Problemet med Superman og andre fysik-konundrums

Problemet med Superman og andre fysik-konundrums

Denne uge, spurgte vi dig at indsende popkulturfysikspørgsmål. Nu har vi fået nogle svar, takket være Rhett Allain, forfatter til den nye bog Nørd fysik og en WIRED.com bidragyder .

Først vil jeg sige, at det alle er store spørgsmål. På en eller anden måde er det lige så sjovt at stille spørgsmålet som at besvare det. Men hvad har disse besynderlige forespørgsler med ægte videnskab at gøre? For mig ligner det at tænke på falske ting (som superhelte eller videospil) meget det at se på ting i den virkelige verden. Lad mig komme med en analogi.



Har du nogensinde klatret, enten på rigtige klipper eller på en menneskeskabt klatrevæg? I begge situationer gennemgår et menneske lignende bevægelser. Men nogle mennesker kan virkelig godt lide de falske klatrevægge, fordi det giver dem en chance for at øve sig, og facaderne er normalt nemmere at komme til end rigtige bjerge. Det samme gælder for at analysere falske ting - det er god praksis for videnskabelig undersøgelse af virkelige fænomener.

Nu til dine spørgsmål. Jeg indså lige, at de fleste af dem beskæftiger sig med superhelte. Jeg håber ikke det skuffer dig.

@DuaneMieliwocki: Kan Superman virkelig flyve? Eller tillader Jordens forskellige tyngdekraft ham bare at springe rigtig langt?

Jeg er sikker på, at Superman har været emnet for mange videnskabelige diskussioner. Mit svar på dette spørgsmål er måske ikke unikt, men det er stadig sjovt. Oprindeligt var tanken, at Superman var så stærk, at han var 'i stand til at springe en høj bygning i en enkelt grænse.' Kunne spring fungere som en form for flyvning?

Husk, at der er en anden superhelt, der kan lide at hoppe - Hulken. Her er en blogindlæg der ser på en hoppende superhelt (der er også en version i min bog, Nørd fysik ). Problemet med både Hulk- og Superman-spring er, at det kræver, at man skubber på jorden. Når et normalt menneske hopper, skubber fødderne mod jorden med en kraft, og mennesket bevæger sig op i luften. For at skyde fra jorden med en endnu højere hastighed, skal du skubbe hårdere. I The Avengers film, hopper Hulken omkring 120 meter højt - hvilket ville kræve en kraft på omkring 400.000 Newtons (husk at Hulken har en større masse end et normalt menneske). Men denne kraft er stor nok til, at den faktisk ville ødelægge overfladen, som Hulken sprang fra. Det samme ville være tilfældet for en springende Superman. Mens han anvendte den nødvendige kraft for at springe til store højder, sank han ned i selve jorden, han prøvede at springe fra. Tænk bare på at hoppe i blødt mudder. Sådan ville dette være.

Hvis Superman ikke hopper, hvordan flyver han så? Nogle mennesker foreslår, at han har en form for telekinetisk kraft, der gør det muligt for ham at skubbe fra jorden uden at røre den. Det er dog som at sige, at han flyver med et trylleslag. Jeg tror, ​​vi kan gøre det bedre end det. Der er et par måder, hvorpå rigtige objekter flyver. For det første er der en raket, som holder sig fra jorden ved at skyde gasser ud af den nederste thruster. Kunne dette fungere for Superman? Måske kunne han udsende partikler ud af den ene side af sin krop. Dette ville fungere, bortset fra at han enten ville have brug for en stor mængde partikler (tænk på det massive brændstof i en raket), eller også ville disse partikler skulle rejse med superhastigheder.

Den anden slags flyvende objekt er et fly, som forbliver fra jorden ved at ramme luften og afbøje det nedad (ja, det er en meget forenklet forklaring på at flyve). Men for at styrte i luften skal objektet bevæge sig fremad - og nu er vi tilbage til det samme problem: Hvordan bevæger Superman sig fremad? Jeg har tænkt mig at gå ud og sige, at han skyder partikler ud under fødderne.

@alexziemianski: Hvorfor får de mennesker, som The Flash redder, ikke piskesmæld af den pludselige acceleration?

