Die knifflige Physik, wie die Rächer fliegen


Ich denke es ist Jetzt kann man sicher über die Physik einiger Rächer sprechen. Ich wurde von einem epischen Bild inspiriert, das von Marvel Studios veröffentlicht wurde und das Sie im Tweet unten sehen können. (Wenn Marvel es "da draußen" ausdrückt, halte ich es nicht für einen Spoiler.) Der coole Teil ist, dass Sie all diese fliegenden Avengers sehen können. Es gibt eine Menge von ihnen.

Lassen Sie mich klar sein: Ich bin ein großer Fan von Superheldenfilmen. Das Marvel Cinematic Universe ist großartig – es ist wie die Comic-Welt auf der großen Leinwand. Außerdem weiß ich, dass dieses Zeug nicht echt ist – vertrau mir, das weiß ich wirklich. Das hindert mich jedoch nicht daran, Superhelden mithilfe der Physik zu betrachten.

Nun zum fliegenden Teil. Wenn Sie an die Rächer denken, laufen einige von ihnen und einige fliegen. Der Hulk springt einfach so weit. Oh, Spider-Man schwingt und springt, aber er fliegt nicht. Aber für die anderen Avengers (ich halte mich nur an die MCU Avengers – nicht an die Comics), wie fliegen sie? Ich werde diese in drei Kategorien unterteilen. Wirklich, es gibt nur eine Kategorie, die Spaß an der Physik hat.

Flügel fliegen

Ich kann an drei fliegende Rächer denken: den Falken, die Wespe und die Walküre. Der Falke ist ziemlich unkompliziert: Er hat einige Flügel und einen Jetpack auf dem Rücken. Er fliegt meistens sehr schnell, so dass die Flügel Auftrieb schaffen. (Hier ist mein Video, das die Physik von Flugzeugen erklärt.) Aber ja, Falcon ist im Grunde genommen nur ein Flugzeug.

Wenn Sie nicht mit Walküre vertraut sind, ist sie eine asgardische Kriegerin. (Wir haben sie zum ersten Mal gesehen Thor: Ragnarok.) Technisch fliegt sie nicht. Sie reitet auf einem Pegasus – einem Pferd mit Flügeln. Wenn Sie möchten, können Sie sagen, dass der Pegasus wie ein Vogel fliegt. Natürlich muss hier etwas anderes passieren, da die Spannweite nicht ausreichen würde, um eine Hebekraft zu erzeugen, die sowohl das Pferd als auch die Walküre trägt. Aber trotzdem – ich werde sagen, sie fliegt mit Flügeln (und vielleicht ein bisschen Magie).

Die Wespe benutzt wirklich nur Flügel (und vielleicht irgendeine Art von Triebwerken). Offensichtlich ist sie flügelbasiert.

Magie und Wissenschaft fliegen

Diese nächste Gruppe hat die folgenden Helden: Vision, Scarlet Witch, Thor, Dr. Strange, Captain Marvel. Ja, diese sind alle sehr unterschiedlich in ihrem Flug – aber sie sind in gewisser Weise auch gleich. Sie sind insofern gleich, als wir keine physikalische Erklärung dafür haben, wie es funktioniert. Es funktioniert einfach

OK, vielleicht könnte man sagen, dass Thor fliegt, indem er seinen Hammer wirft und sich festhält. Das würde ihn jedoch nicht die Flugrichtung ändern lassen. Ich stelle mir auch vor, dass Vision den Boden erreichen kann, indem er seine Dichte auf einen verrückten niedrigen Wert ändert – so niedrig, dass er schwebt. Ehrlich gesagt, ich weiß es nicht wirklich.

Für die anderen können sie fliegen, wie sie wollen, da es keinen klaren Flugmechanismus gibt. Damit bin ich völlig einverstanden.

