A probléma Supermannel és más fizikai rejtvények

A probléma Supermannel és más fizikai rejtvények

Ezen a héten, kérdeztük öntől popkultúra-fizikai kérdéseket benyújtani. Most kaptunk néhány választ Rhett Allainnek, az új könyv szerzőjének köszönhetően Geek fizika és egy WIRED.com hozzájáruló .

Először is hadd mondjam el, hogy ezek mind nagyszerű kérdések. Valójában csak a kérdés feltevése ugyanolyan szórakoztató, mint megválaszolni. De mi közük van ezeknek a különös kérdéseknek a valódi tudományhoz? Számomra a hamis dolgokról (például szuperhősökről vagy videojátékokról) való gondolkodás nagyon hasonlít ahhoz, mintha a való világban néznénk a dolgokat. Hadd mondjak egy analógiát.



Volt már valaha sziklamászás, akár valódi sziklákon, akár ember alkotta mászófalon? Mindkét helyzetben az ember hasonló mozgásokon megy keresztül. De vannak, akik nagyon szeretik a hamis mászófalakat, mert lehetőséget adnak a gyakorlásra, és a homlokzatok általában könnyebben megközelíthetők, mint az igazi hegyek. Ugyanez igaz a hamis dolgok elemzésére is – ez a valós jelenségek tudományos vizsgálatának jó gyakorlata.

Most pedig térjünk rá a kérdéseidre. Most jöttem rá, hogy a legtöbbjük szuperhősökkel foglalkozik. Remélem ez nem okoz csalódást.

@DuaneMieliwocki : Superman tényleg tud repülni? Vagy a Föld Napjának eltérő gravitációja csak lehetővé teszi, hogy igazán messzire ugorjon?

Biztos vagyok benne, hogy Superman számos tudományos vita tárgya volt. A kérdésre adott válaszom talán nem egyedi, de még mindig szórakoztató. Eredetileg az volt az elképzelés, hogy Superman olyan erős, hogy „egyetlen sávban képes felugrani egy magas épületet”. Működhet-e az ugrás a repülés egyik formája?

Ne feledje, hogy van egy másik szuperhős, aki szeret ugrálni: a Hulk. Itt van a blog bejegyzés amely egy ugró szuperhőst néz (a könyvemben is van egy verzió, Geek fizika ). Mind a Hulk, mind a Superman ugrásával az a probléma, hogy a földön kell nyomni. Amikor egy normális ember ugrik, a lába erővel nyomja a talajt, és az ember felfelé halad a levegőben. Ahhoz, hogy még nagyobb sebességgel lőjön le a talajról, erősebben kell nyomnia. Ban ben A bosszúállók filmben a Hulk körülbelül 120 méter magasra ugrik – amihez körülbelül 400 000 Newton erőre lenne szükség (ne felejtsük el, hogy Hulk tömege nagyobb, mint egy normál emberé). De ez az erő elég nagy ahhoz, hogy elpusztítsa azt a felszínt, amelyről a Hulk leugrott. Ugyanez igaz lenne egy ugró Supermanre is. Amikor a nagy magasságba ugráshoz szükséges erőt kifejtette, abba a talajba süllyedt, ahonnan megpróbált ugrani. Gondolj csak a puha sárban való ugrásra. Ez ilyen lenne.

Ha Superman nem ugrik, akkor hogyan repül? Vannak, akik azt sugallják, hogy van valamiféle telekinetikus ereje, amely lehetővé teszi számára, hogy anélkül lökje el a talajt, hogy megérintené. Ez azonban olyan, mintha azt mondanánk, hogy varázsütésre repül. Szerintem ennél jobbat is csinálhatunk. A valódi tárgyak repülésének néhány módja van. Először is van egy rakéta, amely úgy marad el a talajtól, hogy gázokat lövell ki az alsó tolóerőből. Működhet ez Supermannél? Talán részecskéket bocsáthat ki a teste egyik oldaláról. Ez működne, kivéve, hogy vagy nagy mennyiségű részecskére lenne szüksége (gondoljunk csak egy rakéta masszív üzemanyagára), vagy ezeknek a részecskéknek szupersebességgel kell haladniuk.

A másik típusú repülő tárgy egy repülőgép, amely a levegőbe döngölve és lefelé terelve marad el a talajtól (igen, ez a repülés nagyon leegyszerűsített magyarázata). De ahhoz, hogy a levegőbe zuhanjon, az objektumnak előre kell haladnia – és most visszatérünk ugyanahhoz a problémához: hogyan halad előre Superman? Kimegyek egy végtagból, és azt mondom, hogy részecskéket lövell ki a lába aljából.

@alexziemianski: Miért nem kapnak ostorcsapást azok, akiket a Flash megment a hirtelen gyorsulástól?

