Wie kann man wissenschaftlich vom Himmel herabsteigen?

Als Kind habe ich „Kung Fu“ gesehen und fand die Tathagata-Palme so cool. Ich träumte davon, dass ich eines Tages so vom Himmel herabsteigen könnte.

Später, während meines Physikstudiums und insbesondere nachdem ich etwas über den freien Fall gelernt hatte, verstärkte sich in mir das Gefühl, dass sich diese Fantasie nie erfüllen würde. Dann zweifelte ich auch an der Wissenschaftlichkeit der Szenen, in denen etwas vom Himmel fällt, in Film- und Fernsehwerken sowie in literarischen Werken. Hey, wer hat mich dazu gebracht, Physik zu studieren? ╮(╯＿╰)╭.

Mit einem Regenschirm vom Himmel fallen

Vorhangfallschirm

Und die Kleidung und die Hose fallen mit dem Fallschirm darunter.

Es stellte sich heraus, dass Ouyang Feng auf dem Gipfel des Tumu Peak gefangen war. Obwohl er ein Meister der Kampfkünste war, konnte er nicht von dem 300 Meter hohen Gipfel herunterrutschen. Nach mehreren Tagen des Frierens und Hungerns kam ihm plötzlich eine Idee. Er zog seine Hose aus und band beide Beine fest zusammen. Aus Angst, dass seine Hose nicht fest genug sitzen würde, zog er alle Kleider aus und band sie um seine Hose. Er hielt sich mit beiden Händen am Hosenbund fest, biss die Zähne zusammen und sprang vom Berg hinunter. Diese Methode war ursprünglich äußerst riskant. Es war nur eine Möglichkeit zu überleben. Es gab keinen anderen Plan. Tatsächlich war eine seiner Hosen mit Luft gefüllt, was seinen Abwärtsschwung erheblich verringerte.

——Die Legende der Condor-Helden, Kapitel 37: Vom Himmel fallen

Wenn Sie wissen möchten, wie man Dinge wissenschaftlich vom Himmel fallen lässt, müssen Sie zunächst wissen, was in der Luft passiert, wenn sie vom Himmel fallen.

Endgeschwindigkeit

Wir haben in der High School etwas über den freien Fall gelernt, wobei die Auswirkungen des Luftwiderstands nicht berücksichtigt wurden. Wenn ein Gegenstand aus großer Höhe fällt und sich im freien Fall befindet, nimmt seine Geschwindigkeit ständig zu. Tatsächlich steigt die Geschwindigkeit eines aus großer Höhe fallenden Objekts aufgrund des vorhandenen Luftwiderstands jedoch nicht unbegrenzt an, sondern hat eine Grenze, die als Endgeschwindigkeit bezeichnet wird.

Wenn wir den Auftrieb der Luft ignorieren, erhalten wir die folgende Formel:

Fd ist der Luftwiderstand;

ρ ist die Dichte der Luft, in die das Objekt fällt;

v ist die Geschwindigkeit des fallenden Objekts;

cd ist der Luftwiderstandsbeiwert des Objekts, der von Faktoren wie der Form des Objekts abhängt;

A ist die projizierte Fläche des Objekts.

Wenn die Fallgeschwindigkeit eines Objekts hoch genug ist, sind Luftwiderstand und Schwerkraft gleich groß und haben entgegengesetzte Richtungen , sodass die Fallgeschwindigkeit nicht mehr zunimmt und die Endgeschwindigkeit erreicht. Die Endgeschwindigkeit des fallenden Objekts kann wie folgt berechnet werden:

Wenn ein Fallschirmspringer eine Bauchlage einnimmt und seinen Fallschirm nicht öffnet, beträgt seine Endgeschwindigkeit etwa 55 m/s (~ 195 km/h) . Die Geschwindigkeit der EMU-Züge der D-Serie in China ist ungefähr gleich. Wenn ein Fallschirmspringer seine Gliedmaßen anzieht und seinen Kopf nach unten richtet und dabei ein Manöver ähnlich dem von Iron Man ausführt, würde seine Endgeschwindigkeit auf 90 m/s (~320 km/h) ansteigen, fast so schnell wie ein Wanderfalke, der herabfliegt, um seine Beute zu fangen [1].

