See nädal, küsisime sinult esitada popkultuuri füüsika küsimusi. Nüüd on meil mõned vastused tänu uue raamatu autorile Rhett Allainile Geeki füüsika ja WIRED.com kaastööline .
Esiteks lubage mul öelda, et need on kõik suurepärased küsimused. Tõesti, mõnes mõttes on lihtsalt küsimuse esitamine sama lõbus kui sellele vastamine. Aga mis on neil võõrastel päringutel pistmist tõelise teadusega? Minu jaoks on võltsitud asjadele (nt superkangelastele või videomängudele) mõtlemine väga sarnane asjade vaatamisega päris maailmas. Lubage mul pakkuda analoogia.
Kas olete kunagi kaljuronimisega tegelenud, kas päris kaljudel või inimese loodud ronimisseinal? Mõlemas olukorras teeb inimene sarnaseid liigutusi. Kuid mõnele inimesele meeldivad võltsronimisseinad väga, sest see annab neile võimaluse harjutada ja fassaadidele on tavaliselt lihtsam pääseda kui päris mägedele. Sama kehtib ka võltsitud asjade analüüsimise kohta – see on reaalsete nähtuste teadusliku uurimise hea tava.
Nüüd teie küsimuste juurde. Sain just aru, et enamik neist tegeleb superkangelastega. Loodan, et see ei valmista teile pettumust.
@DuaneMieliwocki: Kas Superman saab tõesti lennata? Või kas Maa päikese erinev gravitatsioon võimaldab tal lihtsalt väga kaugele hüpata?
Olen kindel, et Superman on olnud paljude teaduslike arutelude teema. Minu vastus sellele küsimusele ei pruugi olla ainulaadne, kuid see on siiski lõbus. Algselt oli idee, et Superman oli nii tugev, et ta 'suutab kõrge hoone hüppama ühe piiriga'. Kas hüppamine võiks toimida lendamise vormina?
Pidage meeles, et on veel üks superkangelane, kellele meeldib hüpata – Hulk. Siin on a ajaveebi postitus mis vaatleb hüppavat superkangelast (minu raamatus on ka versioon, Geeki füüsika ). Nii Hulki kui ka Supermani hüppamise probleem on see, et see nõuab maapinnal surumist. Kui tavaline inimene hüppab, suruvad jalad jõuga vastu maad ja inimene liigub õhus üles. Selleks, et veelgi suurema kiirusega maapinnast lahti tulistada, tuleks tugevamini suruda. sisse Kättemaksjad filmis hüppab Hulk umbes 120 meetri kõrgusele – selleks oleks vaja umbes 400 000 njuutoni suurust jõudu (pidage meeles, et Hulk mass on suurem kui tavalisel inimesel). Kuid see jõud on piisavalt suur, et see tegelikult hävitaks pinna, millelt Hulk hüppas. Sama kehtiks ka hüppava Supermani kohta. Kui ta rakendas kõrgele hüppamiseks vajalikku jõudu, vajus ta maasse, kust ta hüpata üritas. Mõelge lihtsalt pehmes mudas hüppamisele. See oleks selline.
Kui Superman ei hüppa, siis kuidas ta lendab? Mõned inimesed viitavad sellele, et tal on mingisugune telekineetiline jõud, mis võimaldab tal maapinnast lahti tõugata ilma seda puudutamata. See on aga nagu öelda, et ta lendab võluväel. Ma arvan, et saame paremini hakkama. Pärisobjektidel on paar võimalust lennata. Esiteks on rakett, mis püsib maapinnast eemal, laseb gaase põhjatõukurist välja. Kas see võiks Supermani jaoks töötada? Võib-olla võib ta ühest kehapoolest osakesi välja paisata. See toimiks, välja arvatud see, et ta vajab kas suurt hulka osakesi (mõelge raketi massiivsele kütusele) või peaksid need osakesed liikuma ülikiirelt.
Teist tüüpi lendavad objektid on lennuk, mis püsib maapinnast lahti, rammides õhku ja suunates selle allapoole (jah, see on lendamise väga lihtsustatud seletus). Kuid selleks, et õhku kukkuda, peab objekt liikuma edasi – ja nüüd oleme tagasi sama probleemi juurde: kuidas Superman edasi liigub? Ma lähen välja ja ütlen, et ta laseb osakesed jala alt välja.
@alexziemianski: Miks inimesed, kelle The Flash päästab, äkilisest kiirendusest piitsa ei löö?
