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“钢铁侠”飞行背后的物理原理是啥?

  新浪科技讯,北京时间 6 月 21 日消息,美国特效工程师、著名节目《流言终结者》主持人亚当·萨维奇尝试打造了一款真实的钢铁侠战衣,并且真的可以飞行。

  他用钛制作了钢铁侠战衣的各个部件,然后加上 Gravity Industries 公司打造的喷射引擎,使其成为一款可以飞的战衣,战衣上安装了多个小型喷射引擎,提供足以让一个人飞起来的推力。

但普通人能穿着这套战衣飞起来吗?答案是有可能,但仅仅是“有可能”而已。
但普通人能穿着这套战衣飞起来吗?答案是有可能,但仅仅是“有可能”而已。

  理查德·布朗宁成为了这套战衣的“驾驶员”,如在现实世界中见到一位飞翔的“钢铁侠”,这景象简直有如史诗一般。

但这套飞行战衣要如何控制呢?

  但这套飞行战衣要如何控制呢?

  战衣背部装有一个主喷射引擎,同时双臂各有两个较小的喷射引擎,这就意味着,穿戴者只需要改变胳膊位置,就能对战衣进行控制了,甚至不需要调整喷射推力,这个设计还蛮酷的。

  看完了炫酷的战衣飞行,我们想从物理宅的角度来讨论讨论,如何放置胳膊才能做出不同的飞行动作,这可是关乎到你能不能飞起来又快有帅~

  悬停和垂直运动

  刚开始时,穿戴者应将双臂伸出,并保持在一定角度。这样一来,人体大致受到四个力:有向下的引力,还有由背后的喷射引擎提供的向上(稍微带一点角度)的力。此外,双臂的喷射引擎还会提供两个倾斜的力。下图为战衣处于悬停(静止离地)状态时的简化版受力图。

  等一下,在进一步讨论这些力之前,我们先来过一遍一些基本的物理知识。首先是引力,在受力图上标为 mg,其中m为穿戴者的质量,g是引力常数,在地球表面,引力常数约等于每千克 9.8 牛。

  力究竟有什么作用呢?最基本的力与运动关系指出,作用于一个物体的总向量力(合力)与该物体的加速度成正比,也就是说,穿戴者要想悬停在半空中,受到的合力必须是零,若合力方向朝上,穿戴者就会加速向上运动。

  既然要用到合力,先给大家看一下合力的等式:

  而关于这个等式,有几点需要说明。变量上方的箭头代表它们为向量,即带有多个信息的变量,比如说,这些变量既可以表示力的大小,还可以表示力的方向。

  等式中的 mg 为什么是正的、而不是负的呢?这是一个学生常犯的错误。这是因为引力常数的矢量方向本身就是朝下的,这一信息已经包含在这个矢量中了,因此不需要再给它加上一个负号,否则整个等式就乱了套了。

  0 上方的箭头又是怎么回事呢?这其实是零向量,和普通的零并不一样。零向量是指在各个方向上大小都为零的力,即在x轴、y轴和z轴上都为零,零向量非常重要,但大多数入门级教科书都对其避而不谈。

  但如果不改变喷射推力,怎样才能从悬停状态变成加速向上呢?关键就在于双臂的喷射角度。假设穿戴者目前处于悬停状态,那么其y轴上的合力必然为零。这里要注意的是,当我们讨论力的分解时,在各个轴上的分解力都是一维的、并不是向量,因此在悬停状态下,y轴方向上有 4 个力,除了背部的推力和引力之外,还有从双臂喷射推力分解出的垂直方向上的推力。单臂受力图的分解如下图所示。

  任何向量力都可以分解为几个不同的力。我们可以将一个力沿x轴和y轴进行分解(在现实生活中还可以加上z轴),由于x轴和y轴相互垂直,分解出的两个力便构成了一个直角三角形,因此你可以用中学所学的三角函数计算出这两个分力的大小,结果取决于喷射引擎的推力角度。

  这一点很重要。这样一来,你就知道怎样才能加速向上飞行了:需要更多垂直方向上的推力。不需要对喷射引擎本身做任何改变,只需要将双臂更贴近身体就行。这样一来,两侧的力与垂直方向的夹角就会缩小,y轴上的分力就会变大,身体向上的总合力也会随之增加,使你加速向上运动。

  这个动作还会改变x轴上的分力,使之减小,但这没关系,因为两条胳膊在x轴上的分力可以相互抵消,只要双臂同时做这个动作,就没什么问题。

  向前运动

  没人愿意一直悬停在空中。

  假如你是钢铁侠,你肯定也想到处飞来飞去对不对?要想加速向前运动,你需要将装在双手上的喷射引擎朝向后方——只需要一点点就可以了,幅度不用太大,甚至让双臂竖直垂下也可以让你向前飞。下图是钢铁侠侧面的受力图。

  这里要注意的是,图中只有一个向前的分力,由背后的喷射引擎提供。假如双臂的喷射引擎没有指向后方,这个分力就是唯一让你向前加速运动的力,如果没有其它力,穿戴者就会维持这一姿势、不断向前加速。

  一旦达到了你想要的速度,你就可以把胳膊放回悬停时的位置,这样速度就不会继续增加了。匀速运动时并不需要非零合力,只有加速运动时才需要,另外,假如空气阻力很大的话,你受到的力也会稍有变化。

  在加速过程中,你可能不得不调整一下胳膊的姿势。如果你把胳膊向后伸、身体向前倾,就会改变垂直方向上的分力,没关系,只要把胳膊贴近身体,垂直向上的分力就会随之增加,弥补刚才的变化。

  那如果想转圈圈、或者侧着身体飞行呢?朝侧面运动和向上运动一样,只要在该方向上的合力不为零,就可以朝你想要的方向飞去了,如果想停下来,只要在反方向上加一个力,便可顺利减速。

  而如果想做旋转运动,就得考虑一下在扭转方向上的合力,但切勿操之过急,一定要慢慢来。等你掌握了悬停技巧之后,再尝试旋转吧。

  看到这里,有没有觉得好像回到了高中令人眩晕的物理课堂,还是直接等着这套“钢铁侠”的战衣能真正买到的时候,买一套来玩玩好了~

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