如何科学地从天而降？

小时候看《功夫》，觉得这套如来神掌实在是炫酷，幻想着自己有一天也能这样从天而降。

后来学了物理，尤其是学完自由落体运动之后，越发觉着这个幻想永远都不可能实现了。然后顺便也怀疑影视作品和文学作品中“从天而降”场景的科学性，哎，谁让我学了物理╮（╯＿╰）╭。

撑伞从天而降

窗帘降落伞

以及下面这个衣裤降落伞。

原来欧阳锋被困秃木峰顶，他武功虽高，终究无法从这笔立千丈的高峰上溜下来，熬了几日冻饿，情急智生，忽然想到一法。他除下裤子，将两只裤脚都牢牢打了个结，又怕裤子不牢，将衣衫都除下来缚在裤上，双手持定裤腰，咬紧牙关纵身一跃，从山峰上跳将下来。这法子原本极为冒险，只是死中求生，除此更无他策，果然一条裤子中鼓满了气，将他下降之势大为减弱。

——《射雕英雄传》第三十七章 从天而降

想要知道如何科学地从天而降，首先需要知道从天而降的时候在空中会发生些什么。

●终端速度●

我们高中学过自由落体运动，这是没有考虑空气阻力的影响。物体从高空坠落，如果是做自由落体运动，那么它的速度是一直在增加的。但实际上，由于空气阻力的存在，高空坠落的物体的速度不会无限制地增加下去，而是有一个极限，这个极限叫做终端速度。

如果无视空气产生的浮力，会有下面这个公式：

Fd为所受的空气阻力；

ρ为物体下落时所处空气的密度；

v为物体下落的速度；

cd为物体的阻力系数，与物体的形状等因素有关；

A为物体的投影面积。

当物体下落的速度足够大的时候，所受的空气阻力和重力大小相等，方向相反，于是下落的速度就不再增加，达到了终端速度，下落物体的终端速度可以这样求得：

跳伞员如果采取俯伏向下的姿势，不打开降落伞的话，其终端速度约为55m/s（~195km/h），我国D字头的动车组列车的行驶速度也差不多是这个值。如果跳伞员把四肢收起来，头朝下，做出类似钢铁侠飞行时的那种动作，终端速度会提升至90m/s（~320km/h），几乎快到了游隼向下追捕猎物时的速度 [1]。

1960年8月16日，美国空军上尉约瑟夫·基廷格（Joseph Kittinger）创造了个记录，当时他从一个漂浮在31330m高度的氦气球吊篮上跳下来，下落过程中的最高速度达到了274m/s，差不多是音速的9/10 [2]。直到2012年这个记录才被打破，费利克斯·鲍姆加特纳（Felix Baumgartner）乘高空氦气球飞到了39045m的高空然后跳下来，最高速度达到了373m/s，已经突破了音速。当然了，这个最高速度是在高空中实现的，因为那里大气稀薄。

约瑟夫·基廷格 | 来源：Wikipedia

说了那么多，其实想表达的就是：如果想科学地从天而降，办法就是提高空气阻力。下落的时候要提高空气阻力，首先可能会想到降落伞。降落伞主要是通过巨大的投影面积来增大空气阻力的。

降落伞可以将终端速度降低90％以上，因此携带了降落伞的人可以以3~4m/s（~12km/h）的相对较低的速度撞击地面 [3]。

常见的降落伞主要有两种，一种是圆伞，一种是翼伞。

圆伞 | 来源：explainthatstuff.com

翼伞 | 来源：explainthatstuff.com

顾名思义，圆伞，就是圆形的降落伞，外形看上去像水母。降落伞由主降落伞和备用降落伞组成，备伞是在主伞打不开的情况下使用的。

一种圆伞结构（1是引导伞，3是伞顶孔，4是主伞，9是操纵棒） | 来源：explainthatstuff.com

主伞开伞方式一般有两种：一是拉绳将伞包拉开，伞包内引导伞先弹出，产生足够的拉力拉开主伞。二是拉绳将稳定伞拉开，同时开锁器开始计时，几秒钟之后，解除对稳定伞的限制，从而拉出主伞，使主伞张开 [4]。上图中的1就是引导伞。

图中的小降落伞就是稳定伞 | 来源：“我们的天空”微信公众号

主伞释放后拉力会迅速增加，可以看这个示意图了解一下。

跳伞员跳伞之后受力变化的示意图 | 来源：hypertextbook.com

如果注意观察会发现，圆伞上好像总是有几个“破洞”。这其实是排气孔，不是“破洞”，并且是有意为之。其中顶部的叫做伞顶孔，允许空气从圆伞顶部缓慢逸出，而不是从圆伞的“裙摆”逸出，这有助于减少降落伞的晃动。另外可以用操纵棒控制前后排气孔的开闭，进而控制降落速度，改变运动方向，还可以减弱层风的影响，减少摇晃。

