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彈力常數k的意義 在 [攀岩] 用高中物理討論墜落係數- 精華區MountainClub 的推薦與評價
今天上課有點無聊,想到之前中岩書討,
永暉問我關於墜落時繩子受力的問題,就拿筆算了一下。
只要假設設得好,其實不難算,
PO文時間比我算的時間多上許多 XD
題目:
假設某 A 體重 W ,在岩壁上墜落,墜落時繩子放出長度 L,墜距 D。
墜落到繩自然長度後,持續延伸墜落至伸長 x 時停止。
不計空氣阻力及繩重,繩彈性在關注範圍內符合虎克定律,一米繩子之彈性係數為 k。
計算繩子最大受力並說明墜落係數之意義。
解:
墜落發生時,繩子之彈力常數 K = k/L。
力學能守恆可計算繩伸至最長時,重力位能全數轉為繩子彈力位能。
U = WD + Wx = Kx^2/2
解一元二次方程式,得 F = Kx = W + sqrt( W^2 + 2KWD )
= W + sqrt( W^2 + 2kW(D/L) )
= W + sqrt( W^2 + 2kW( Fall Factor ) )
由此可知墜落發生時,繩子的最大受力,只和人之體重、繩子材料及墜落係數有關。
人的體重愈重、繩子彈性愈差、或墜落係數愈大,都會使繩之受力愈大。
類題1:
假設某 A 體重 800N。使用之動力繩,一公尺繩之彈性係數 k = 10000 N/m
攀爬至 10m 時發生墜落,墜距 2m,問其繩最大受力為何?
解:
F = W + sqrt( W^2 + 2kW(D/L) )
= 800 + sqrt( 800^2 + 2*10000*800*2/10 ) = 2760 N ~ 2.8 kN
此時,繩子伸長量 x = F / (k/L) = 2760 / (10000/10) = 2.76 m
意即在 2m 墜距結束之後,還會繼續下墜 2.76m 才會向上彈回。
體重 800N 相當於 82kg 左右。
一米彈性係數 k = 10000 N/m 之繩,在 30m 的靜止狀態懸掛 80kg 的人,
會延伸 2.4m ,和我們常用動力繩彈性差不多。
類題2:
承上題,若某 A 攀爬至 1.5m 時即發生嚴重先鋒墜落,墜距 3m,問其繩最大受力為何?
解:
F = W + sqrt( W^2 + 2kW(D/L) )
= 800 + sqrt( 800^2 + 2*10000*800*3/1.5 ) = 6513 N ~ 6.5 kN
此時,繩子伸長量 x = F / (k/L) = 6513 / (10000/1.5) = 0.98 m
意即在 3m 墜距結束之後,還會繼續下墜 0.98m 才會向上彈回。
依照這樣的計算,像是一般的大 D ,其受力承受範圍可達 20 kN ~ 25 kN ,
在應付各種墜落上,都是相當安全的。
但方向錯置的大 D ,受力承受範圍約只有 7 kN ~ 9 kN,
在最嚴重的先鋒墜落時,會有失敗的危險性。
繩子延伸距離也是考量因素,彈性好(虎克常數 k 較小者)的繩子緩衝較佳,
但額外的長度會使攀登者碰撞受傷的機會增加。
同樣利用高中物理,也可以估計墜落所需的時間。
自由落體墜距 D 所花時間為 sqrt( 2D/g )
繩子緩衝啟動後,經歷的時間是簡協運動的半週期,
再加上彈簧自然長度到平衡點所需的時間:
2pi sqrt( m/K ) * [ 0.5 + arcsin{ W/[ W + sqrt( W^2 + 2kW(D/L) ] } ]
套用類題1 或類題2 都是 2sec 左右,足夠讓人好好檢視人生跑馬燈啦!
有哪裡算錯或那裡奇怪歡迎討論啦 :P
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