Am 16. August 1960 stellte Captain Joseph Kittinger von der US-Luftwaffe einen Rekord auf, als er aus einem Korb mit einem Heliumballon in 31.330 Metern Höhe sprang. Seine maximale Geschwindigkeit während des Falls erreichte 274 Meter pro Sekunde , was etwa 9/10 der Schallgeschwindigkeit entspricht [2]. Dieser Rekord wurde erst 2012 gebrochen, als Felix Baumgartner mit einem Höhenheliumballon auf eine Höhe von 39.045 Metern flog und dann heruntersprang. Dabei erreichte er eine Höchstgeschwindigkeit von 373 Metern pro Sekunde und durchbrach damit die Schallgeschwindigkeit. Natürlich wird diese Höchstgeschwindigkeit in großen Höhen erreicht, da die Atmosphäre dort dünner ist.

Joseph Kittinger | Quelle: Wikipedia

Nachdem ich so viel gesagt habe, möchte ich eigentlich Folgendes zum Ausdruck bringen: Wenn Sie auf wissenschaftliche Weise vom Himmel herabsteigen möchten, müssen Sie den Luftwiderstand erhöhen . Möchte man den Luftwiderstand beim Fallen erhöhen, denkt man als erstes an einen Fallschirm. Fallschirme erhöhen den Luftwiderstand vor allem durch ihre große Projektionsfläche.

Ein Fallschirm kann die Endgeschwindigkeit um mehr als 90 % reduzieren , sodass eine Person mit einem Fallschirm mit einer relativ geringen Geschwindigkeit von 3-4 m/s (~12 km/h) auf dem Boden auftreffen kann [3].

Es gibt zwei Haupttypen von Fallschirmen: den Rundfallschirm und den Flügelfallschirm .

Runder Regenschirm | Quelle: explainthatstuff.com

Gleitschirm | Quelle: explainthatstuff.com

Wie der Name schon sagt, ist ein Rundfallschirm ein runder Fallschirm, der wie eine Qualle aussieht. Ein Fallschirm besteht aus einem Hauptfallschirm und einem Reservefallschirm . Der Reservefallschirm wird verwendet, wenn der Hauptfallschirm nicht geöffnet werden kann.

Eine kreisförmige Fallschirmstruktur (1 ist der Führungsfallschirm, 3 ist das obere Loch des Fallschirms, 4 ist der Hauptfallschirm und 9 ist der Steuerknüppel) | Quelle: explainthatstuff.com

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, den Hauptfallschirm zu öffnen: Eine besteht darin, den Fallschirmsack durch Ziehen am Seil aufzuziehen, wobei zuerst der Führungsfallschirm im Fallschirmsack herausspringt und genügend Zugkraft erzeugt, um den Hauptfallschirm zu öffnen . Die zweite Methode besteht darin, am Seil zu ziehen, um den Stabilisierungsfallschirm zu öffnen . Gleichzeitig startet die Entriegelungsvorrichtung die Zeitmessung. Nach einigen Sekunden wird die Einschränkung des Stabilisierungsschirms gelöst, sodass der Hauptschirm herausgezogen und geöffnet werden kann. [4] Die 1 im Bild oben ist der Führungsfallschirm.

Der kleine Fallschirm auf dem Bild ist ein Stabilisierungsfallschirm | Quelle: Offizieller WeChat-Account von „Our Sky“

Wie Sie diesem Diagramm entnehmen können, steigt die Spannung nach dem Lösen des Hauptfallschirms schnell an.