A rövid válasz az, hogy ezek az emberek valójában lenne megsérül. A filmben X-Men: Az eljövendő múlt napjai , A Quicksilver (egy gyorsan futó szuperhős Marvel-változata) valakinek a fejéhez kapaszkodik, hogy megakadályozza az ostorcsapást, de az ostorcsapás csak egy kis része a problémának. Az igazi probléma a belső szervek károsodása.

Amikor olyan szuperhősök, mint a The Flash vagy a Quicksilver megmentenek valakit, fel kell gyorsítaniuk az illetőt. És ahhoz, hogy valakit felgyorsítsanak, valamilyen módon rá kell nyomniuk. Ha a vaku rányomja az ember hátát, az felgyorsítja az ember hátát. Ezután a hátsó a tüdőt nyomja, a tüdő pedig az elülső mellkast. Ez az egész lökdösődés rossz – mindenféle fizikai sérülést okozhat. Az ember képes lehet túlélni akár a gyorsulást is 40 g nagyon rövid ideig, de ez kevesebb, mint sok szuperhős gyorsulása.

Szóval, hogyan csinálják? Összegezve, nem tudom.

@DuaneMieliwocki: Hogyan tudott a Bionic Man ennyi nehéz dolgot felemelni anélkül, hogy a gerince vagy a medencéje kihajolna?

Ez egy nagyszerű pont. Csak azért, mert Steve Austinnak (a barátai csak Steve-nek hívják) bionikus karja van, ez nem jelenti azt, hogy bármit is tehet. Ha a karjai felemelnek egy nehéz tömeget, akkor a hátának és a lábának is meg kell tartania azt.

Ez a tévedés nem csak akkor történt A hatmillió dolláros ember . A filmben Bosszúállók: Ultron Kora , Tony Stark (vasemberként) megkísérli felemelni Thor kalapácsát a kesztyű segítségével. Iron Man öltöny .

A bal oldalon a kalapács és a kesztyű erődiagramja látható, miközben Tony megpróbálja felemelni.

Nem számít, milyen erősen húzza a kesztyű a kalapácsot, Tonynak (a puszta embernek) fel kell húznia a kesztyűt. Ez csak egy rossz ötlet a teste többi része számára. De talán Tonynak soha nem állt szándékában igazán felemelni a kalapácsot…

Fahad Uddin Siddiqui: Mennyire reális az antianyagról, mint elfogadható energiaforrásról álmodozni a következő évszázadban?

Ah ha! Nem szuperhős kérdés. Először is, mi az antianyag? Röviden, az antianyag olyan, mint a normál anyag, de ellentétes töltéssel (ez nem a teljes történet, de elég jó). Ha például pozitív töltésű protonunk van, akkor van egy antianyag proton (az úgynevezett antiproton), amelynek tömege azonos, de negatív töltésű. Létezik egy anti-elektron is (más néven pozitron), amely olyan, mint egy elektron, de pozitív elektromos töltéssel.

Mi történik, ha egy pozitron és egy elektron közel kerül egymáshoz? Mivel ellentétes töltések, vonzzák őket. Semmi sem tartja el egymástól ezeket a részecskéket, így csak megsemmisítik egymást – és közben energiát hoznak létre. Mennyi energia? Nos, valószínűleg láttad a híres egyenletet E = mckét . Ez megmondhatja, hogy mennyi energiára van szüksége egy adott tömeg (m) mennyiségéhez. És képzeld csak? Ebben az esetben ez sok. Ha csak 1 kg anyaga és 1 kg antianyaga lenne, akkor 1,8 x 1019Joule. Ez megközelíti az Egyesült Államokban egy év alatt felhasznált energia mennyiségét.

Mindez azt mondta – és utálom felrobbantani a buborékot –, hogy az antianyag nem lesz energiaforrás. Miért ne? Nos, ahhoz, hogy ezt energiaforrásként használhassa, muszáj van antianyag. Kiderült, hogy az univerzumunkban sokkal több az anyag, mint az antianyag (legalábbis amennyire tudjuk). Tehát nem igazán használhatod az antianyagot energia előállítására, hacsak nem találsz belőle egy csomót, vagy nem hozod létre magad – de az antianyag előállításához sok energia kell. Szóval látod a problémát.

Oké, ez az. Remélem tetszettek a válaszok. Biztosan szívesen válaszoltam rájuk.


