Es gibt einige schwierige Physik im Solo: Eine Star Wars-Geschichte


Jeder weiß, dass ich Star Wars und Physik liebe. Ich wollte schon einen Physik-Posten machen Solo: Eine Star Star Wars GeschichteAber ich habe gewartet. Ich warte gerne, bis der Film für die Wiedergabe zuhause (online oder Blu Ray) verfügbar ist, so dass die Leute die Chance haben, ihn zu sehen. Wenn Sie es noch nicht gesehen haben, ist Ihre Zeit abgelaufen. Sie können dies als Ihren SPOILER-ALARM betrachten.

Eigentlich sind die Dinge, die ich in diesem Post anschaue, nicht wirklich wichtige Handlungspunkte. Es ist nicht so, als würde ich verraten, dass Darth Vader Luke's Vater ist (oops-leichter Spoiler-Alarm, wenn du ihn nicht gesehen hast Das Imperium schlägt zurück). OK, hier ist deine letzte Chance, auf diesen Physik-Posten zu verzichten. Du wurdest gewarnt.

Physik der Banked Turns

Ist Ihnen jemals aufgefallen, dass einige Straßen (vor allem die engen Kurven an den Ausfahrtsrampen) Straßen haben, die nicht eben sind? Es gibt einen Grund, diesen Kurven eine Bank hinzuzufügen – sie machen es leichter für Autos, sich zu drehen, ohne abzustürzen. Warum?

Lassen Sie mich mit der Definition der Beschleunigung beginnen. Ein Objekt beschleunigt, wenn es seine Geschwindigkeit ändert. Wenn wir uns ein kurzes Zeitintervall (Δt) ansehen, dann wäre die Beschleunigung während dieses Zeitintervalls wie folgt definiert:

Rhett Allain

Aber was zum Teufel sind diese Pfeile über dem "a" und "v"? Diese Pfeile zeigen an, dass die Beschleunigung und die Geschwindigkeit Vektorgrößen sind. Ein Vektor ist eine Art von Variable, die mehr als nur ein "Stück" Information enthält. Ein Geschwindigkeitsvektor könnte drei "Teile" haben – eine Komponente für jede Dimension (da wir in 3 Dimensionen leben). Dasselbe gilt für die Beschleunigung – es besteht aus drei Komponenten. Es kommt also nicht nur auf die Gesamtgeschwindigkeit an, sondern auch auf die Richtung dieser Geschwindigkeit (die wir Geschwindigkeit nennen).

Die Beschleunigung hängt von der CHANGE-Geschwindigkeit ab, aber die Geschwindigkeit ist ein Vektor. Dies bedeutet, dass Sie nur durch Ändern der Richtung der Geschwindigkeit (auch bekannt als Drehen) eine Beschleunigung haben. Sich mit konstanter Geschwindigkeit im Kreis zu bewegen, ist eine Beschleunigung. Aber Beschleunigung ist auch ein Vektor! Die Richtung des Beschleunigungsvektors für ein sich in einem Kreis bewegendes Objekt ist in Richtung des Mittelpunkts dieses Kreises.

Um sicherzustellen, dass alles klar ist, ist hier ein Diagramm, das die Draufsicht eines Autos zeigt, das mit konstanter Geschwindigkeit im Kreis fährt. Sie können das Auto zu zwei verschiedenen Zeiten mit Geschwindigkeiten in verschiedenen Richtungen sehen. Ich habe auch einen Pfeil, der die Richtung des Beschleunigungsvektors zeigt.

Rhett Allain

Aber wie lässt sich ein Objekt beschleunigen? Um eine Beschleunigung zu haben, müssen Sie eine Nettokraft in Richtung der Beschleunigung haben. Also, wenn ich ein Auto habe, das sich im Kreis dreht, muss eine Kraft auf die Mitte des Kreises drücken (da das die Richtung der Beschleunigung ist).

Hier sind zwei verschiedene Kräfte, die ein Auto in einem Kreis bewegen könnten. In beiden Diagrammen fährt das Auto auf den Betrachter zu und wendet sich links vom Bildschirm.

