挑战重力加速度

“安乐死”过山车模型。

“安乐死过山车”是一种假想的死亡游乐设施。在其设计者——立陶宛工程师乌伯纳斯的设计稿中,过山车的起点距离地面510米,轨道总长超过75千米。根据设计稿,在经过近乎垂直的快速俯冲后,过山车冲上第一个环形轨道。巨大的加速度带来的过载让人肺部收缩,难以呼吸。乘坐者全身血液向下半身流去,大脑逐渐缺氧。很快,过山车将来到第二个环形车力道,乘坐者将在此时失去视力和听力,意识开始模糊。接下来还有五个半径依次递减的环形轨道等着乘坐者。当过山车在第七个环形轨道末端停下时,乘坐者在经历了60秒10g(g指重力加速度,10g即10倍重力加速度)加速度过载后因脑缺氧死亡。当然,这座过山车只存在于乌伯纳斯的设计图纸中,现实中并不存在。

10g的加速度有多危险?地球引力给自由落体运动中的物体造成的加速度是1g(约合9.8米/秒2)。普通人处于3g的加速度下稍久些就可能昏迷。即便是身强体壮的战斗机飞行员,在加速度超过8g的环境中超过15秒,同样容易失去意识。虽然经受10g加速度的确十分危险,但却有人自愿接受远超这个值的加速度。

恐怖的超高g值试验

1954年12月10日,在美国霍洛曼空军基地的空地上,工作人员紧张忙碌着,一场震惊世界的人体试验即将开始。一名工程师将一个橡胶咬合块放进被牢牢固定在轨道车上的约翰博士口中。咬合块上绑定的加速计将记录接下来约翰会承受的加速和减速过载。减速试验开始前两分钟,所有工作人员离开试验场地。终于,刺耳的警笛声响起,约翰乘坐的“音速风1号”轨道车尾部的9枚火箭发出巨大的轰鸣声,喷出近10米长的尾焰。在火箭强大的推力下,轨道车在5秒内从静止加速到1017千米/时,然后在1.4秒内急停。

轨道车停下后,工作人员立刻飞奔到约翰身边,并发现他还活着!约翰勉强挤出微笑,但很明显是为了宽慰工作人员,因为他全身的毛细血管几乎全部破裂,他眼球的巩膜也因为毛细血管破裂而从白色变为红色。加速计显示:在加速过程中他承受了最高20g的过载;减速过程中,他承受了最高462g的过载,相当于让他的体重短时间内迅速增加到35吨。这次试验让他在很长一段时间里保持了移动速度最快者记录。

约翰是美国空军航空医学实验室的一名军官,1954年的这次恐怖减速试验是为了测试飞行员在飞机失事坠落时能承受的最大过载。虽然这次实验给约翰的视力造成了永久性损伤,但他的付出为飞行员紧急弹射装置的研发提供了珍贵的人体试验数据。

试验开始前工作人员为约翰做准备工作。在9枚火箭的推动下,“音速风1号”在5秒内被加速至1017千米/时。

飞行员和赛车手都要抗衡高g值过载

在飞机问世之前,人们很少体验高g值过载。在第一次世界大战中,各国军方接连发现飞行员在进行飞行缠斗时神秘地失去意识。飞机转向中带来的剧烈过载,由此逐渐被人所知。

喷气式战斗机在完成向下疾速俯冲后迅速拉起时,飞行员会承受超过8g的瞬时过载。此时飞行员体内的血液会大量积累在腿部血管中。因为飞行员大脑严重缺血,所以大脑得不到充足的氧气。后来人们发明了腿部气囊。在飞行员腿部气囊加压的帮助下,大腿中一部分血液被推向大脑,脑缺血得到轻微缓解。即便如此,哪怕训练有素的飞行员仍然会在短时间内出现黑视(视觉消失)或意识模糊。没有经过训练的普通人哪怕经历3g的过载稍久,大脑也会因缺氧而“停机”,至少需要半分钟才能恢复意识,还会出现肌肉抽搐等症状。因此,所有军队飞行员都需要学习如何应对高g值地载,包括各种呼吸和肌肉收缩技巧,以避免大脑过快缺血。高速离心机训练可以模拟高g值加速度带来的脑缺血体验。

赛车运动员在激烈的比赛中也会承受很高的过载。F1赛车手的脖子都很粗,其实他们对此也没有办法,因为F1赛车的极端速度变化会带来很高的过载:高速过弯时,F1赛车手脖子承受的瞬时侧向过载可达3~4g。作为对照,顶级消费级跑车急速过弯的侧向过载最高不过1.5g。如果这个值超过16g,没有专门针对赛道进行重心降低设计的跑车就有可能侧翻。在2017年某次赛道训练中,F1赛车手刘易斯·汉密尔顿驾驶的赛车中的加速计记录到了最高6.5g的瞬时峰值过载。这个值出现于某次入弯前的急减速。如此高的瞬时过载堪比特级飞行员所能承受的最大瞬时过载。为了保护颈部不在如此强大的过载下受损,赛车手在训练时都会刻意锻炼颈部肌肉。2007年刘易斯刚接触F1赛事时的颈围是355厘米,2019年颈围增长到了45厘米。

失重体验

当载人火箭搭载宇航员到达轨道高度时,宇航员开始飘浮,但这并不代表宇航员处在零重力环境。绕地球轨道飞行的航天器中的宇航员受到的重力约为地球表面重力的95%。只不过他们处在持续的自由落体过程中,因此宇航员并不是处于无重力环境,更准确地说是处于失重状态。

因为我们的身体已经习惯了1g的环境,所以长期处于失重状态下的宇航员身体会出现各种问题。由于不用像在地球上那样用肌肉支撑身体,宇航员的肌肉开始萎缩,骨骼钙质也加速流失。相反,長期处于高g值过载的飞行员的骨骼会更加密实。2001年,科学家发现澳大利亚战斗机飞行员在接受为期一年的定期高g值飞行训练后,脊椎骨的骨密度和钙量上升了11%。

有什么办法能让普通人不用离开地球,也能体验失重的感觉呢?某商业失重体验公司对一架老式客机进行改造,拆除了绝大部分客舱座椅。在推力全开的引擎推动下,这架客机先以50°的爬升角度(相当于一般民用客机爬升角度的3倍)快速上升到约1万米的“弹射点”高度。此时飞机调整姿态,关闭引擎,开始做自由落体运动。机舱内任何没有被固定住的物体此刻全部飘浮起来,乘客也像宇航员一样在舱内飘动。在体验了23秒的失重状态后,高度下降至离地7300米的客机再次开启引擎,失重状态消失。接下来客机再次爬升并自由落体式下降,如此重复16次,最终返回地面。在此期间飞机厕所被禁止使用,原因自然不必多说。

在处于自由落体中的飞机内部,人们可以体验失重的感觉。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午11:28。
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