Lühike vastus on, et need inimesed tegelikult oleks vigastada saada. Filmis X-Mehed: Tulevase mineviku päevad , Quicksilver (kiiresti jooksva superkangelase Marveli versioon) hoiab kellegi peast kinni, et vältida piitsu löömist, kuid piitsutamine on vaid väike osa probleemist. Tõeline probleem on siseorganite kahjustus.
Kui superkangelased nagu The Flash või Quicksilver kellegi päästavad, peavad nad seda inimest kiirendama. Ja selleks, et kedagi kiirendada, peavad nad teda mingil moel peale suruma. Kui välklamp surub inimese selga, kiirendab see inimese selga. Selg surub seejärel kopsudele ja kopsud suruvad eesmisele rinnale. Kogu see surumine on halb – see võib põhjustada igasuguseid füüsilisi kahjustusi. Inimene võib kiirenduse üle elada kuni 40 g väga lühikeseks ajaks, kuid see on väiksem kui paljude superkangelaste kiirendus.
Niisiis, kuidas nad seda teevad? Kokkuvõttes ma ei tea.
@DuaneMieliwocki: Kuidas suutis biooniline mees tõsta nii palju raskeid asju, ilma et tema selg või vaagen oleks välja kukkunud?
See on suurepärane punkt. See, et Steve Austinil (tema sõbrad kutsuvad teda lihtsalt Steve'iks) on biooniline käsi, ei tähenda see, et ta saaks midagi teha. Kui tema käed tõstaksid rasket massi, peaksid ka tema selg ja jalad seda toetama.
See möödalaskmine ei tekkinud lihtsalt aastal Kuue miljoni dollari mees . Filmis Avengers: Age of Ultron , üritab Tony Stark (raudmehena) tõsta Thori vasarat, kasutades selleks vaid kinnast. Raudmehe ülikond .
Vasakul on jõudiagramm nii haamri kui ka kinda jaoks, kui Tony proovib seda tõsta.
Ükskõik kui kõvasti kinnas haamrit vastu tõmbab, peaks Tony (lihtne inimene) kinda kätte tõmbama. See on tema ülejäänud keha jaoks lihtsalt halb mõte. Aga võib-olla ei kavatsenud Tony kunagi haamrit üles tõsta…
Fahad Uddin Siddiqui: Kui realistlik on unistada antiainest kui usutavast jõuallikast järgmisel sajandil?
Ah ha! Mitte-superkangelase küsimus. Esiteks, mis on antiaine? Lühidalt, antiaine on nagu tavaline aine, kuid vastupidise laenguga (see pole kogu lugu, kuid see on piisavalt hea). Kui teil on näiteks positiivselt laetud prooton, on olemas antiaine prooton (nimetatakse antiprootoniks), millel on sama mass, kuid negatiivne laeng. Samuti on olemas antielektron (nimetatakse ka positroniks), mis on täpselt nagu elektron, kuid positiivse elektrilaenguga.
Mis juhtub, kui positroni ja elektroni lähedusse jõuate? Kuna need on vastandlikud laengud, tõmbavad nad ligi. Miski ei hoia neid osakesi lahus, nii et nad lihtsalt hävitavad üksteist – ja selle käigus loovad nad energiat. Kui palju energiat? Noh, olete ilmselt näinud kuulsat võrrandit E = mckaks . See võib teile öelda, kui palju energiat vajate teatud massi (m) jaoks. Ja arva ära mis? Sel juhul on seda palju. Kui teil oleks ainult 1 kg ainet ja 1 kg antiainet, tekiks see 1,8 x 1019Džaulides. See on ligilähedane kogu USA-s ühe aasta jooksul kulutatud energiahulgale.
See kõik ütles – ja ma vihkan teie mulli lõhkemist –, et antiaine ei ole energiaallikas. Miks mitte? Noh, selle energiaallikana kasutamiseks peate on antiaine. Selgub, et meie universumis on palju rohkem ainet kui antiainet (vähemalt meie teada). Seega ei saa te tegelikult kasutada antiainet energia tootmiseks, kui te ei leia seda hunnikut või loote seda ise, kuid antiaine valmistamiseks kulub palju energiat. Niisiis, näete probleemi.
Ok, see on kõik. Loodan, et teile meeldisid vastused. Mulle meeldis neile kindlasti vastata.
