Тази седмица, попитахме те за изпращане на въпроси по физика на поп културата. Сега имаме някои отговори, благодарение на Rhett Allain, автор на новата книга Geek Physics и WIRED.com сътрудник .
Първо, позволете ми да кажа, че всичко това са страхотни въпроси. Наистина, по някакъв начин самото задаване на въпроса е също толкова забавно, колкото и отговора. Но какво общо имат тези странни въпроси с истинската наука? За мен мисленето за фалшиви неща (като супергерои или видеоигри) е много подобно на гледането на нещата в реалния свят. Нека предложа една аналогия.
Катерили ли сте някога скално катерене, или върху истински скали, или върху изкуствена стена за катерене? И в двете ситуации човекът преминава през подобни движения. Но някои хора наистина харесват фалшивите стени за катерене, защото им дават възможност да тренират, а фасадите обикновено са по-лесни за достигане, отколкото истинските планини. Същото важи и за анализирането на фалшиви неща - това е добра практика за научно изследване на реални явления.
А сега към вашите въпроси. Току-що разбрах, че повечето от тях се занимават със супергерои. Надявам се това да не ви разочарова.
@DuaneMieliwocki: Може ли Супермен наистина да лети? Или различната гравитация на земното слънце просто му позволява да скочи наистина далеч?
Сигурен съм, че Супермен е бил тема на много научни дискусии. Отговорът ми на този въпрос може да не е уникален, но все пак е забавен. Първоначално идеята беше, че Супермен е толкова силен, че може да „прескочи висока сграда с един замах“. Може ли скачането да работи като форма на летене?
Не забравяйте, че има друг супергерой, който обича да скача - Хълк. Ето а блог пост който гледа на скачащ супергерой (има и версия в моята книга, Geek Physics ). Проблемът със скачането както на Хълк, така и на Супермен е, че изисква бутане на земята. Когато нормален човек скача, краката му се натискат на земята със сила и човекът се движи нагоре във въздуха. За да стреляте от земята с още по-голяма скорост, ще трябва да натиснете по-силно. в Отмъстителите филм, Хълк скача на около 120 метра височина - което би изисквало сила от около 400 000 нютона (не забравяйте, че Хълк има по-голяма маса от нормален човек). Но тази сила е достатъчно голяма, за да унищожи повърхността, от която е скочил Хълк. Същото би било вярно и за скачащия Супермен. Когато прилагаше силата, необходима за скок на голяма височина, той потъваше в самата земя, от която се опитваше да скочи. Помислете само за скачане в мека кал. Ето какво би било това.
Ако Супермен не скача, тогава как лети? Някои хора предполагат, че той има някаква телекинетична сила, която му позволява да се оттласне от земята, без да я докосва. Това обаче е все едно да кажеш, че лети с магия. Мисля, че можем да се справим по-добре от това. Има няколко начина, по които истинските обекти летят. Първо, има ракета, която остава извън земята, като изстрелва газове от долния двигател. Може ли това да работи за Супермен? Може би той може да излъчва частици от едната страна на тялото си. Това би проработило, освен че той или ще се нуждае от голямо количество частици (помислете за масивното гориво в ракета), или тези частици ще трябва да пътуват със супер скорости.
Вторият вид летящ обект е самолет, който остава извън земята, като се блъска във въздуха и го отклонява надолу (да, това е много опростено обяснение на летенето). Но за да се разбие във въздуха, обектът трябва да се движи напред - и сега се връщаме към същия проблем: Как Супермен се движи напред? Ще изляза на крайник и ще кажа, че той изстрелва частици от долната част на краката си.
@alexziemianski: Защо хората, които Светкавицата спасява, не получават камшичен удар от внезапното ускорение?
Краткият отговор е, че тези хора всъщност би се бъдете наранени. Във филма X-Men: Дни на миналото бъдеще , Quicksilver (версията на Marvel за бързо бягащ супергерой) се държи за нечия глава, за да предотврати камшичен удар, но камшичният удар е само малка част от проблема. Истинският проблем е увреждането на вътрешните органи.