Det korte svar er, at disse mennesker faktisk ville blive såret. I filmen X-Men: Days of Future Past , Quicksilver (Marvel-versionen af ​​en hurtigløbende superhelt) holder om nogens hoved for at forhindre whiplash, men whiplash er kun en lille del af problemet. Det virkelige problem er skader på indre organer.

Når superhelte som The Flash eller Quicksilver redder nogen, skal de accelerere den person. Og for at accelerere nogen, må de skubbe på ham på en eller anden måde. Hvis The Flash skubber på ryggen af ​​et menneske, vil dette accelerere menneskets ryg. Ryggen skubber derefter på lungerne, og lungerne skubber på det forreste bryst. Alt dette skub er dårligt - det kan forårsage alle mulige fysiske skader. Et menneske kan måske overleve acceleration op til 40 g i meget kort tid, men dette er mindre end accelerationen for mange superhelte.

Så hvordan gør de det? Sammenfattende ved jeg det ikke.

@DuaneMieliwocki: Hvordan var den bioniske mand i stand til at løfte så mange tunge ting uden at hans rygsøjle eller bækken bøjede sig?

Dette er en stor pointe. Bare fordi Steve Austin (hans venner bare kalder ham Steve) har en bionisk arm, betyder det ikke, at han kan gøre noget. Hvis hans arme løftede en tung masse, skulle hans ryg og ben også støtte den.

Denne forglemmelse opstod ikke kun i Den seks millioner dollar mand . I filmen Avengers: Age of Ultron Tony Stark (som Iron Man) forsøger at løfte Thors hammer ved kun at bruge handsken fra Iron Man dragt .

Til venstre er et kraftdiagram for både hammeren og handsken, mens Tony forsøger at løfte den.

Uanset hvor hårdt handsken trækker i hammeren, ville Tony (det blotte menneske) skulle trække i handsken. Det er bare en dårlig idé for resten af ​​hans krop. Men måske havde Tony aldrig tænkt sig at løfte hammeren...

Fahad Uddin Siddiqui: Hvor realistisk er det at drømme om antistof som en plausibel kraftkilde i det næste århundrede?

Ah ha! Et ikke-superheltespørgsmål. For det første, hvad er antistof? Kort sagt, antistof er ligesom normalt stof, men med den modsatte ladning (det er ikke hele historien, men den er god nok). Hvis du for eksempel har en positivt ladet proton, er der en antistofproton (kaldet antiprotonen) med samme masse, men en negativ ladning. Der er også en anti-elektron (også kaldet positronen), der er ligesom en elektron, men med en positiv elektrisk ladning.

Hvad sker der, når man får en positron og en elektron tæt på hinanden? Da de er modsatte ladninger, tiltrækker de. Der er intet til at holde disse partikler fra hinanden, så de udsletter bare hinanden - og i processen skaber de energi. Hvor meget energi? Nå, du har sikkert set den berømte ligning E = mcto . Det kan fortælle dig, hvor meget energi du har brug for for en given mængde masse (m). Og gæt hvad? I dette tilfælde er det meget. Hvis du kun havde 1 kg stof og 1 kg antistof, ville dette skabe 1,8 x 1019Joules. Det er tæt på den mængde energi, der bruges i hele USA på et år.

Alt dette sagt – og jeg hader at sprænge din boble – antistof vil ikke være en energikilde. Hvorfor ikke? Nå, for at bruge dette som en energikilde, skal du har antistof. Det viser sig, at vores univers har meget mere stof end antistof (i hvert fald så vidt vi ved). Så du kan ikke rigtig bruge antistof til at lave energi, medmindre du enten finder en masse af det eller skaber det selv – men det kræver meget energi at lave antistof. Så du kan se problemet.

Ok, det er det. Jeg håber, du nød svarene. Jeg nød bestemt at svare dem.


Det følgende er et uddrag fra Allains bog, Nørd fysik :

Geek Physics: Overraskende svar på planetens mest interessante spørgsmål (Wiley Pop Culture and History Series)

Købe

AT HOPPE FRA EN BYGNING MED BOBEPLAST

Hvor meget bobleplast skal du bruge for at overleve at hoppe ud af sjette sal i en bygning? Lad mig groft sige, at det ville være en højde på 20 meter. Hvor vil du starte med et spørgsmål som dette? Nå, først skal vi have noget bobleplast. Hvilke egenskaber kan jeg overhovedet måle ud fra bobleplast? Først kan jeg måle tykkelsen af ​​et ark bobleplast. Ja, der er alle forskellige slags bobleplast, men jeg bruger min (du skal starte et sted). I stedet for bare at måle tykkelsen af ​​et ark, lad mig lave et plot af den samlede tykkelse, mens jeg stabler flere ark.