Schub fliegen

Nun zur letzten Gruppe. Dies sind die Iron Man-ähnlichen Flieger. Sie fliegen mit einer Art Rakete, die aus ihren Füßen, Händen oder beiden ausgestoßen wurde. Dies beinhaltet War Machine, Pepper Potts (SPOILER ALERT) und Star-Lord. Obwohl ich nicht genau weiß, wie diese Triebwerke funktionieren, gehe ich davon aus, dass sie eine Kraft erzeugen, indem sie eine Art Masse aus einem Motor schießen. So funktionieren normale Raketentriebwerke – und so funktioniert auch ein Düsentriebwerk.

Nehmen wir jedoch an, dass diese Triebwerke tatsächlich eine Kraft erzeugen. Jetzt können wir über das Fliegen sprechen. Nehmen wir an, Sie möchten vorerst mit einer konstanten Geschwindigkeit fliegen. Das Fliegen mit konstanter Geschwindigkeit bedeutet, dass die Beschleunigung Null ist und die Beschleunigung Null eine Nettokraft von Null bedeutet. Ja, mit konstanter Geschwindigkeit zu fliegen ist aus physikalischer Sicht dasselbe wie auf dem Boden zu stehen. In zwei Dimensionen können wir die folgenden Gleichungen für die Nettokraft verwenden.

Rhett Allain

Betrachten wir einen fliegenden Sternenlord und wie er mit der Netzkraft funktionieren würde. Hier ist ein Diagramm, das zeigt, wie er mit konstanter Geschwindigkeit zusammen mit den auf ihn einwirkenden Kräften fliegt.

Rhett Allain

Es gibt zwei signifikante Kräfte auf Star-Lord. Es gibt die abwärts gerichtete Gravitationskraft und dann die Schubkraft. Der Schub drückt in Richtung der Raketen – ich denke, das sollte offensichtlich sein. Da wir uns (vorerst) nur mit Kräften befassen, habe ich beide Kräfte so ausgedrückt, als würden sie im Mittelpunkt der Masse wirken (dieser rote Punkt im Diagramm).

Aber vielleicht können Sie das Problem hier sehen. Wie können Sie diese beiden Vektorkräfte sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung zu Null addieren lassen? Natürlich kann die vertikale Nettokraft Null sein, da es eine Aufwärtskomponente der Schubkraft gibt, um die nach unten gerichtete Gravitationskraft aufzuheben. Dies gilt nicht in horizontaler Richtung. Es gibt nur die nach vorne drückende Schubkraftkomponente, die nicht ausgeglichen werden kann. Wenn dies tatsächlich das richtige Kraftdiagramm ist, würde Star-Lord vorwärts beschleunigen und nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit fliegen.

Ja, die Art und Weise, wie Star-Lord fliegt, ist falsch (in Bezug auf die Physik), aber er sieht immer noch cool aus. In Wirklichkeit besteht das Problem darin, dass Verwirrung über die Natur von Kraft und Bewegung herrscht. Die meisten Menschen sind der Meinung, dass Sie eine konstante Vorschubkraft benötigen, um sich mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen. Im wirklichen Leben macht alles Sinn. Wenn Sie ein Auto mit konstanter Geschwindigkeit fahren möchten, müssen Sie den Fuß auf dem Gaspedal lassen. Wenn Sie ein Sofa über den Boden schieben, müssen Sie weiter schieben. Wir sehen es die ganze Zeit – wenn Sie aufhören, Dinge zu schieben, hören sie auf. So dachte Aristoteles über Kräfte, aber er lag falsch.

Das Problem ist, dass wir fast immer diese andere Kraft auf ein Objekt haben. Diese Kraft ist die Reibungskraft. Es ist eine nach hinten drückende Kraft, die eine Wechselwirkung zwischen zwei aneinander reibenden Oberflächen darstellt. Wenn Sie die nach vorne drückende Kraft entfernen, haben Sie immer noch Reibung und das führt dazu, dass das Objekt langsamer wird und anhält. Oh, wenn du in der Luft bist, gibt es die Luftwiderstandskraft – sie drückt auch in die entgegengesetzte Richtung wie die Bewegung. Es scheint also nur Sinn zu machen, dass das Objekt stoppt, wenn Sie keine vorwärts drückende Kraft haben.