A következő egy részlet Allain könyvéből, Geek fizika :

Geek Physics: Meglepő válaszok a bolygó legérdekesebb kérdéseire (Wiley popkultúra és történelem sorozat)

megvesz

LEUGRÁS AZ ÉPÜLETRŐL BUBORÉKPAKOLÁSSAL

Mennyi buborékfóliára van szükség ahhoz, hogy túlélje, ha kiugrik egy épület hatodik emeletéről? Nagyjából 20 méter magas lenne. Hol kezdenél egy ilyen kérdéssel? Nos, először szükségünk van egy buborékfóliára. Milyen tulajdonságokat mérhetek még a buborékfóliáról? Először is meg tudom mérni egy buborékfólia vastagságát. Igen, mindenféle buborékfólia létezik, de én az enyémet használom (valahol el kell kezdeni). Ahelyett, hogy csak egy lap vastagságát mérném, hadd készítsek egy diagramot a teljes vastagságról, miközben több lapot egymásra rakok.

Minden alkalommal megmértem a köteget, amikor hozzáadtam egy réteget, és ábrázoltam egy grafikont, amelynek egyik oldalán a magasság, a másik oldalon a lapok száma látható. Ennek a lineáris illesztési egyenletnek a lejtése 0,432 cm/lap, és ez jó becslés lesz egy lap vastagságára.

Ezután meg kell néznem, hogy a buborékfólia mennyire „rugósan” viselkedik. Olyan, mint egy tavasz? Ha igen, mennyire merev? Ha valódi rugó lenne, csak hozzáadnék egy kis súlyt, és megnézném, mennyire összenyomódik. Hadd tegyem pontosan ezt. Ha ezt ábrázolja, akkor meglehetősen lineárisnak tűnik – arányosan nagyobb erő arányosan nagyobb tömörítéshez vezet. Tehát azt kell mondanom, hogy a buborékfólia rugóként viselkedik. Le tudom modellezni azt az erőt, amelyet a buborékfólia más dolgokra (például egy emberre) nyom, mintha egy rugó lenne. Az erő arányos a buborékfólia összenyomásának mértékével.

Ebből az adatból találtam egy hatékony rugóállandót ekkora buborékfóliához. De mi a helyzet a többi mérettel? Tegyük fel, hogy két buborékfólia-lap van egymásra rakva, nem csak egy. Ha egy masszát helyezünk a tetejére, akkor minden lap ugyanannyira lesz összenyomva, mint csak egy lap, mivel mindkettőnek ugyanolyan nyomóereje van. De két lap tömörítése összességében nagyobb tömörítést eredményez, mint egy.

Mi van, ha összehasonlítok egy kis lapot és egy nagyobb buborékfóliát? Ez olyan lenne, mint két buborékfólialap egymás mellett. Amikor egy masszát helyeznek a tetejére, mindketten felnyomják a masszát úgy, hogy mindegyiknek csak a fele lesz az összenyomó erő. Tehát két egymás melletti lap nem sűríti össze annyira, mint egyetlen lap.

Röviden: minél nagyobb a buborékfólia területe, a buborékfólia annál inkább úgy működik, mint egy merevebb (nagyobb rugóállandójú) rugó. Minél vastagabb a buborékfólia köteg, annál kisebb az effektív rugóállandó. Egy anyagnak azt a tulajdonságát, amely a merevségét mutatja, függetlenül az anyag tényleges méreteitől, Young-modulusnak nevezzük. Mivel ismerem a lapom méretét, 4319 N/m2 Young modulust kapok ehhez a buborékfóliához. Mi a helyzet az ugráló résszel? Nem az ugrás a veszélyes, hanem a leszállás. A leszállás biztonságának becslésének legjobb módja a gyorsulás vizsgálata. Szerencsére nem kell kísérleti adatokat gyűjtenem egy test által elviselhető maximális gyorsulásról, ezt már a NASA is megtette. Lényegében a következőket találták ki (a Wikipédia g-tolerancia oldaláról):

Ebből látható, hogy egy normál test a „szemgolyó be” helyzetben bírja a legnagyobb gyorsulásokat. Ez az a tájolás, hogy a gyorsulás a szemgolyókat a fejbe „tolja”. Ugrás esetén ez a háton való landolást jelenti.

Van egy kis probléma. Ha egy jumpert buborékláncba tekert, a talajjal való ütközés során a gyorsulás nem lenne állandó. Íme egy diagram, amely egy buborékfóliával borított személyt mutat be, miközben a talajba ütközik:

Tehát ez idő alatt két fő erő hat a jumperre: a buborékfóliából származó erő (amely olyan, mint egy rugó) és a gravitációs erő. Ahhoz, hogy a jumper megálljon, a gyorsulásnak felfelé kell lennie, és a buborékfóliás erőnek nagyobbnak kell lennie, mint a gravitációs erő.