Jeg målte stakken hver gang jeg tilføjede et lag og tegnede en graf med højde på den ene side og antallet af ark på den anden. Hældningen af ​​denne lineære tilpasningsligning er 0,432 cm/ark, og dette vil være et godt estimat for tykkelsen af ​​et ark.

Dernæst skal jeg se, hvor 'fjedret' bobleplasten opfører sig. Er det ligesom en fjeder? Hvis ja, hvor stiv er den? Hvis det var en rigtig fjeder, ville jeg bare tilføje noget vægt til den og se, hvor meget den komprimerede. Lad mig gøre præcis det. Hvis du plotter dette, ser det ret lineært ud - forholdsmæssigt fører mere kraft til forholdsmæssigt mere kompression. Så jeg må sige, at bobleplasten opfører sig som en fjeder. Jeg kan modellere den kraft, bobleplasten skubber på andre ting (som en person), som om det var en fjeder. Kraften ville være proportional med mængden af ​​bobleplasten er komprimeret.

Ud fra disse data har jeg fundet en effektiv fjederkonstant for bobleplast af denne størrelse. Men hvad med andre størrelser? Antag, at jeg har to ark bobleplast stablet oven på hinanden i stedet for kun ét. Hvis der lægges en masse ovenpå, vil hvert ark blive komprimeret i samme mængde som kun et ark, da de begge har samme kraft, der presser ned. Men at komprimere to ark giver en samlet større komprimering end et.

Hvad hvis jeg sammenligner et lille enkelt ark og et større ark bobleplast? Dette ville være som to ark bobleplast ved siden af ​​hinanden. Når en masse er placeret ovenpå, skubber de begge op på massen, så hver kun vil have halvdelen af ​​kraften, der komprimerer den. Så to ark side om side ville ikke komprimere så meget som et enkelt ark.

Kort sagt, jo større areal med bobleplast, jo mere virker bobleplasten som en stivere (højere fjederkonstant) fjeder. Jo tykkere stak af bobleplast er, jo mindre er den effektive fjederkonstant. Egenskaben ved et materiale, der viser dets stivhed, uafhængigt af de faktiske dimensioner af dette materiale, kaldes Youngs modul. Da jeg kender størrelsen på mit ark, får jeg et Youngs modul på 4.319 N/m2 for netop denne bobleplast. Hvad med springdelen? Det er ikke springet, der er farligt, det er landingen. Den bedste måde at vurdere sikkerheden ved en landing på er at se på accelerationen. Heldigvis behøver jeg ikke at indsamle eksperimentelle data om den maksimale acceleration en krop kan tage, NASA har allerede gjort dette. Her er i det væsentlige, hvad de fandt på (fra Wikipedia-siden om g-tolerance):

Ud fra dette kan du se, at en normal krop kan modstå de største accelerationer i positionen 'øjeæblerne'. Dette er orienteringen sådan, at accelerationen ville 'skubbe' øjeæblerne ind i hovedet. I tilfælde af hop betyder det, at du lander på ryggen.

Der er et lille problem. Hvis en jumper er pakket ind i boblekæde, vil accelerationen under kollisionen med jorden ikke være konstant. Her er et diagram, der viser en person, der er dækket af bobleplast, mens han rammer jorden:

Så der er to hovedkræfter på jumperen i løbet af denne tid: kraften fra bobleplasten (som er som en fjeder) og tyngdekraften. For at springeren kan stoppe, skal accelerationen være i opadgående retning, og bobleplastkraften skal være større end tyngdekraften.

Accelerationen afhænger af værdien af ​​fjederkonstanten samt afstanden fjederen komprimeres. Jeg kender ikke nogen af ​​disse værdier. Men hvis jeg bruger arbejds-energi-princippet så kan jeg se på hele efteråret. Ved både starten og slutningen af ​​dette efterår er den kinetiske energi nul. Den gravitationelle potentielle energi vil falde i løbet af efteråret, og forårets potentielle energi (i bobleplasten) vil stige under sammenstødet. Da der ikke er udført andet arbejde på systemet, kan jeg skabe et forhold mellem højden af ​​springet og den nødvendige fjederkonstant (for den acceptable acceleration).