Когато супергерои като The Flash или Quicksilver спасят някого, те трябва да ускорят този човек. И за да ускорят някого, те трябва да го натиснат по някакъв начин. Ако Светкавицата бутне гърба на човек, това ще ускори гърба на човека. След това гърбът натиска белите дробове, а белите дробове натискат предната част на гърдите. Цялото това натискане е лошо - може да причини всякакви физически щети. Човек може да оцелее при ускорение до 40 гр за много кратко време, но това е по-малко от ускорението за много супергерои.
И така, как го правят? Накратко, не знам.
@DuaneMieliwocki: Как Бионичният човек успя да вдигне толкова много тежки неща, без гръбначният му стълб или тазът му да се огънат?
Това е страхотен момент. Само защото Стив Остин (приятелите му го наричат просто Стив) има бионична ръка, това не означава, че той може да направи нещо. Ако ръцете му вдигнаха някаква тежка маса, гърбът и краката му също трябваше да я поддържат.
Този пропуск не се случи само в Човекът за шест милиона долара . Във филма Отмъстителите: Ерата на Ултрон , Тони Старк (в ролята на Железния човек) се опитва да вдигне чука на Тор, като използва само ръкавицата на Костюм на Железния човек .
Вляво е диаграма на силата както за чука, така и за ръкавицата, докато Тони се опитва да я вдигне.
Без значение колко силно ръкавицата дърпа чука, Тони (простият човек) ще трябва да я дръпне. Това е просто лоша идея за останалата част от тялото му. Но може би Тони никога не е възнамерявал наистина да вдигне чука...
Фахад Удин Сидикуи: Колко реалистично е да мечтаем за антиматерията като правдоподобен източник на енергия през следващия век?
Аха! Въпрос, който не е супергерой. Първо, какво е антиматерия? Накратко, антиматерията е точно като нормалната материя, но с противоположния заряд (това не е цялата история, но е достатъчно добра). Ако имате положително зареден протон, например, има протон на антиматерия (наречен антипротон) със същата маса, но с отрицателен заряд. Има и антиелектрон (наричан още позитрон), който е точно като електрон, но с положителен електрически заряд.
Какво се случва, когато получите позитрон и електрон близо един до друг? Тъй като са с противоположни заряди, те се привличат. Няма нищо, което да държи тези частици една от друга, така че те просто се унищожават една друга - и в процеса те създават енергия. Колко енергия? Е, вероятно сте виждали известното уравнение E = mcдве . Това може да ви каже колко енергия ще ви е необходима за дадено количество маса (m). И познай какво? В този случай е много. Ако имате само 1 кг материя и 1 кг антиматерия, това ще създаде 1,8 x 1019Джаули. Това е близо до количеството енергия, използвано в цяла САЩ за една година.
Всичко казано – и ми е неприятно да спукам балона ви – антиматерията няма да бъде източник на енергия. Защо не? Е, за да използвате това като източник на енергия, трябва имат антиматерия. Оказва се, че нашата вселена има много повече материя, отколкото антиматерия (поне доколкото знаем). Така че не можете наистина да използвате антиматерия, за да произвеждате енергия, освен ако не намерите куп от нея или не я създадете сами, но е необходима много енергия, за да направите антиматерия. И така, виждате проблема.
Добре, това е. Надявам се отговорите да са ви харесали. Със сигурност ми беше приятно да им отговарям.
Следното е откъс от книгата на Allain, Geek Physics :
Geek Physics: Изненадващи отговори на най-интересните въпроси на планетата (Wiley Pop Culture and History Series)
КупуваСКАЧАНЕ ОТ СГРАДА С ПАКЕТ НА МЕХУРИ
Колко фолио с мехурчета ви трябва, за да оцелеете, скачайки от шестия етаж на сграда? Нека грубо да кажа, че ще бъде височина от 20 метра. Откъде бихте започнали с въпрос като този? Е, първо имаме нужда от мехурче. Какви свойства мога дори да измеря от мехурчеста опаковка? Първо, мога да измеря дебелината на лист мехурче. Да, има различни видове мехурчета, но аз използвам моя (трябва да започнете отнякъде). Вместо просто да измервам дебелината на един лист, нека направя диаграма на общата дебелина, докато подреждам няколко листа.