Schematische Darstellung der Kraftveränderungen auf einen Fallschirmspringer nach dem Fallschirmabsprung | Quelle: hypertextbook.com

Bei genauem Hinsehen fällt auf, dass auf dem runden Schirm immer ein paar „Löcher“ zu sehen sind. Dies ist eigentlich eine Entlüftungsöffnung und kein „Loch“, und das ist Absicht. Durch die oberen Löcher, die sogenannten Kronenlöcher , kann die Luft langsam aus der Oberseite der Kuppel entweichen und nicht aus dem „Rock“ der Kuppel, wodurch das Schwanken des Fallschirms verringert wird . Darüber hinaus können Sie mit dem Joystick das Öffnen und Schließen der vorderen und hinteren Auslassöffnungen steuern und so die Sinkgeschwindigkeit steuern, die Bewegungsrichtung ändern und die Auswirkungen von Stratuswind abschwächen sowie Erschütterungen reduzieren.

Der „Rock“ des Fallschirms hat vordere und hintere Auslasslöcher | Quelle: Offizieller WeChat-Account von „Our Sky“

Was würde passieren, wenn Sie einen Regenschirm als Fallschirm verwenden würden? Wenn Ihr Regenschirm nicht stabil genug ist, wird er entweder umgeweht oder die Schirmhülle und die Streben werden auseinandergeblasen; Wenn der Schirm stark genug ist, freuen Sie sich nicht zu früh, denn der Schirm wird zur Seite weggeweht. Vergessen Sie also, einen Regenschirm als Fallschirm zu verwenden.

Quelle: Guokr.com[5]

Neben dem Rundfallschirm ist auch der Flügelfallschirm, die Abkürzung für flügelförmiger Fallschirm, häufig anzutreffen, auch flügelförmiger Gleitfallschirm oder Gleitschirm genannt . Wie der Name schon sagt, kann es in der Luft gleiten. Parafoils sind meist rechteckig und haben ein geprägtes Design.

Ramfoil-Gleitschirm | Quelle: hypertextbook.com

Der sogenannte RAM-Typ ist wie auf dem Bild oben. Die Flügelober- und -unterseite des Parafoils bestehen aus luftdichtem Gewebe. Die Ober- und Unterseite der Flügel sind durch Rippen verbunden und in viele kleine Luftkammern unterteilt. An jeder Rippe befinden sich Belüftungslöcher, die die Luftzirkulation zwischen den Luftkammern erleichtern, sodass der Fallschirm beim Abstieg schnell aufgeblasen werden kann.

Quelle: China Military TV

Die Vorderkante des Parafoils ist offen und die Hinterkante geschlossen. Beim Gleiten strömt Luft aus den Öffnungen an der Vorderkante, füllt jede kleine Luftkammer und bildet die Form eines Flügels , was dem Flugzeug eine hervorragende Manövrierfähigkeit verleiht.

Quelle: China Military TV

Sowohl Rundfallschirme als auch Flügelfallschirme werden beim Militär verwendet, ihre Einsatzszenarien sind jedoch unterschiedlich. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die Sinkgeschwindigkeit und Manövrierfähigkeit der beiden Fallschirme unterschiedlich sind.

Die Gleitzahl dient der Aufteilung der Geschwindigkeit in vertikale und horizontale Richtung. Das Verhältnis der Geschwindigkeit in horizontaler Richtung zur Geschwindigkeit in vertikaler Richtung ist die Gleitzahl. Die Gleitzahl eines Rundfallschirms beträgt im Allgemeinen etwa 1:1 , während ein Flügelfallschirm aufgrund seiner Flügelform eine bessere Gleitfähigkeit aufweist und seine Gleitzahl im Allgemeinen 3:1 beträgt . Bei gleicher Höhe ist die Flugzeit des Rundfallschirms kürzer als die eines Flügelfallschirms, sodass eine schnelle Landung einfacher ist. Darüber hinaus ist der Flügelfallschirm wendiger als der Rundfallschirm und ermöglicht eine präzisere Landung.

