物理

自由落体不自由 东南西北 C.Y Zhu

关于自由落体运动，流传最广的笑话是：我为了增加学识，误入一个博士群。有人提问：一滴水从很高很高的地方自由落体下来，会不会把人砸伤或砸死？群里一下就热闹起来，各种公式，各种假设，各种风力，阻力，重力，加速度……足足讨论了近一个小时。这时，我默默地问了一句：你们没有淋过雨吗？群里，突然死一般寂静。然后，我就被踢出群了。

自由落体的含义是：不受阻力的落体运动。其最直观的感受就是强烈的失重感，这也是你恐惧感的来源之一。但自由落体运动并非完全“自由”，它会不同程度地受制于外部环境、距离、阻力等因素。很多知识浅薄的媒体，动不动就把某些极限运动称为自由落体，却展现出智商的下限完全没底。

下面这则新闻，请你和我们一起擦亮眼睛，一起找找其中的bug吧——

Felix Baumgartner是一名跳伞运动员，从16岁接触跳伞开始，便爱上这项运动，并以其疯狂却沉稳的个性和超强的技能闻名世界。在其跳伞生涯中，Felix曾创下了多个世界纪录，“BORN TO FLY”是他人生的真实写照。

作为一个喜欢打破常规的冒险家，Felix挑战了一项超高空跳伞计划。这是美国航空航天局的一项任务，筹备数年，集结了300人，包括70多名工程师、科学家与医生投入其中。在接受了技术测试、身体训练以及心理辅导之后，Felix正式接受了挑战。

Felix随着被气球牵引的太空舱升至距地约39公里的平流层，穿着有加压作用的太空服进行跳伞，并挑战在不靠飞行器辅助的自由落体状态下突破“音障”，也就是超越音速障碍，追上自己发出的声波。

当太空舱到达预定的高度，一切准备就绪，他走出太空舱，帅气地做了一个敬礼的手势，随后轻轻一跃，落入无垠的浩瀚中，向着地球“飞去”。

在这个自由落体的过程中，Felix的身体任由空气席卷，不断旋转，他甚至还以一种非常不适的声音向指挥站的同事表示：“我已经急速旋转太久了，我觉得自己快晕过去了。”而此时，他已经超越了音速。最糟糕也最令人害怕的情况是：当身体不自主地开始水平旋转，血液会被“甩出”身体（就像洗衣机甩干衣服一般），万幸的是，这样的情况并没有发生。

耳麦里传来同事们的欢呼声，Felix成功进入对流层，开始平稳下降。在经过长达4分钟的自由落体后，他拉开降落伞，最终缓缓降落在新墨西哥州的一片沙地上。

至此，Felix成功创造了人类搭乘气球抵达的最高高度（3g公里），与人类自由落体最高时速（1.25马赫=每小时1357.64公里）两项世界纪录。

Bug1：自由落体的状态下突破了“音障”？

新闻里认为的“自由落体”指的是不靠飞行器辅助进行跳伞，而自由落体是物理学中的一个概念，指的是物体忽略一切阻力，只受到重力作用时，初速度为0的运动，它是一种理想化的物理模型。但在现实生活中，很多物体在运动时是不能忽略空气阻力的，例如短跑时，我们会感觉到，当速度提升到一定程度时就上不去了，除了个人体能的原因以外，制约一个人短跑速度的最大因素便是空气阻力。只有当空气阻力比重力小得多时，我们才能在分析运动时将它忽略。

Bug2：从距地39公里处跳下，经过4分钟左右的落体后，跳伞时的开伞速度为每小时1357.64公里。

文中给出的数据就是无法忽略空气阻力的最大证据，一些简单的估算就能说明。落体初始点距离地面39km，相对于地球半径6400km很小，因此我们忽略落体初始點到地面之间，地球引力大小的变化，整个过程重力加速度取9.8m/s²，4分钟为240秒，根据自由落体的公式：速度=重力加速度×时间，得到开伞时速度为2352m/s，换篇成千米每小时为8467.2km/h，而Felix开伞时的速度时1357.64km/h。

BUG3：理想状态下，自由落体的下落速度极限也许就是音速。那有什么是不理想的呢？

1.空气阻力。有空气阻力，自由落体是绝对达不到音速的。没有空气阻力，那么超音速障碍就毫无意义了。

2.距离。如果你让他自由落体足够长的时间，那么也必须要足够高的高度。从39公里的高空坠落，重力加速度其实是在不断变化的。15～39公里属于平流层，空气密度极为稀薄，因此阻力小，速度快。到了15公里以下就进入了对流层，空气密度会急速增大，因此阻力增大，速度会减慢。所以严格来讲，Felix大概是在距地30公里的位置达到超音速的。

虽然这次跳伞活动最终成功，但这个过程中，Felix历经了以下致命风险：

在那样的调试，空气极其稀薄，气压非常低。在低气压的环境下，高空跳伞会出现一种叫“平转”的现象，也就是水平翻轩转现象。想象一下，如果Felix一旦不能控制水平旋转，那么他就会被转得失去意识，血液就会向他的四肢和大脑冲去，可能会冲到眼睛里，导致暂时性失明。

理糟糕的情况是，一旦血冲到脑子里，可能会导致脑出血或者凝血。如果没有保护措施的话，低气压会使血液里形成泡沫，也叫“血液沸腾”。一个泡沫就足以阻止血液流入主动脉，这是致命的。而且，突然的减压可能会使肺部胀大，直至破裂。

在39公里高空，温度大概是零下23摄氏度。当他快速坠落时，他可能会经历零下56摄氏度。在这样低的温度下，他可能无法维持自己的正常体温，如果体温下降到28摄氏度，他可能会失去意识。当体温低于21摄氏度，可能导致死亡。

最后的问题就是，如果下降速度太快的话，很容易落地时“砰”的一声，把地面砸出一个大坑。

不过……你看见Felix的那一身装备了吗？若不是有那身装备，这种跳法，我等凡人哪里承受得起。这次高空跳伞，除了Felix的勇气之外，装备实在太给力。如果Felix不穿防护服，那就只能变成一颗流星掉下来了。