Rhett Allain

Für das Auto auf der flachen Kurve (die linke) drückt eine Kraft auf die Mitte der Kreisbahn – das ist die Reibungskraft. Sie brauchen Reibung zwischen den Reifen und der Straße, um das Auto zu drehen. Deshalb stürzen manche Leute auf vereisten Straßen – es gibt nicht genug Reibung, um sich zu drehen.

Für das Auto auf dem Banked Turn gibt es einen großen Unterschied – es ist diese Kraft mit der Bezeichnung FN. Dies ist die Kraft, die der Boden auf das Auto drückt und es ist senkrecht zum Boden (deshalb gibt es ein "N" für normal). In dieser gestaffelten Kurve macht die Bodentruppe zwei Dinge. Erstens drückt es nach oben, um der abwärts gerichteten Gravitationskraft entgegenzuwirken. Zweitens hat es eine Komponente, die in Richtung des Mittelpunkts des Kreises drückt. Diese Bodenkraft bewirkt also eine Beschleunigung des Autos. Wenn Sie den Winkel und die Geschwindigkeit des Autos genau richtig einstellen, brauchen Sie nicht einmal eine Reibungskraft, um das Auto zu drehen. Es spielt keine Rolle, ob die Straße nass, eisig oder trocken ist – sie kann sich immer noch mit einer Uferstraße drehen.

Umgang mit beschleunigenden Referenzrahmen

Wir haben dieses Kraftbewegungsmodell in der Physik. Es besagt, dass die Nettokraft auf ein Objekt gleich dem Produkt aus Masse und Beschleunigung ist. Aber was ist eine Kraft? Eine Kraft ist eine Interaktion zwischen zwei Objekten – wie wenn man auf die Wand drückt oder wenn die Erde eine gravitative Wechselwirkung mit dem Mond hat. Allerdings gibt es bei dieser Idee eine Sache – sie funktioniert nur, wenn Sie Dinge aus einem nicht beschleunigenden Referenzrahmen (einem Trägheitsreferenzrahmen) betrachten.

Was hat das mit Star Wars oder dem Drehen von Autos zu tun? Nehmen wir an, Sie sind in einem Auto und das Auto macht eine Wendung. Nehmen wir an, das Auto dreht nach links und Sie sitzen auf dem Beifahrersitz. Welches Gefühl löst das in Ihnen aus? Es fühlt sich an, als ob du in die Tür gestoßen wirst, oder? Es ist eine unsichtbare Kraft von dieser Wendung – außer es ist nicht. Es gibt keine Kraft, die dich von der Kurve wegdrängt. Stattdessen ist dies die Seite des Autos, die dich IN die Kurve drückt. Aber da du im Auto bist und das Auto beschleunigt, hast du dich in einen beschleunigenden Referenzrahmen gesetzt und das Kraftbewegungsmodell funktioniert nicht.

Hier können wir falsche Kräfte einsetzen. Wenn Sie einen beschleunigenden Referenzrahmen nehmen und ihn wie einen nicht beschleunigenden Rahmen wirken lassen möchten, müssen Sie falsche Kräfte einbeziehen. Diese falschen Kräfte sind in der entgegengesetzten Richtung der Beschleunigung des Rahmens und machen es so, dass das Kraft-Bewegungs-Modell wieder funktioniert. Das ist eine falsche Kraft, die dich während einer Kurve in die Tür des Autos drückt. Manche Leute nennen es die "Zentrifugalkraft" – und das ist in Ordnung, solange du dich daran erinnerst, dass es nicht real ist.

Zurück zu den Autos auf der flachen und überhängenden Kurve. Lassen Sie uns etwas im Auto hinzufügen – einige unscharfe Würfel, die aus dem Spiegel hängen. Wenn das Auto dreht, wird es drei Kräfte auf diesem fuzzy Würfel geben (im Bezugsrahmen des beschleunigenden Autos). Im Auto auf der flachen Kurve gibt es die nach unten gerichtete Kraft von der Schwerkraft und die horizontale Kraft von der falschen Kraft, die von der Mitte des Kreises wegdrängt. Um alle Kräfte zu Null zu addieren, muss die Schnur, die den Würfel hält, in einem Winkel ziehen.