Punktlandung, Volltreffer | Quelle: Offizieller WeChat-Account von „Our Sky“

Der Rundfallschirm eignet sich sehr gut für den schnellen Einsatz einer großen Truppenstärke auf relativ kleinem Raum und in relativ geringer Höhe . Da es für Fallschirmspringer jedoch schwierig ist, den Landepunkt des Fallschirms zu kontrollieren, muss das Flugzeug das Zielgebiet überfliegen, bevor der Fallschirm landen kann. Dies hätte eine direkte Exposition gegenüber feindlichem Feuer erfordert, was gefährlich war und keinen Überraschungseffekt hatte, sodass das feindliche Luftabwehrsystem vor der Landung zerstört werden musste. Andernfalls könnten die Luftlandetruppen vor der Landung schwere Verluste erleiden.[6]

Mit dem Rundfallschirm können Truppen dicht eingesetzt werden | Quelle: Wikipedia

Ein Parafoil kann pro Meter Sinkflug 3 Meter horizontal gleiten und kann daher große Entfernungen in der Luft zurücklegen. Wenn Sie aus einer Höhe von 5.000 Metern einen Fallschirmsprung machen, können Sie 15 Kilometer weit gleiten und landen. Gut ausgebildete Fallschirmjäger können in beträchtlicher Entfernung vom Zielgebiet mit dem Fallschirm abspringen, dann den Gleitschirm steuern, um Hindernissen und gefährlichen Bereichen auszuweichen, zum Zielgebiet gleiten und landen, wodurch die Tarnung und Plötzlichkeit der Operation erheblich verbessert wird.[6]

Allerdings ist die Steuerung eines Gleitschirms in der Luft schwierig und gefährlich und erfordert von den Fallschirmjägern sehr hohe Fallschirmsprungfähigkeiten. Daher werden Gleitschirme vor allem für vorbereitende Infiltrationsangriffe bei Luftlandeoperationen, zur Unterstützung nachfolgender großer Luftlandetruppen oder zur Durchführung bestimmter Spezialoperationen eingesetzt.

Es gibt eine Handlung, in der Gleitschirmflieger im Film „Operation Rotes Meer“ auftauchen. In der Szene am Ende des Films, in der der gelbe Kuchen geschnappt wird, beginnen die Teammitglieder, um einen lautlosen Angriff zu starten, mit dem Gleiten im Wingsuit, als sie noch zwei Kilometer vom Zielort entfernt sind, und öffnen dann den Gleitschirm zur Landung, um einen Überraschungseffekt zu erzielen.

Wingsuits und Parafoils im Film „Operation Red Sea“

Um ein qualifizierter Fallschirmspringer zu werden, müssen Sie viel Training absolvieren. Manche müssen zum Beispiel den freien Fall aus großer Höhe in einem Windkanal üben. Unten befindet sich ein riesiger Ventilator, der Menschen in die Luft sprengen kann, um die Szene eines Fallschirmsprungs zu simulieren.

Windkanaltraining

Fallschirmspringer trainieren in einem Windkanal | Quelle: ForGIFs.com

Um abschließend die am Anfang des Artikels gestellte Frage zu beantworten: Wenn Regenschirme nicht sicher vom Himmel geworfen werden können, können dann Vorhänge verwendet werden? Lassen Sie uns nachrechnen. Referenz [7] ist ein Raketenfallschirmgrößenrechner , der die Masse der Rakete eingibt und den erforderlichen Fallschirmdurchmesser berechnet. Obwohl Menschen und Raketen unterschiedlich sind, können wir Menschen genauso gut als Raketen betrachten. Bei einer angenommenen Masse von 60 kg und einer Landegeschwindigkeit von 4 m/s muss der Durchmesser des Fallschirms etwa 10 m betragen. Die Frage ist also, wo kann ich so große Vorhänge finden?

Vergessen Sie also den Vorhangfallschirm oder den Kleiderfallschirm. Lassen Sie uns auf wissenschaftliche Weise vom Himmel herabsteigen und dabei die Frucht der Wissenschaft nutzen – den Fallschirm.

Leider mangelt es dem Leben nach dem Physikstudium nicht nur an Wundern, sondern auch an Fantasie. Das Leben nach dem Physikstudium ist so schlicht, langweilig und öde.