从力学的角度向你传授下胸口碎大石

“胸口碎大石”作为杂技表演类的节目，相信大家都有听说甚至见过，那这种“神功”是怎样实现的呢？下面从流体传动的角度来领略“胸口碎大石”的神奇。

原理解释

对“胸口碎大石”的科学解释有很多，其中比较典型的有两种：惯性效应和帕斯卡效应，本文则从空气弹簧效应角度进行解释。

惯性效应

由于石块质量很大，锤子很快砸下去时，惯性作用使得石块的加速度很小，从而对人不会产生很大冲击。该过程可通过牛顿第二定律理解：

当锤子作用在石块上的冲击力F一定，石块质量m越大，石块产生的加速度a越小，给人体带来的冲击也越小，从而使人不受伤害。

帕斯卡效应

采用的石块形状一般为规整的长方体，其与人体接触的面积很大，由帕斯卡的压强公式：

可知：当力F一定，由于人与石块接触面积A很大，故作用在人体上的压强P很小，即石块与人体接触的大面积会将锤子作用在石块上的冲击强度分散掉，进而使人受到的损伤大大减弱。

本文则从流体传动中“流体弹簧效应”的角度来分析“胸口碎大石”的原理。

空气弹簧效应

以封闭流体腔为例，假定流体为可压缩性的，在一定频率范围内（高频或高速冲击），流体腔对外力的响应特性中反映出一种“流体弹簧”的存在，即流体具有了类似于弹簧的属性，这种弹簧称为“流体弹簧”。

所形成“流体弹簧”的刚度是被压缩流体所产生的复位力与活塞的位移的比值，可理解为流体传动中的“胡克定律”（F=k·△x）。流体弹簧刚度k的公式定义为：

其中，V为流体腔体积，β为流体弹性模量（可视为定值），A为活塞有效作用面积（可视为定值）。

然而，值得注意的是：“流体弹簧”只有在满足一定激振频率或冲击的条件下才会形成，在平稳压缩或拉伸时“流体弹簧”是不存在的。

因此，基于“流体弹簧”动态性的理解，对于“胸口碎大石”而言，只有将锤子迅速砸在石板上，即在很短的冲击时间内，胸腔中空气由于来不及从口鼻排除，便形成了“空气弹簧”（上述的“流体弹簧”），而正是由于“空气弹簧”具有动态刚度，身体才会被保护起来不被冲击压伤。

如何练成

讲了那么多，那到底如何才能练成“胸口碎大石”的神功呢？

图摘自网络

从以上的分析可总结出实现“胸口碎大石”的两个关键因素：锤击时间短（冲击）和胸腔中保留适量空气。

也就是说，只要做到抡锤冲击快（锤子与石头接触时间短）以及胸腔内形成弹性刚度足够大的空气弹簧，便具备了“胸口碎大石”的基础条件。当然，要想最终完成，经验积累和技巧掌握还是必不可少的。

如何有效减伤

想要有效防止或减小对人体的损伤，即胸腔要能够产生足够大的复位力来克服冲击力，以至人体不被压伤（通俗理解就是防止被压扁），就需要增加胸腔中所形成的“空气弹簧”的刚度。

从动态弹簧刚度公式可看出，增加空气弹簧刚度最直接有效的方法是减小胸腔体积V，即碎石前胸腔中尽量少吸入空气。

另外，由于石头、皮肤肌肉和胸腔共同组成了一个弹簧-质量系统，其中皮肤肌肉和胸腔体可视为两个串联的弹簧。因此，适当绷紧腹、胸部肌肉也可增加所形成的等效弹簧的刚度，从而减缓人体所受冲击。

好了，技巧和道理都讲完了，请开始你的表演吧～