不危险的科学小实验(超级危险的科学实验)

 

跳水是一件刺激又好玩儿的事情。我们可以在体育竞技场上欣赏专业的运动员高水平的比拼，也能在海边看到许多人兴奋地从高耸的岩石上一头扎进水里。

但很多人忽略了，对未经训练的普通人而言，跳水同样是一件带有危险的事情。水的密度差不多是空气的1000倍。如果你从一种非常稀薄的介质，进入另一种非常密集的介质中时，势必会经历巨大的冲击。

在人类生物力学的研究中，有大量关于下落伤害的文献，特别是针对老年人的研究，还有许多关于运动伤害的探索，比如脑震荡。但关于跳水伤害的研究却少之又少。

近日，一组研究团队对跳水过程的生物力学进行了详细探索。他们测量了头、手和脚首先入水的跳水姿势带来的冲击，以及在不同跳水高度下受伤的可能性，为安全跳水提供了数据驱动的建议，并提供了测量不同形状的生物落入水中时影响的模型。论文已发表在《科学进展》上。

3D模型实验

在生活中，人们会以各种不同姿势跳入水中，团队因此希望研究入水部位的影响。此外，他们还想就物体或不同形状的前端如何进入水中，提出一种更普遍或一般的理论。因此，他们研究了不同姿势的人类和动物的入水前端，并测量了不同形状的冲击力。

研究人员使用3D打印模型，模拟了接近真实大小的人类头部和躯干、伸出手臂的躯干和头部，以及脚，还有不同动物的模型，包括港湾鼠海豚的头部、北方塘鹅的喙，以及蛇怪蜥蜴脚的模型，分别研究了弯曲、尖的和平的形状对水面的冲击。

他们在模型上安装传感器，投入水中，并测量作用在它们身上的力，以及这些力是如何随时间分布的，从而建立起了一套理论模型，描述各种形状的力的增加，以及这些力如何随着跳水高度而增加。

然后，他们将高度和冲击力，与人类肌肉、韧带和骨骼所能承受的力绘制在一起，并发现在不同的高度和不同的潜水姿势下出现不同伤害的概率，比如锁骨、脊柱和膝盖受伤。

对于未经训练的跳水人员来说，研究人员发现，在头先入水的情况下，8米以上的高度会带来脊髓和颈部受伤的可能；在手先入水的情况下，12米以上则会带来锁骨受伤的可能性；而在脚先入水的情况下，15米以上则可能膝盖受伤。

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安全的跳水指导

主动降噪确实会导致音质出现一些失真，导致在听音乐时可能会有背景嘶嘶声。家里的用电负荷增大的时候，家电起火的风险也会有所增长。

团队表示，这项成果可以帮助指导人们做出更安全的跳水选择，例如，如果想要从比较高的地方跳下，脚先入水应该是一种相对更安全的选择。

目前，人们创造的纪录可能超过研究发现的这些数字。比如，极限运动员拉索·沙勒（Laso Schaller）曾从58.8米的高度，以脚先入水的姿势跳入水中。研究人员表示，想要在这种极端的高度跳水而不受伤，就必须调动适当的肌肉，使得身体变得更硬、更紧。

研究还强调了，俯冲式入水的动物在减轻跳水冲击方面的适应性有多强。例如，北方塘鹅的喙有着较小的角度，让它们能够以每秒24米的速度进入水中。海豚长着较短的融合的颈椎，在它们游动时能够支撑头部。这些都是它们适应冲击的有效特征。

事实上，这些研究的背后还有一个更广泛的研究计划，希望了解动物或物体如何穿越界面。除了动物的跳入水中以及跳出水面的研究，目前还有一个项目正侧重于研究狐狸是如何一头扎进雪地里的。

研究通讯作者、康奈尔大学生物与环境教授郑成万（Sunghwan Jung，音）表示，我们非常擅长让飞机在空中飞行，使潜艇在水中移动，但是穿越界面，就像你在动物世界中看到的那样，对我们来说却并不是一件容易事，而且这也是工程师和科学家非常感兴趣的事情。

也许这项研究可以帮助阐明未来新的工程设计，让系统能够胜任这一任务。

参考来源：

https://news.cornell.edu/stories/2022/07/look-you-leap-study-provides-safety-guidelines-diving

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo5888

https://www.newscientist.com/article/2330947-physicists-calculate-highest-dives-most-humans-can-safely-withstand

封面图/首图来源：Cornell University

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