OK, vielleicht hat Star-Lord einen erheblichen Luftwiderstand, der auf ihn drückt. Lassen Sie mich hier zur Antwort springen: Nein. Das wird nicht funktionieren. Damit der Luftwiderstand ein wesentlicher Faktor ist, müsste er mit strahlähnlichen Geschwindigkeiten fliegen, die auch eine Auftriebskraft erzeugen würden. Bei langsamen Geschwindigkeiten funktioniert dies nur, wenn die Dichte sehr niedrig ist. Hier ist eine Berechnung der Dichte eines fliegenden R2-D2, der unter dem gleichen Flugfehler leidet.

Wenn du denkst, dass es nur um Kräfte geht, liegst du falsch. Es gibt noch etwas, das wir berücksichtigen müssen, wenn ein Avenger mit Triebwerk und konstanter Geschwindigkeit fliegen soll. Um im Gleichgewicht zu sein, braucht der Superheld eine Nettokraft von Null UND ein Nettodrehmoment von Null. Was zum Teufel ist Drehmoment? Im einfachsten Fall entspricht das Drehmoment einer Drehkraft. Es kommt nicht nur auf die Kraft an, sondern WO diese Kraft angewendet wird. Hier ist ein einfacher Ausdruck für das Drehmoment.

Rhett Allain

In diesem Ausdruck ist τ (das ist der griechische Buchstabe "tau") das Drehmoment. Der Abstand von der Kraft (F) zum Drehpunkt beträgt r und der Winkel zwischen der Kraft und dem Abstand ist θ.

Wie erhält man also ein Gesamtdrehmoment von Null, damit sich ein Objekt (oder ein Superheld) im Rotationsgleichgewicht befindet? Wie wäre es damit – versuchen wir es mit einem Bleistift. Nehmen Sie einen Bleistift und halten Sie ihn schräg. Drücken Sie nun mit einem Finger an einem Ende nach oben. Beachten Sie, dass Sie einen anderen Finger benötigen, um zu verhindern, dass er umfällt? So könnte das aussehen.

Rhett Allain

Wenn Sie das Radiererende (das linke Ende) als Berechnungspunkt für die Drehmomente verwenden, gibt es zwei Drehmomente ungleich Null. Es gibt das Drehmoment im Uhrzeigersinn, wenn der linke Finger nach oben drückt, und das Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn, wenn die Schwerkraft am Schwerpunkt nach unten zieht. Sie benötigen eine Kombination von mindestens zwei Drehmomenten in verschiedenen Drehrichtungen, um ein Gesamtdrehmoment von Null zu erhalten.

Gehen wir jetzt zurück zu Star-Lord. Hinweis: Ich benutze Star-Lord, da er nur Triebwerke an den Füßen hat. Mach dir keine Sorgen, ich werde die anderen bald genug erreichen. Hier ist ein aktualisiertes Kraftdiagramm, während er sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Rhett Allain

Die einzige Änderung bestand darin, die Schubkräfte von der Mitte zurück auf seine Füße zu lenken. Dies führt jedoch zu einem Drehmomentproblem. Wenn wir die Füße als Drehpunkt auswählen (Sie können einen beliebigen Punkt auswählen), erzeugen die Triebwerke ein Drehmoment von Null, da der Abstand zum Drehpunkt Null ist. Dadurch bleibt nur das Drehmoment von der Schwerkraft im Uhrzeigersinn. Ohne Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn kann Star-Lord nicht in dieser Position bleiben und cool aussehen.

Tatsächlich gibt es zwei Möglichkeiten, die Physik zu nutzen, um diese Arbeit zu machen. Die erste Methode besteht darin, den Luftwiderstand zu erhöhen. Wenn er schnell genug flog, konnte der Luftwiderstand eine ausreichend große Kraft erzeugen (in der obigen Abbildung nach links drücken). Diese Kraft würde zu einem Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn führen, das Star-Lord in dieser kühlen Position halten könnte.

Die zweite Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Beschleunigung. Ja, wenn wir Star-Lord beschleunigen lassen, funktioniert alles mit nur zwei Kräften (dem Schub und der Gravitationskraft). Dies lässt sich am besten mit falschen Kräften erklären. Normalerweise sind Kräfte eine Wechselwirkung zwischen zwei Objekten und die Nettokraft beschleunigt die Dinge. Dies funktioniert jedoch nur in einem Referenzrahmen, der selbst nicht beschleunigt.

