的驯化,它们的身体变得笨重无比,翅膀也退化了,但仍然保留了一定的飞行能力。

它们可以飞到几米高的屋顶,还具有一定的滑翔能力,但其飞行能力和一般的鸟类还是有很大差距。

假设有这样一个科学实验,把鸡,鸭还有鹅都带上1万米的高空中,让它们自由落下,它们是否可以安全着陆呢?

压力变化因素

鸡鸭和鹅从1万米的高空落下,其能否存活,要考虑多方面的因素,因为对鸡鸭鹅造成生命威胁的不止有重力。

假设有一架飞机,飞上了万米高空后,将准备好的鸡鸭鹅抛下 。那么鸡鸭鹅在被抛下后几秒钟就可能死亡,原因便是剧烈的气压变化。

飞机舱内有专门的增压设备,飞机从地面升到万米高空,其舱内的压力并不会有太大的变化,鸡鸭鹅都可以适应。

一旦打开舱门,鸡鸭鹅面临的气压就会骤然降低,任何生物都无法适应如此大的气压变化, 这会导致生物出现「急速减压症」。

简单来讲,就是生物在高气压环境下,血液中会溶解一定的气体。当从高压环境快速过渡到低压环境时,血液内的气体就会剥离,形成气泡,生物机体又无法快速排出这些气体, 最终导致身体出现各种不适症状,严重情况下会器官衰竭,危及生命。

因此,如果用飞机来进行这一实验,鸡鸭鹅一「下」飞机, 就会因为气压变化而昏死过去,最终无一存活。

既然飞机不可行,那就换一种方式, 使用缓慢升空的氦气球来进行实验。 氦气球可以飞行1.5万米左右,它携带鸡鸭鹅缓慢升空,会给鸡鸭鹅适应压力变化的时间,这样它们就不会出现减压症了。

缺氧和低温

氦气球携带者鸡鸭鹅缓缓上升,压力变化可以适应了,但新的问题又出现了,那就是缺氧。高海拔地区氧气含量稀薄,平时生活在平原的人贸然爬高山,很可能会出现强烈的高原反应。

每升高100米,氧气浓度就会降低0.16%,海拔越高,空气中的氧气含量就会越少。 1万米的高空中,氧气浓度与地面相比就降低了16%。

海拔4000米青藏高原上,普通的鸡和鸭都不能存活,只有鹅能适应环境。但若是升上1万米的高空,鹅是否能适应依然还是未知。很可能鸡鸭鹅在升空的过程中,就因为缺氧而全部阵亡了。

既然鸡鸭鹅可能会因缺氧而死,那就给它们都带上专业的氧气设备,解决供氧问题。 但接着又出现了新的问题---低温。

海拔每升高100米,气温就会降低0.6℃。如果地面为35度,那么在1万米的高空中,气温就只有-25℃。

这样的气温下,鸡鸭鹅都会面临严峻的考验。 其中鸡是最不耐寒的,抗寒能力很差。 它们属于陆禽,祖先生活在亚热带和热带地区,表皮的绒毛含量很少,无法聚成绒朵,蓬松性差,无法锁住空气,没有良好的保暖性。

鸭和鹅属于水禽,祖先在热带和温度都有分布,它们身上长着厚厚的羽绒,皮下还有脂肪,抗寒能力很强。

如果是万米高空中,不耐寒的鸡会无法适应低温,而鸭和鹅可以凭借身上的羽绒和脂肪存活。

理想情况下的计算

我们假设再去除低温的影响,设想一个理想状态来计算鸡鸭鹅坠落的速度,来看它们能否存活下来。

自由落体的公式为v²=2gh,g为重力加速度,为了计算简便,这里取10m/ s²,h为高度10000米。 不考虑空气阻力的情况下,带入计算可得速度v≈447m/s。这样速度堪比一辆高铁,不管鸡鸭还是鹅,都只会摔成肉渣,不可能存活。

如果考虑上空气阻力的影响,情况可能就大有不同。 流体动力学中,计算沉降速度的公式为= ,其中是落下的速度,m代表物体的质量,g为重力加速度,ρ为空气密度,S为物体的投影面积,为空阻系数。

普通的鸡鸭和鹅的重量在3—5公斤之间,我们可以取m=4kg,重力加速度g取10m/ s²,空气密度取一般值1.2kg/ m³。 鸭和鹅张开翅膀可以看成一个近似平面的形状,空阻系数可以取1。

接下来需要计算鸡鸭鹅的投影面积S,当它们缩回翅膀时,形状可以看成一个球体,所以其截面积可以用R²来计算。

其中半径R可以根据球形体积公式m= R²,推出R=,鸡鸭鹅都属于生物,密度和水类似,密度取ρ=1000kg/m³,带入数值可得R≈0.098m, 再用圆的面积公式R²可计算出面积S≈0.03㎡,假设鸡鸭鹅展翅后,投影面积扩大10倍,可取S为0.3㎡。

将所有数值代入,最终可得≈10.53m/s,也就说,如果鸡鸭鹅在空中不扑腾翅膀,用展翅的姿势落下,最终的速度大约为10.53m/s,这相当于人从5米的高度跳下,虽然可能受伤,但不足以致命。

结尾

将鸡鸭鹅从1万米的高空扔下,如果不考虑气压变化,缺氧和温度等因素,只考虑重力和空气阻力,最终鸡鸭鹅下落的速度大约近似于10m/s,这样的下落速度并不足以让鸡鸭鹅丧命。

最终的计算是建立在特定的理想状态下,实际情况下还有很多需要考虑的因素。 如果是真实的情况,鸡鸭鹅很可能在空中就会上演各种死法,最终变成肉球坠落到地面。

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