Измервах стека всеки път, когато добавях слой и начертах графика с височина от едната страна и броя на листовете от другата. Наклонът на това линейно уравнение за напасване е 0,432 cm/лист и това ще бъде добра оценка за дебелината на един лист.
След това трябва да видя колко „еластично“ се държи мехурчето. Като пролет ли е? Ако е така, колко е твърд? Ако беше истинска пружина, просто щях да добавя малко тежест към нея и да видя колко се компресира. Нека направя точно това. Ако начертаете това, то изглежда доста линейно - пропорционално по-голяма сила води до пропорционално по-голяма компресия. Така че трябва да кажа, че мехурчето наистина се държи като пружина. Мога да моделирам силата, която мехурчето притиска върху други неща (като човек), сякаш е пружина. Силата ще бъде пропорционална на степента на компресиране на мехурчето.
От тези данни открих ефективна пружинна константа за балонна опаковка с такъв размер. Но какво да кажем за другите размери? Да предположим, че имам два листа фолио с балончета, подредени един върху друг, вместо само един. Ако отгоре се постави маса, всеки лист ще бъде компресиран в същата степен, както само един лист, тъй като и двата имат еднаква сила, натискаща надолу. Но компресирането на два листа дава общо по-голямо компресиране от един.
Какво ще стане, ако сравня малък единичен лист и по-голям лист мехурче? Това би било като два листа мехурчеста опаковка един до друг. Когато масата е поставена отгоре, и двете избутват масата, така че всеки да има само половината от силата, която я компресира. Така че два листа един до друг не биха се компресирали толкова, колкото един лист.
Накратко, колкото по-голяма е площта на фолиото с мехурчета, толкова повече фолиото с мехурчета действа като по-твърда (по-висока константа на пружината) пружина. Колкото по-дебел е купчината балонна обвивка, толкова по-малка е ефективната пружинна константа. Свойството на материал, което показва неговата твърдост, независимо от действителните размери на този материал, се нарича модул на Юнг. Тъй като знам размера на моя лист, получавам модул на Юнг от 4319 N/m2 за тази конкретна мехурчеста опаковка. Какво ще кажете за частта със скачането? Опасно е не скачането, а приземяването. Най-добрият начин да оцените безопасността на кацане е да погледнете ускорението. За щастие, не е необходимо да събирам експериментални данни за максималното ускорение, което може да поеме едно тяло, НАСА вече направи това. Ето какво по същество измислиха (от страницата на Wikipedia за g-толерантност):
От това можете да видите, че едно нормално тяло може да издържи на най-големите ускорения в позиция „очните ябълки в“. Това е ориентацията, така че ускорението да „бута“ очните ябълки в главата. В случай на скок това означава приземяване по гръб.
Има лек проблем. Ако джъмперът е обвит в балонна основа, ускорението по време на сблъсъка със земята няма да бъде постоянно. Ето диаграма, показваща човек, покрит с мехурче, докато се удря в земята:
И така, има две основни сили върху джъмпера през това време: силата от мехурчето (което е като пружина) и гравитационната сила. За да може джъмперът да спре, ускорението трябва да е в посока нагоре и силата на мехурчето трябва да е по-голяма от гравитационната сила.
Ускорението зависи от стойността на константата на пружината, както и от разстоянието, на което е компресирана пружината. Не знам нито една от тези стойности. Въпреки това, ако използвам принципа работа-енергия, тогава мога да гледам цялото падане. И в началото, и в края на това падане кинетичната енергия е нула. Потенциалната енергия на гравитацията ще намалее по време на падането, а потенциалната енергия на пружината (в мехурчето) ще се увеличи по време на удара. Тъй като няма друга работа по системата, мога да създам връзка между височината на скока и необходимата константа на пружината (за приемливото ускорение).