Wenn Sie einen beschleunigenden Referenzrahmen verwenden möchten (wie den Referenzrahmen, der sich zusammen mit Star-Lord bewegt), müssen Sie eine gefälschte Kraft hinzufügen. Es ist eine Fälschung, weil es nur dazu dient, die Nettokraft wieder mit der Beschleunigung in Beziehung zu setzen, und es ist eigentlich keine Interaktion zwischen zwei Objekten. Die Größe dieser gefälschten Kraft ist gleich der Masse des Objekts multipliziert mit der Beschleunigung des Rahmens, und die Richtung ist entgegengesetzt zur Beschleunigung des Rahmens.

Ehrlich gesagt, Sie wissen bereits alles über gefälschte Kräfte, da Sie sie die ganze Zeit verwenden. Erinnerst du dich, als du einmal in deinem Auto warst? Sie haben Gas gegeben und das Auto hat angefangen zu beschleunigen? Was hast du gefühlt? Ja, Sie fühlten eine Kraft, die Sie zurück in den Sitz drückte. Aber das ist keine wirkliche Kraft, das ist eine gefälschte Kraft. Ihr Verstand hat es dort abgelegt, damit es einen Sinn für das ergibt, was im Referenzrahmen des Autos geschah. Es ist immer noch falsch.

Nun ein aktualisiertes Kraftdiagramm für den beschleunigenden Sternenlord.

Rhett Allain

Mit dieser gefälschten Kraft funktioniert alles. Im Referenzrahmen von Star-Lord gibt es jetzt eine nach hinten drückende Kraft, um die horizontale Komponente des Schubes auszugleichen. Außerdem erzeugt die gefälschte Kraft ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn, um ein Nettodrehmoment von Null zu erzeugen. Funktioniert alles.

Aber warte! Wie wäre es, wenn ich eine echte Version dieser gefälschten Macht zeige? Ich kann ein gekipptes Lineal auf einen Beschleunigungswagen legen. Im Referenzrahmen dieses Wagens wird das Lineal nicht "umkippen". OK, lassen Sie mich hier ein paar Details geben. Wenn Sie dies zum Laufen bringen möchten, benötigen Sie eine Kraft, um den Wagen zu beschleunigen, aber nicht das Lineal. Sie können den Wagen nicht einfach eine Steigung hinunterrollen lassen – das funktioniert nicht. In diesem Fall hängt eine große Masse an einer Riemenscheibe herab. Die Schnur aus dieser Masse wird am horizontalen Wagen befestigt, damit dieser beschleunigt. (Dies wird als Halb-Atwood-Maschine bezeichnet.) Basierend auf der Wagenbeschleunigung und der falschen Kraft auf das Lineal können Sie (für Hausaufgaben) den geeigneten Neigungswinkel berechnen, damit das Lineal nicht umkippt. Hinweis: Die Beschleunigung des Wagens betrug 5 m / s2.

Nun zum Experiment. Auf dem Wagen liegt ein kleines weißes Stück Papier. Das hält das Lineal nicht hoch (es ist viel zu dünn), es war nur eine Winkelmessung, damit ich das Lineal im richtigen Winkel halten konnte. Auch dies ist in Zeitlupe.

Rhett Allain

Habe ich diesen ganzen Beitrag geschrieben, um dieses Experiment zu zeigen? Könnte sein. Ist der Wagen vom Ende der Strecke weggezoomt? Absolut – aber keine Sorge, ich hatte jemanden da, der es fängt.

Und was ist mit den anderen Superhelden? Iron Man und War Machine und Pepper benutzen ihre Hände auch für den Schub. Sie haben immer noch das Beschleunigungsproblem, so dass sie eine erhebliche Luftwiderstandskraft benötigen, um sich mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen. Aber vielleicht würde ihr Handstoß das Rotationsgleichgewichtsproblem beheben.


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