Was ist mit den Würfeln im Auto auf einer Bankkurve? Es gibt immer noch eine falsche Kraft, die von der Mitte des Kreises wegdrängt. Da das Auto jedoch geneigt ist, ist die Schwerkraft nicht "geradeaus" (in Bezug auf das Auto). Dies bedeutet, dass die falsche Kraft den seitlichen Teil der Schwerkraft aufheben kann und der Würfel "gerade nach unten" hängt. Hier hilft vielleicht dieses Diagramm.

Rhett Allain

Beachten Sie, dass wirklich die hängenden Würfel in beiden Autos gleich sind – nur die Ausrichtung des Autos ist anders. Aus der Perspektive des umgestülpten Autos fühlt es sich an, als würde die Schwerkraft "nach unten" ziehen, aber nur ein bisschen härter. Es gibt keine "Seitwärts" -Kraft.

Es gibt eine andere Möglichkeit, über das Äquivalenzprinzip über das Innere eines sich drehenden Autos nachzudenken. Albert Einstien sagte, dass ein beschleunigender Referenzrahmen nicht von einem Gravitationsfeld zu unterscheiden ist. Dies bedeutet, dass wenn Sie in einer Box ohne Fenster sind und Sie Ihr Gewicht spüren, dies aufgrund einer Gravitationskraft ODER weil die Box beschleunigt wird.

Mit dieser Idee ist das Innere eines sich drehenden Autos das gleiche wie ein Gravitationsfeld, das die Summe aus dem Gravitationsfeld der Erde und dem falschen Feld aus der Beschleunigung ist. Ein Auto, das auf einer flachen Straße fährt, hat ein Netto-Äquivalentfeld, das diagonal zum Boden ist, so dass die Dinge nach außen gedrängt werden. Ein Auto auf einer Steilkurve hat das äquivalente Gravitationsfeld, das direkt auf den Boden gerichtet ist, so dass du dich nicht zur Seite bewegst, du fühlst dich nur ein bisschen schwerer.

Han rettet Chewbacca auf einem Zug

Wir kommen endlich zur Szene herein Solo: Eine Star Wars-Geschichte. In diesem Teil des Films ist es im Wesentlichen ein Zugüberfall. Aber warte! Dieser Zug ist auf einer erhöhten Schiene und noch besser, er neigt sich auf den Gleisen, wenn er eine Kurve nimmt. Han und Chewie sind während der Wende im Zug, aber es ist zu spät. Die Sturmtruppen kommen an. Die Sturmtruppen sind vorbereitet. Sie haben magnetische Stiefel, damit sie nicht vom drehenden Zug fallen. Chewbacca ist nicht vorbereitet. Er fällt fast aus – aber sein BFF ist da, um ihn zu retten (BFF bedeutet für immer bester Freund).

Hier ist meine künstlerische Interpretation dieser Szene.

Rhett Allain

Jetzt siehst du das Problem, oder? Wenn sie sich in einem sich drehenden Zug befinden, der sich in einer Kurve befindet, wäre "down" zum Boden des Zuges und nicht zum echten down. Han muss Chewie nicht einmal retten – Physik kann ihn retten. Oh, und die Sturmtruppen brauchen nicht einmal Magnetstiefel.

Wenn der Zug sich auf einer Ebene befand und eine Spur drehte, DANN könnte Chewbacca herausfallen und die Sturmtruppen würden magnetische Stiefel brauchen. Aber nicht für eine Wendung. OK, ich weiß was du sagst. Ja, es ist in der Tat möglich, dass der Zug auf einer Bahnstrecke liegt, die nicht für diese Geschwindigkeit ausgelegt ist. Wenn der Zug zu langsam fuhr, dann ja – die Szene ist genau richtig.

Versteh mich nicht falsch, ich mag den Film immer noch. Ich mag auch Physik.


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