За да получа стойност за k, имам нужда от други стойности. Ето моите предположения:
• Масата на джъмпера плюс мехурче е 70 кг. Тук предполагам, че масата на мехурчето е малка в сравнение с джъмпера.
• Максимално ускорение от 300 m/s2 и удар, който продължава по-малко от една секунда.
• Начална височина 20 метра.
С това имам нужда от мехурчеста пружинна константа от 1,7 x 104 n/m, за да имам ускорение по време на кацане, което няма да надвишава препоръките на НАСА за g-толеранс.
Сега, когато знам константата на пружината, необходима за спиране на джъмпера, съм една крачка по-близо до определянето на това колко слоя мехурчеста обвивка ще са необходими. Има едно нещо, което първо трябва да преценя: площта на контакт между земята и мехурчето. Знам, че тази област всъщност трябва да се промени по време на сблъсъка, така че просто ще го преценя. Да предположим, че контактът прави квадрат със страна около 0,75 метра. Това ще даде площ от 0,56 m2.
Тъй като знам модула на Йънг за мехурчеста опаковка, мога да изчисля дебелината (която странно съм нарекъл L) да бъде 0,142 метра. Тъй като всеки лист е с дебелина 0,432 сантиметра, ще ми трябват тридесет и девет листа.
Може би тридесет и девет листа изглеждат малко. Нека изчисля масата на тази мехурчеста обвивка и колко голяма ще изглежда. Ако допусна, че мехурчестата обвивка е увита цилиндрично около джъмпера, ще изглежда така:
Когато гледате надолу към човек, този човек изглежда приблизително като цилиндър с радиус 0,3 метра (само предположение). Ако цилиндърът на фолиото с мехурчета се простира на още 0,142 метра, тогава какъв е обемът на фолиото с мехурчета? О, предполагам, че трябва да имам и човек с височина около 1,6 метра (друго предположение). Това ще даде обем на мехурчеста обвивка от 0,53 m3.
Мога да използвам дебелината на фолиото с мехурчета заедно с масовите данни и да намеря плътността на фолиото с мехурчета. С този обем балонна обвивка тя ще има маса от 9 кг. Не е много лошо, но технически това би променило количеството мехурчеста опаковка, необходимо за кацане. Може би просто бих могъл да съм на сигурно място и да добавя няколко слоя, за да компенсирам добавеното тегло на мехурчето. Сега, след като знам размера на този обвит в мехур човек, мога да взема предвид съпротивлението на въздуха при падане. Типичният модел за въздушно съпротивление показва сила, пропорционална както на площта на напречното сечение, така и на квадрата на скоростта на обекта.
Тъй като силата се променя със скоростта, проблемът не е толкова лесен за решаване на хартия. Въпреки това е доста лесно да се изчисли чрез разделяне на проблема на много кратки интервали от време с компютър. Правейки това числено изчисление, получавам следните графики за позицията и вертикалната скорост на падащия обект.
Това показва, че падащият обект, с отчетено съпротивление на въздуха, завършва с малко по-ниска скорост преди удара (17,8 m/s вместо около 20 m/s). Бих могъл да повторя всички изчисления, но няма да го направя. Вместо това можете просто да разгледате тази по-ниска скорост като част от границата на безопасност (въпреки че никога не бих помислил да направя нещо като това „безопасно“).
Какво ще кажете за последващ въпрос (за домашното)? Колко фолио с мехурчета ще ви трябва, за да оцелеете след скок от самолет? Подозирам, че няма да е толкова много повече. Ако добавите няколко слоя към обвивката с мехурчета, ще намалите крайната скорост на този падащ обект.
Наистина ли трябва да използваме балонна опаковка за ситуации, свързани с безопасността на хората? Ясно е, че това би било лоша идея.
от Geek Physics от Rhett Allain. Авторско право © 2015 от Rhett Allain. С разрешение от издателска компания Turner. ВСИЧКИ ПРАВА ЗАПАЗЕНИ.
