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“鋼鐵俠”飛行背后的物理原理是啥?

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-06-21  瀏覽次數:1023
核心提示:北京時間6月21日消息,美國特效工程師、著名節目《流言終結者》主持人亞當薩維奇嘗試打造了一款真實的鋼鐵俠戰衣,并且真的可以飛行。  他用鈦制作了鋼鐵俠戰衣的各個部件,然后加上Gravity Industries公司打造的噴射引擎,使其成為一
 


北京時間6月21日消息,美國特效工程師、著名節目《流言終結者》主持人亞當·薩維奇嘗試打造了一款真實的鋼鐵俠戰衣,并且真的可以飛行。
 

  他用鈦制作了鋼鐵俠戰衣的各個部件,然后加上Gravity Industries公司打造的噴射引擎,使其成為一款可以飛的戰衣,戰衣上安裝了多個小型噴射引擎,提供足以讓一個人飛起來的推力。

但普通人能穿著這套戰衣飛起來嗎?答案是有可能,但僅僅是“有可能”而已。但普通人能穿著這套戰衣飛起來嗎?答案是有可能,但僅僅是“有可能”而已。

  理查德·布朗寧成為了這套戰衣的“駕駛員”,如在現實世界中見到一位飛翔的“鋼鐵俠”,這景象簡直有如史詩一般。

但這套飛行戰衣要如何控制呢?

  但這套飛行戰衣要如何控制呢?

  戰衣背部裝有一個主噴射引擎,同時雙臂各有兩個較小的噴射引擎,這就意味著,穿戴者只需要改變胳膊位置,就能對戰衣進行控制了,甚至不需要調整噴射推力,這個設計還蠻酷的。

  看完了炫酷的戰衣飛行,我們想從物理宅的角度來討論討論,如何放置胳膊才能做出不同的飛行動作,這可是關乎到你能不能飛起來又快有帥~

  懸停和垂直運動

  剛開始時,穿戴者應將雙臂伸出,并保持在一定角度。這樣一來,人體大致受到四個力:有向下的引力,還有由背后的噴射引擎提供的向上(稍微帶一點角度)的力。此外,雙臂的噴射引擎還會提供兩個傾斜的力。下圖為戰衣處于懸停(靜止離地)狀態時的簡化版受力圖。

  等一下,在進一步討論這些力之前,我們先來過一遍一些基本的物理知識。首先是引力,在受力圖上標為mg,其中m為穿戴者的質量,g是引力常數,在地球表面,引力常數約等于每千克9.8牛。

  力究竟有什么作用呢?最基本的力與運動關系指出,作用于一個物體的總向量力(合力)與該物體的加速度成正比,也就是說,穿戴者要想懸停在半空中,受到的合力必須是零,若合力方向朝上,穿戴者就會加速向上運動。

  既然要用到合力,先給大家看一下合力的等式:

  而關于這個等式,有幾點需要說明。變量上方的箭頭代表它們為向量,即帶有多個信息的變量,比如說,這些變量既可以表示力的大小,還可以表示力的方向。

  等式中的mg為什么是正的、而不是負的呢?這是一個學生常犯的錯誤。這是因為引力常數的矢量方向本身就是朝下的,這一信息已經包含在這個矢量中了,因此不需要再給它加上一個負號,否則整個等式就亂了套了。

  0上方的箭頭又是怎么回事呢?這其實是零向量,和普通的零并不一樣。零向量是指在各個方向上大小都為零的力,即在x軸、y軸和z軸上都為零,零向量非常重要,但大多數入門級教科書都對其避而不談。

  但如果不改變噴射推力,怎樣才能從懸停狀態變成加速向上呢?關鍵就在于雙臂的噴射角度。假設穿戴者目前處于懸停狀態,那么其y軸上的合力必然為零。這里要注意的是,當我們討論力的分解時,在各個軸上的分解力都是一維的、并不是向量,因此在懸停狀態下,y軸方向上有4個力,除了背部的推力和引力之外,還有從雙臂噴射推力分解出的垂直方向上的推力。單臂受力圖的分解如下圖所示。

  任何向量力都可以分解為幾個不同的力。我們可以將一個力沿x軸和y軸進行分解(在現實生活中還可以加上z軸),由于x軸和y軸相互垂直,分解出的兩個力便構成了一個直角三角形,因此你可以用中學所學的三角函數計算出這兩個分力的大小,結果取決于噴射引擎的推力角度。

  這一點很重要。這樣一來,你就知道怎樣才能加速向上飛行了:需要更多垂直方向上的推力。不需要對噴射引擎本身做任何改變,只需要將雙臂更貼近身體就行。這樣一來,兩側的力與垂直方向的夾角就會縮小,y軸上的分力就會變大,身體向上的總合力也會隨之增加,使你加速向上運動。

  這個動作還會改變x軸上的分力,使之減小,但這沒關系,因為兩條胳膊在x軸上的分力可以相互抵消,只要雙臂同時做這個動作,就沒什么問題。

  向前運動

  沒人愿意一直懸停在空中。

  假如你是鋼鐵俠,你肯定也想到處飛來飛去對不對?要想加速向前運動,你需要將裝在雙手上的噴射引擎朝向后方——只需要一點點就可以了,幅度不用太大,甚至讓雙臂豎直垂下也可以讓你向前飛。下圖是鋼鐵俠側面的受力圖。

  這里要注意的是,圖中只有一個向前的分力,由背后的噴射引擎提供。假如雙臂的噴射引擎沒有指向后方,這個分力就是唯一讓你向前加速運動的力,如果沒有其它力,穿戴者就會維持這一姿勢、不斷向前加速。

  一旦達到了你想要的速度,你就可以把胳膊放回懸停時的位置,這樣速度就不會繼續增加了。勻速運動時并不需要非零合力,只有加速運動時才需要,另外,假如空氣阻力很大的話,你受到的力也會稍有變化。

  在加速過程中,你可能不得不調整一下胳膊的姿勢。如果你把胳膊向后伸、身體向前傾,就會改變垂直方向上的分力,沒關系,只要把胳膊貼近身體,垂直向上的分力就會隨之增加,彌補剛才的變化。

  那如果想轉圈圈、或者側著身體飛行呢?朝側面運動和向上運動一樣,只要在該方向上的合力不為零,就可以朝你想要的方向飛去了,如果想停下來,只要在反方向上加一個力,便可順利減速。

  而如果想做旋轉運動,就得考慮一下在扭轉方向上的合力,但切勿操之過急,一定要慢慢來。等你掌握了懸停技巧之后,再嘗試旋轉吧。

  看到這里,有沒有覺得好像回到了高中令人眩暈的物理課堂,還是直接等著這套“鋼鐵俠”的戰衣能真正買到的時候,買一套來玩玩好了~

 
 

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