Alljärgnev on väljavõte Allaini raamatust, Geeki füüsika :
Geek Physics: üllatavad vastused planeedi kõige huvitavamatele küsimustele (Wiley popkultuuri ja ajaloo sari)
OstaHOONELT VÄLJAHÜPPEMINE MULLIKHIMEGA
Kui palju mullikilet on vaja, et hoone kuuendalt korruselt välja hüpates ellu jääda? Lubage mul umbkaudu öelda, et see oleks 20 meetri kõrgune. Kust sa sellist küsimust alustaksid? Noh, kõigepealt vajame mullikilet. Milliseid omadusi saan isegi mullikilest mõõta? Esiteks saan mõõta mullikile lehe paksuse. Jah, mullikile on erinevaid, aga ma kasutan enda oma (peate kuskilt alustama). Selle asemel, et mõõta lihtsalt ühe lehe paksust, lubage mul koostada mitme lehe virnastamise ajal kogupaksuse graafik.
Mõõtsin virna iga kord, kui lisasin kihi ja joonistasin graafiku, mille ühele küljele oli kõrgus ja teisele lehtede arv. Selle lineaarse sobitusvõrrandi kalle on 0,432 cm lehe kohta ja see on hea hinnang ühe lehe paksusele.
Järgmiseks pean nägema, kui 'vedrukalt' mullikile käitub. Kas see on nagu kevad? Kui jah, siis kui jäik see on? Kui see oleks tõeline vedru, lisaksin sellele kaalu ja vaataksin, kui palju see kokku surub. Las ma teen täpselt seda. Kui seda joonistada, näeb see välja üsna lineaarne – proportsionaalselt suurem jõud põhjustab proportsionaalselt suurema kokkusurumise. Seega pean ütlema, et mullikile käitub nagu vedru. Ma võin modelleerida jõudu, mida mullikile surub teistele asjadele (näiteks inimesele), nagu oleks see vedru. Jõud oleks võrdeline mullikile kokkusurutava kogusega.
Nende andmete põhjal olen leidnud sellise suurusega mullikile efektiivse vedrukonstandi. Aga kuidas on lood teiste suurustega? Oletame, et mul on kaks lehte mullikilet üksteise peale virnastatud ühe asemel. Kui peale asetada mass, surutakse iga leht sama palju kokku kui üks leht, kuna mõlemal on alla surumisel sama jõud. Kuid kahe lehe kokkusurumine annab üldiselt suurema tihenduse kui üks.
Mis siis, kui ma võrdlen väikest üksikut lehte ja suuremat mullikilet? See oleks nagu kaks mullikilet kõrvuti. Kui mass on peale asetatud, suruvad nad mõlemad massi peale, nii et kumbki surub seda kokku ainult poole jõust. Seega ei suruks kaks lehte kõrvuti nii palju kokku kui üks leht.
Lühidalt, mida suurem on mullikile pindala, seda rohkem toimib mullikile jäigema (kõrgema vedrukonstandiga) vedruna. Mida paksem on mullikile virn, seda väiksem on efektiivne vedrukonstant. Materjali omadust, mis näitab selle jäikust, sõltumata selle materjali tegelikest mõõtmetest, nimetatakse Youngi mooduliks. Kuna ma tean oma lehe suurust, saan selle mullikile Youngi mooduliks 4319 N/m2. Aga hüppamise osa? Ohtlik pole mitte hüppamine, vaid maandumine. Parim viis maandumise ohutuse hindamiseks on kiirenduse vaatamine. Õnneks ei pea ma koguma eksperimentaalseid andmeid keha maksimaalse kiirenduse kohta, NASA tegi seda juba. Siin on sisuliselt see, mille nad välja mõtlesid (Wikipedia lehelt g-tolerantsi kohta):
Sellest on näha, et tavaline keha talub suurimaid kiirendusi asendis 'silmamunad'. See on selline orientatsioon, et kiirendus 'suruks' silmamunad pähe. Hüppamise puhul tähendab see selili maandumist.
Tekib väike probleem. Kui hüppaja on mässitud mullilõimega, ei oleks kiirendus maapinnaga kokkupõrke ajal konstantne. Siin on diagramm, mis näitab mullikilega kaetud inimest, kes põrkub maapinnale:
Seega on selle aja jooksul hüppajale kaks peamist jõudu: mullikilest tulenev jõud (mis on nagu vedru) ja gravitatsioonijõud. Selleks, et hüppaja seiskuks, peab kiirendus olema ülespoole ja mullikile jõud peab olema suurem kui gravitatsioonijõud.
