消防指挥专业物理教学研究

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一、消防救生气垫与牛顿运动学

牛顿运动学是物理学最基本的内容，也是进一步学习物理知识的基础，在讲解牛顿运动学相关知识时，可以引入消防救生气垫的工作原理进行分析。消防救生气垫是消防部队在抢险救援工作中重要的技术装备，它是一种应急救援时，用于接救从高处自由下落人员的充气软垫。从运动学的角度对救生气垫的工作过程进行分析，有利于明确其工作原理和工作条件，得出在有效避免和降低不当使用对人员造成伤害的方法。秉承物理学研究剥离次要矛盾，抓住主要矛盾的分析方法，为了直观的展示分析结论，忽略人体坠落下降过程中的空气阻力、风向风速，假定救生气垫在平整、水平的地面上充气准备完毕。现将人体坠落到救生气垫的过程分为二个阶段：第一阶段：人体从建筑物高h处脱离，下落至刚与救生气垫表面接触的瞬间。设人体的质量为m，气垫充气准备完毕后的高度为l，实际过程为平抛运动的抛物线，但在此只对人体在竖直方向的速度做研究。图1：人体坠落第二阶段取建筑物、气垫、人体、地面作为一个系统，以水平地面作为参考点，不计空气阻力，则从人体脱离建筑物到刚接触气垫表面的过程中，外力和非保守内力都不做功，系统机械能守恒条件，人体在h高处具有的机械能E1等于刚接触气垫表面时的机械能E2，如式①：E1=E2则有：①得刚接触气垫时竖直方向的瞬时速度。v的大小只与建筑物高度h处到气垫表面的距离(h—l)有关，即距离气垫表面距离越大，速度v越大。第二阶段：如图1所示，从人体接触气垫表面A点到将气垫压缩至发生最大形变量的B点。此过程发生时间较短，假设人体对气垫产生压力F为恒力，气垫对人体产生反作用力F’。在F’的作用下，人体到达B点时，竖直方向速度降为0。根据动量定理：物体动量的增量等于它所受外力的冲量，可得②式：②“—”表示F’的方向与v的方向相反。F’称为人体受到的平均冲力。②式表明，第二阶段是救生气垫的“救生”原理，将人体的速度由v降至0的过程中，动量的增量m△v不变，大小都是mv，气垫延长了人体所受平均冲力F’，作用的时间△t，从而减轻F’的大小，减小F’对人体的伤害。2005年9月，四川消防总队章福昌高级工程师采用65kg的模拟人体做了人体坠落救生气垫的实验[1]，选用了充气后3.2m×3.2m×1.7m规格的气垫，建筑物高度h分别取4.25米和11.80米，实验得到△t；将建筑物高度h、气垫厚度l、平均时间分别代入①、②式，得到速度v和平均冲力F’。如表1：在实际训练及抢险救援工作中，严格规定，使用消防救生气垫时，建筑物高度严禁超过16米。当建筑物高度超过16米时，人体坠落后接触救生气垫的瞬时速度v过大，戳穿消防气垫的可能极高，人体承受的平均冲力F’太大，对人体本身造成极大伤害。

二、液压破拆工具与帕斯卡定律

流体力学也是消防指挥专业物理教学中非常重要的内容。流体动力学的原理在《火场供水》课程中得到广泛应用，而流体静力学的原理也可在《消防技术装备》相关内容中得到体现。近年来液压破拆工具的应用极为广泛。液压泵、液压扩张器、液压剪短器等常用液压破拆工具，都是通过液压传动原理工作，而液压传动是流体力学中的“帕斯卡定律”在现实中的主要应用。液压传动的基本原理：在密闭液体中，当压强一定的时候，活塞的受力面积越大，则受到的压力越大。当液压系统稳定时，由于面积的差异，只需要在活塞A处施加很小的力，就可以再面积较大的活塞B处得到较大的推力。如图2所示，液压千斤顶施力部分杠杆动力臂和阻力臂分别为L1和L2，液压系统小活塞的直径为DA，大活塞的直径为DB。假设人体施力F1为100N，力臂之比L1=10L2，活塞直径之比DB=10DA。计算液压千斤顶对外施加的推力F3的大小。杠杆部分：液压部分：根据帕斯卡定律可得：即通过液压千斤顶的作用，将人的压力放大了1100倍。消防人员在执行抢险救援任务时，面临救援空间狭小，需要破拆物体坚固等复杂条件，大型器械施展不开，此时使用体积较小、功能强大的液压工具进行破拆，效果事半功倍。

三、结语

引入消防实例，提高大学物理教学质量，在选择实例时必须注意与教学知识点要高度相关，兼顾学生的认知度。尽可能选取学生接触过的或是经历过的实例，或是在消防工作中较为普遍的实例。避免选用较为特殊，学生极为陌生的实例。最大限度的激发学生的学习兴趣的同时，降低学生将实际与物理学理论结合的难度。

参考文献：

[1]章福昌.救生气垫在灭火救援中的应用分析[J].消防科学与技术,2006,25(2):258-259.

作者:莫凡 单位:公安消防部队高等专科学校