A gyorsulás a rugóállandó értékétől, valamint a rugó összenyomásának távolságától függ. Nem ismerem egyik értéket sem. Viszont ha a munka-energia elvet használom, akkor az egész őszt nézhetem. Az idei ősz elején és végén a mozgási energia nulla. A gravitációs potenciálenergia csökken az esés során, és a rugó potenciálenergia (a buborékfóliában) nő az ütközés során. Mivel más munka nincs a rendszeren, összefüggést tudok teremteni az ugrás magassága és a szükséges rugóállandó között (az elfogadható gyorsuláshoz).

Ahhoz, hogy k értéket kapjak, más értékekre van szükségem. Íme az én feltételezéseim:

• A jumper és a buborékfólia tömege 70 kg. Itt azt feltételezem, hogy a buborékfólia tömege kicsi a jumperhez képest.

• Maximális 300 m/s2 gyorsulás és egy másodpercnél rövidebb ütközés.

• Kiindulási magasság 20 méter.

Ehhez szükségem van egy 1,7 x 104 n/m-es buborékfóliás rugóállandóra, hogy a leszállás során olyan gyorsulást érjek el, amely nem haladja meg a NASA g-toleranciára vonatkozó ajánlásait.

Most, hogy ismerem a jumper leállításához szükséges rugóállandót, egy lépéssel közelebb kerültem ahhoz, hogy meghatározzam, hány réteg buborékfóliára van szükség. Először egy dolgot kell megbecsülnem: a talaj és a buborékfólia érintkezési területét. Tudom, hogy ennek a területnek meg kellene változnia az ütközés során, ezért csak becsülni fogom. Tegyük fel, hogy az érintkező egy körülbelül 0,75 méteres négyzetet alkot az oldalon. Ez 0,56 m2 területet adna.

Mivel ismerem Young buborékfólia modulusát, ki tudom számítani a vastagságot (amit furcsa módon L-nek neveztem) 0,142 méterre. Mivel mindegyik lap 0,432 centiméter vastag, harminckilenc lapra lenne szükségem.

Talán a harminckilenc lap kevésnek tűnik. Hadd számítsam ki ennek a buborékfóliának a tömegét és azt, hogy mekkora lenne. Ha feltételezem, hogy a buborékfólia hengeresen van körbetekerve a jumper körül, akkor valahogy így nézne ki:

Ha lenézünk egy személyre, az a személy nagyjából 0,3 méter sugarú hengernek tűnik (csak sejtés). Ha a buborékfólia henger további 0,142 méterrel nyúlik ki, akkor mekkora a buborékfólia térfogata? Ó, azt hiszem, nekem is kell egy körülbelül 1,6 méter magas ember (másik tipp). Ez 0,53 m3 buborékfóliát adna.

Használhatom a buborékfólia vastagságát a tömegadatokkal együtt, és megállapíthatom a buborékfólia sűrűségét. Ezzel a térfogatú buborékfóliával a tömege 9 kg lenne. Nem túl rossz, de technikailag ez megváltoztatná a leszálláshoz szükséges buborékfólia mennyiségét. Talán a biztonság kedvéért tehetek néhány réteget, hogy kompenzáljam a buborékfólia súlyát. Most, hogy ismerem ennek a buborékfóliás embernek a méretét, figyelembe tudom venni a légellenállást az eséskor. A légellenállás tipikus modellje mind a keresztmetszettel, mind a sebesség négyzetével arányos erőt mutat.

Mivel az erő a sebességgel változik, a problémát papíron nem olyan egyszerű megoldani. Azonban meglehetősen egyszerű kiszámítani, ha a problémát számítógéppel sok rövid időintervallumra bontja. Ezzel a numerikus számítással a következő diagramokat kapom a zuhanó tárgy helyzetére és függőleges sebességére.

Ez azt mutatja, hogy a zuhanó tárgy a légellenállással együtt valamivel kisebb sebességgel ér véget az ütközés előtt (17,8 m/s a kb. 20 m/s helyett). Minden számítást újra elvégezhetnék, de nem teszem. Ehelyett megfontolhatná a biztonsági tartaléknak ezt az alacsonyabb sebességű részét (bár soha nem gondolnám, hogy ilyesmit „biztonságosnak” tegyek).

Mi a helyzet egy további kérdéssel (a házi feladathoz)? Mennyi buborékfóliára van szüksége ahhoz, hogy túlélje a repülőgépből való kiugrást? Gyanítom, hogy nem lenne több. Ha hozzáad néhány réteget a buborékfóliához, csökkenti a leeső tárgy végsebességét.

De tényleg használjunk buborékfóliát az emberi biztonsági helyzetekben? Nyilvánvaló, hogy ez rossz ötlet lenne.


Tól től Geek fizika írta: Rhett Allain. Copyright © 2015, Rhett Allain. A Turner Publishing Company engedélyével. MINDEN JOG FENNTARTVA.