Kiirendus sõltub nii vedrukonstandi väärtusest kui ka vedru kokkusurumise kaugusest. Ma ei tea kumbagi väärtust. Kui aga kasutada töö-energia põhimõtet, siis saan vaadata kogu sügist. Nii selle sügise alguses kui ka lõpus on kineetiline energia null. Gravitatsiooni potentsiaalne energia langeb sügisel ja vedru potentsiaalne energia (mullikiles) suureneb kokkupõrke ajal. Kuna süsteemiga muud tööd ei tehta, saan luua seose hüppe kõrguse ja vajaliku vedrukonstandi vahel (vastuvõetava kiirenduse jaoks).
K väärtuse saamiseks on vaja muid väärtusi. Siin on minu oletused:
• Džempri mass pluss mullikile on 70 kg. Siinkohal eeldan, et mullikile mass on hüppajaga võrreldes väike.
• Maksimaalne kiirendus 300 m/s2 ja ka kokkupõrge, mis kestab alla ühe sekundi.
• Algkõrgus 20 meetrit.
Sellega seoses vajan mullikile vedrukonstanti 1,7 x 104 n/m, et maandumisel oleks kiirendus, mis ei ületaks NASA soovitusi g-tolerantsi kohta.
Nüüd, kui ma tean hüppaja peatamiseks vajalikku vedrukonstandit, olen ühe sammu lähemal sellele, mitu kihti mullikilet oleks vaja. Kõigepealt pean hindama ühte asja: maapinna ja mullikile kokkupuuteala. Ma tean, et see piirkond peaks kokkupõrke ajal tegelikult muutuma, nii et ma hakkan seda lihtsalt hindama. Oletame, et kontakt moodustab ruudu, mille külg on umbes 0,75 meetrit. See annaks pinda 0,56 m2.
Kuna ma tean Youngi mullikile moodulit, saan arvutada paksuseks (mida olen kummalisel kombel L-ks nimetanud) 0,142 meetrit. Kuna iga lehe paksus on 0,432 sentimeetrit, oleks mul vaja kolmkümmend üheksa lehte.
Võib-olla tundub, et kolmkümmend üheksa lehte on vähe. Las ma arvutan välja selle mullikile massi ja selle, kui suur see välja näeb. Kui ma eeldan, et mullikile on mähitud silindriliselt ümber hüppaja, näeks see välja umbes selline:
Inimesele alla vaadates paistab see inimene ligikaudu 0,3-meetrise raadiusega silindrina (ainult oletus). Kui mullikile silinder ulatub veel 0,142 meetrit, siis kui suur on mullikile ruumala? Oh, mul on vist vaja ka umbes 1,6 meetri pikkust inimest (veel üks oletus). See annaks mullikile mahuks 0,53 m3.
Ma saan kasutada mullikile paksust koos massiandmetega ja leida mullikile tiheduse. Sellise mahuga mullikilega oleks selle mass 9 kg. Pole väga halb, kuid tehniliselt muudaks see maandumiseks vajaliku mullikile kogust. Võib-olla võiksin olla ohutuse poolel ja lisada paar kihti, et kompenseerida mullikile lisaraskust. Nüüd, kui ma tean selle mulliga mähitud inimese suurust, võin kaaluda õhutakistust kukkumisel. Õhutakistuse tüüpiline mudel näitab jõudu, mis on võrdeline nii objekti ristlõikepinna kui ka kiiruse ruuduga.
Kuna jõud muutub koos kiirusega, pole probleemi paberil nii lihtne lahendada. Siiski on üsna lihtne arvutada, jagades probleemi arvutiga paljudeks lühikesteks ajavahemikeks. Seda arvulist arvutust tehes saan järgmised graafikud langeva objekti asukoha ja vertikaalkiiruse kohta.
See näitab, et langev objekt, võttes arvesse õhutakistust, jõuab enne kokkupõrget veidi väiksema kiirusega (umbes 20 m/s asemel 17,8 m/s). Ma võiksin kõik arvutused uuesti teha, aga ma ei tee seda. Selle asemel võiksite lihtsalt kaaluda seda ohutusvaru madalamat kiirust (kuigi ma ei kaaluks kunagi midagi sellist 'ohutuks').
Kuidas on lood järelküsimusega (kodutöö jaoks)? Kui palju mullikilet oleks vaja, et lennukist väljahüpe üle elada? Ma kahtlustan, et see poleks palju rohkem. Kui lisate mullikilele mõned kihid, vähendate selle langeva objekti lõppkiirust.
Kas me peaksime siiski inimeste ohutuse tagamiseks kasutama mullikilet? On selge, et see oleks halb mõte.
Alates Geeki füüsika autor Rhett Allain. Autoriõigus © 2015 Rhett Allain. Turner Publishing Company loal. KÕIK ÕIGUSED KAITSTUD.
