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一、消防救生氣墊與牛頓運動學(xué)

牛頓運動學(xué)是物理學(xué)最基本的內(nèi)容，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識的基礎(chǔ)，在講解牛頓運動學(xué)相關(guān)知識時，可以引入消防救生氣墊的工作原理進(jìn)行分析。消防救生氣墊是消防部隊在搶險救援工作中重要的技術(shù)裝備，它是一種應(yīng)急救援時，用于接救從高處自由下落人員的充氣軟墊。從運動學(xué)的角度對救生氣墊的工作過程進(jìn)行分析，有利于明確其工作原理和工作條件，得出在有效避免和降低不當(dāng)使用對人員造成傷害的方法。秉承物理學(xué)研究剝離次要矛盾，抓住主要矛盾的分析方法，為了直觀的展示分析結(jié)論，忽略人體墜落下降過程中的空氣阻力、風(fēng)向風(fēng)速，假定救生氣墊在平整、水平的地面上充氣準(zhǔn)備完畢。現(xiàn)將人體墜落到救生氣墊的過程分為二個階段：第一階段：人體從建筑物高h(yuǎn)處脫離，下落至剛與救生氣墊表面接觸的瞬間。設(shè)人體的質(zhì)量為m，氣墊充氣準(zhǔn)備完畢后的高度為l，實際過程為平拋運動的拋物線，但在此只對人體在豎直方向的速度做研究。圖1：人體墜落第二階段取建筑物、氣墊、人體、地面作為一個系統(tǒng)，以水平地面作為參考點，不計空氣阻力，則從人體脫離建筑物到剛接觸氣墊表面的過程中，外力和非保守內(nèi)力都不做功，系統(tǒng)機(jī)械能守恒條件，人體在h高處具有的機(jī)械能E1等于剛接觸氣墊表面時的機(jī)械能E2，如式①：E1=E2則有：①得剛接觸氣墊時豎直方向的瞬時速度。v的大小只與建筑物高度h處到氣墊表面的距離(h—l)有關(guān)，即距離氣墊表面距離越大，速度v越大。第二階段：如圖1所示，從人體接觸氣墊表面A點到將氣墊壓縮至發(fā)生最大形變量的B點。此過程發(fā)生時間較短，假設(shè)人體對氣墊產(chǎn)生壓力F為恒力，氣墊對人體產(chǎn)生反作用力F’。在F’的作用下，人體到達(dá)B點時，豎直方向速度降為0。根據(jù)動量定理：物體動量的增量等于它所受外力的沖量，可得②式：②“—”表示F’的方向與v的方向相反。F’稱為人體受到的平均沖力。②式表明，第二階段是救生氣墊的“救生”原理，將人體的速度由v降至0的過程中，動量的增量m△v不變，大小都是mv，氣墊延長了人體所受平均沖力F’，作用的時間△t，從而減輕F’的大小，減小F’對人體的傷害。2005年9月，四川消防總隊章福昌高級工程師采用65kg的模擬人體做了人體墜落救生氣墊的實驗[1]，選用了充氣后3.2m×3.2m×1.7m規(guī)格的氣墊，建筑物高度h分別取4.25米和11.80米，實驗得到△t；將建筑物高度h、氣墊厚度l、平均時間分別代入①、②式，得到速度v和平均沖力F’。如表1：在實際訓(xùn)練及搶險救援工作中，嚴(yán)格規(guī)定，使用消防救生氣墊時，建筑物高度嚴(yán)禁超過16米。當(dāng)建筑物高度超過16米時，人體墜落后接觸救生氣墊的瞬時速度v過大，戳穿消防氣墊的可能極高，人體承受的平均沖力F’太大，對人體本身造成極大傷害。

二、液壓破拆工具與帕斯卡定律

流體力學(xué)也是消防指揮專業(yè)物理教學(xué)中非常重要的內(nèi)容。流體動力學(xué)的原理在《火場供水》課程中得到廣泛應(yīng)用，而流體靜力學(xué)的原理也可在《消防技術(shù)裝備》相關(guān)內(nèi)容中得到體現(xiàn)。近年來液壓破拆工具的應(yīng)用極為廣泛。液壓泵、液壓擴(kuò)張器、液壓剪短器等常用液壓破拆工具，都是通過液壓傳動原理工作，而液壓傳動是流體力學(xué)中的“帕斯卡定律”在現(xiàn)實中的主要應(yīng)用。液壓傳動的基本原理：在密閉液體中，當(dāng)壓強(qiáng)一定的時候，活塞的受力面積越大，則受到的壓力越大。當(dāng)液壓系統(tǒng)穩(wěn)定時，由于面積的差異，只需要在活塞A處施加很小的力，就可以再面積較大的活塞B處得到較大的推力。如圖2所示，液壓千斤頂施力部分杠桿動力臂和阻力臂分別為L1和L2，液壓系統(tǒng)小活塞的直徑為DA，大活塞的直徑為DB。假設(shè)人體施力F1為100N，力臂之比L1=10L2，活塞直徑之比DB=10DA。計算液壓千斤頂對外施加的推力F3的大小。杠桿部分：液壓部分：根據(jù)帕斯卡定律可得：即通過液壓千斤頂?shù)淖饔茫瑢⑷说膲毫Ψ糯罅?100倍。消防人員在執(zhí)行搶險救援任務(wù)時，面臨救援空間狹小，需要破拆物體堅固等復(fù)雜條件，大型器械施展不開，此時使用體積較小、功能強(qiáng)大的液壓工具進(jìn)行破拆，效果事半功倍。

三、結(jié)語

引入消防實例，提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量，在選擇實例時必須注意與教學(xué)知識點要高度相關(guān)，兼顧學(xué)生的認(rèn)知度。盡可能選取學(xué)生接觸過的或是經(jīng)歷過的實例，或是在消防工作中較為普遍的實例。避免選用較為特殊，學(xué)生極為陌生的實例。最大限度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時，降低學(xué)生將實際與物理學(xué)理論結(jié)合的難度。

參考文獻(xiàn)：

[1]章福昌.救生氣墊在滅火救援中的應(yīng)用分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2006,25(2):258-259.

作者:莫凡 單位:公安消防部隊高等專科學(xué)校