For at få en værdi for k, har jeg brug for nogle andre værdier. Her er mine antagelser:

• Massen af ​​jumperen plus bobleplast er 70 kg. Her går jeg ud fra, at massen af ​​bobleplasten er lille i forhold til jumperen.

• Maksimal acceleration på 300 m/s2 og også et sammenstød, der varer mindre end et sekund.

• Starthøjde på 20 meter.

Med dette har jeg brug for en bobleplastfjederkonstant på 1,7 x 104 n/m for at have en acceleration under landingen, der ikke overstiger NASAs anbefalinger for g-tolerance.

Nu hvor jeg ved, hvilken fjederkonstant der skal til for at stoppe jumperen, er jeg et skridt tættere på at bestemme, hvor mange lag bobleplast der skal bruges. Der er én ting, jeg først skal vurdere: kontaktområdet mellem jorden og bobleplasten. Jeg ved, at dette område faktisk skulle ændre sig under kollisionen, så jeg vil bare vurdere det. Antag, at kontakten laver en firkant omkring 0,75 meter på en side. Dette ville give et areal på 0,56 m2.

Fordi jeg kender Youngs modul for bobleplast, kan jeg beregne tykkelsen (som jeg underligt nok har kaldt L) til at være 0,142 meter. Da hvert ark er 0,432 centimeter tykt, har jeg brug for niogtredive ark.

Måske virker niogtredive ark lidt lavt. Lad mig beregne massen af ​​denne bobleplast, og hvor stor den ville se ud. Hvis jeg antager, at bobleplasten er viklet cylindrisk omkring jumperen, ville den se sådan ud:

Når man ser ned på en person, fremstår denne person groft sagt som en cylinder med en radius på 0,3 meter (bare et gæt). Hvis bobleplastcylinderen strækker sig yderligere 0,142 meter, hvad er så volumen af ​​bobleplast? Åh, jeg skal vel også have en person med en højde på omkring 1,6 meter (et andet gæt). Dette ville give et bobleplastvolumen på 0,53 m3.

Jeg kan bruge tykkelsen af ​​bobleplast sammen med massedata og finde tætheden af ​​bobleplast. Med denne mængde bobleplast ville den have en masse på 9 kg. Ikke så dårligt, men teknisk set ville dette ændre mængden af ​​bobleplast, der skal til for at lande. Måske kunne jeg bare være på den sikre side og tilføje et par lag for at kompensere for den ekstra vægt af bobleplasten. Nu hvor jeg kender størrelsen på denne bobleindpakkede person, kan jeg overveje luftmodstanden ved faldet. Den typiske model for luftmodstand viser en kraft, der er proportional med både tværsnitsarealet og kvadratet på objektets hastighed.

Fordi kraften ændrer sig med hastigheden, er problemet ikke så nemt at løse på papiret. Det er dog ret ligetil at beregne ved at dele problemet op i mange korte tidsintervaller med en computer. Ved at lave denne numeriske beregning får jeg følgende plots for position og lodret hastighed af det faldende objekt.

Dette viser, at den faldende genstand, med luftmodstand taget i betragtning, ender med en lidt lavere hastighed før sammenstødet (17,8 m/s i stedet for ca. 20 m/s). Jeg kunne lave alle beregningerne om, men det gør jeg ikke. I stedet kunne du bare overveje denne lavere hastighedsdel af sikkerhedsmarginen (selvom jeg aldrig ville overveje at gøre noget som dette 'sikkert').

Hvad med et opfølgende spørgsmål (til dit hjemmearbejde)? Hvor meget bobleplast skal du bruge for at overleve et spring ud af et fly? Jeg formoder, at det ikke ville være så meget mere. Hvis du tilføjer nogle lag til bobleplasten, vil du reducere terminalhastigheden for dette faldende objekt.

Skal vi virkelig bruge bobleplast til menneskelige sikkerhedssituationer? Det ville klart være en dårlig idé.


Fra Nørd fysik af Rhett Allain. Copyright © 2015 af Rhett Allain. Med tilladelse fra Turner Publishing Company. ALLE RETTIGHEDER FORBEHOLDES.