降落伞的”裙摆“处有前后排气孔 | 来源：“我们的天空”微信公众号

如果用雨伞做降落伞会出现什么情况呢？如果你的伞不够坚固，要么会被吹翻，要么会被吹得伞面、伞骨分离；如果伞足够坚固，那也别高兴得太早，嗯，伞会吹得侧翻。所以，用雨伞做降落伞还是别想了。

来源：果壳网 [5]

除了圆伞之外，另一种常见的就是翼伞，翼伞是翼形降落伞的简称，也叫翼型滑行伞或滑行降落伞。从名字上就可以知道，它可以在空中滑行。翼伞大多呈矩形，并且设计成冲压式。

冲压式翼伞 | 来源：hypertextbook.com

所谓冲压式，就是像上图这样，翼伞的上下翼面用不透气的织物制造，上下翼面由肋片连接，分割成很多小气室，各肋片上有通风孔，便于各个气室之间空气流通，从而使伞体在下降时快速充气。

来源：中国军视网

翼伞的前缘是开口的，后缘是封闭的。当滑翔的时候，空气从前缘开口涌入，使得每个小气室撑满，形成一个机翼的形状，从而具有很好的机动能力。

来源：中国军视网

圆伞和翼伞在军事上都有应用，但它们的使用场景不太一样，原因主要是这两种伞的滑降比和可操控性不一样。

滑降比，就是将速度分解成竖直和水平两个方向，水平方向上的速度与竖直方向上的速度的比值就是滑降比。圆伞的滑降比一般是1:1左右，而翼伞因为伞形呈机翼形状，所以有更好的滑翔能力，滑降比一般为3:1，相同高度下，圆伞的留空时间会比翼伞短，方便快速降落。另外，翼伞还比圆伞操控性更强，更容易精准着陆。

精准着陆，命中靶心 | 来源：“我们的天空”微信公众号

圆伞非常适合在相对较小的区域，相对较低的高度迅速地投放大量兵力。但因为跳伞员比较难控制圆伞的落点，所以需要飞行器飞临目标区上空才能跳伞着陆。这样需要直面敌方炮火，危险并且缺乏突然性，所以降落之前需先摧毁敌防空体系，否则空降部队还未着陆就可能损失惨重 [6]。

圆伞可以密集投送兵力 | 来源：Wikipedia

翼伞每下降1m可水平滑行3m，所以能在空中远距离滑翔，如果在5000m高空跳伞，可滑行到15公里外着陆。训练有素的空降兵能在距目标地区相当远的距离跳伞，然后操控翼伞避开障碍和危险区，滑行至目标区着陆，大幅度提高了作战的隐蔽性和突然性 [6]。

但空中操控翼伞的难度较大、危险性较高，对伞兵的跳伞技术要求很高。所以翼伞主要用于空降作战的先期渗透突袭，接应后继空降的大部队或执行某些特种作战任务。

《红海行动》中就有翼伞出现的剧情。在电影末尾抢夺黄饼的片段中，为了悄无声息地发动突袭，队员们在离目标位置还有两公里的时候就开始翼装滑行，然后再打开翼伞降落，起到出其不意的效果。

电影《红海行动》中的翼装和翼伞

想成为合格的跳伞员需要经过大量的训练，比如有的可能需要在风洞上练习高空自由落体。下面有一个巨大的风扇，能将人吹起来，模拟跳伞下落时的场景。

风洞训练

跳伞特技表演人员在风洞中训练 | 来源：ForGIFs.com

最后回答文章开头提到的问题，雨伞不能安全地从天而降，那窗帘行不行？我们来算一算好了。参考资料[7]是一个火箭降落伞尺寸计算器，输入火箭的质量，可以算出所需降落伞的直径。虽然人和火箭还是不一样的，但也不妨把人当做火箭来算一算。假设质量为60kg，如果以4m/s的速度落地，那降落伞的直径需要10m左右。那么问题来了，去哪找这么大的窗帘？

所以，窗帘降落伞别想了，衣裤降落伞也别想了，科学地从天而降，还是用科学的结晶——降落伞吧。

哎，学了物理，生活不仅缺少了奇迹，还缺少了幻想，学了物理的人生，就是这样朴实无华，无聊且枯燥。

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