「鋼鐵俠」飛行背後的物理原理是啥？

　　2019年06月21日 08:05 新浪科技


　　

　　新浪科技訊 北京時間6月21日消息，美國特效工程師、著名節目《流言終結者》主持人亞當·薩維奇嘗試打造了一款真實的鋼鐵俠戰衣，並且真的可以飛行。

　　他用鈦製作了鋼鐵俠戰衣的各個部件，然後加上Gravity Industries公司打造的噴射引擎，使其成為一款可以飛的戰衣，戰衣上安裝了多個小型噴射引擎，提供足以讓一個人飛起來的推力。

　　

　　

　　

　　但普通人能穿著這套戰衣飛起來嗎？答案是有可能，但僅僅是「有可能」而已。

　　理查德·布朗寧成為了這套戰衣的「駕駛員」，如在現實世界中見到一位飛翔的「鋼鐵俠」，這景象簡直有如史詩一般。

　　

　　

　　但這套飛行戰衣要如何控制呢？

　　戰衣背部裝有一個主噴射引擎，同時雙臂各有兩個較小的噴射引擎，這就意味著，穿戴者只需要改變胳膊位置，就能對戰衣進行控制了，甚至不需要調整噴射推力，這個設計還蠻酷的。

　　

　　看完了炫酷的戰衣飛行，我們想從物理宅的角度來討論討論，如何放置胳膊才能做出不同的飛行動作，這可是關乎到你能不能飛起來又快有帥~

　　懸停和垂直運動

　　剛開始時，穿戴者應將雙臂伸出，並保持在一定角度。這樣一來，人體大致受到四個力：有向下的引力，還有由背後的噴射引擎提供的向上（稍微帶一點角度）的力。此外，雙臂的噴射引擎還會提供兩個傾斜的力。下圖為戰衣處於懸停（靜止離地）狀態時的簡化版受力圖。

　　

　　等一下，在進一步討論這些力之前，我們先來過一遍一些基本的物理知識。首先是引力，在受力圖上標為mg，其中m為穿戴者的質量，g是引力常數，在地球表面，引力常數約等於每千克9.8牛。

　　

　　力究竟有什麼作用呢？最基本的力與運動關係指出，作用於一個物體的總向量力（合力）與該物體的加速度成正比，也就是說，穿戴者要想懸停在半空中，受到的合力必須是零，若合力方向朝上，穿戴者就會加速向上運動。

　　既然要用到合力，先給大家看一下合力的等式：

　　

　　而關於這個等式，有幾點需要說明。變數上方的箭頭代表它們為向量，即帶有多個信息的變數，比如說，這些變數既可以表示力的大小，還可以表示力的方向。

　　等式中的mg為什麼是正的、而不是負的呢？這是一個學生常犯的錯誤。這是因為引力常數的矢量方向本身就是朝下的，這一信息已經包含在這個矢量中了，因此不需要再給它加上一個負號，否則整個等式就亂了套了。

　　0上方的箭頭又是怎麼回事呢？這其實是零向量，和普通的零並不一樣。零向量是指在各個方向上大小都為零的力，即在x軸、y軸和z軸上都為零，零向量非常重要，但大多數入門級教科書都對其避而不談。

　　

　　但如果不改變噴射推力，怎樣才能從懸停狀態變成加速向上呢？關鍵就在於雙臂的噴射角度。假設穿戴者目前處於懸停狀態，那麼其y軸上的合力必然為零。這裡要注意的是，當我們討論力的分解時，在各個軸上的分解力都是一維的、並不是向量，因此在懸停狀態下，y軸方向上有4個力，除了背部的推力和引力之外，還有從雙臂噴射推力分解出的垂直方向上的推力。單臂受力圖的分解如下圖所示。

　　

　　任何向量力都可以分解為幾個不同的力。我們可以將一個力沿x軸和y軸進行分解（在現實生活中還可以加上z軸），由於x軸和y軸相互垂直，分解出的兩個力便構成了一個直角三角形，因此你可以用中學所學的三角函數計算出這兩個分力的大小，結果取決於噴射引擎的推力角度。

　　這一點很重要。這樣一來，你就知道怎樣才能加速向上飛行了：需要更多垂直方向上的推力。不需要對噴射引擎本身做任何改變，只需要將雙臂更貼近身體就行。這樣一來，兩側的力與垂直方向的夾角就會縮小，y軸上的分力就會變大，身體向上的總合力也會隨之增加，使你加速向上運動。

　　

　　這個動作還會改變x軸上的分力，使之減小，但這沒關係，因為兩條胳膊在x軸上的分力可以相互抵消，只要雙臂同時做這個動作，就沒什麼問題。

　　向前運動

　　沒人願意一直懸停在空中。

　　假如你是鋼鐵俠，你肯定也想到處飛來飛去對不對？要想加速向前運動，你需要將裝在雙手上的噴射引擎朝向後方——只需要一點點就可以了，幅度不用太大，甚至讓雙臂豎直垂下也可以讓你向前飛。下圖是鋼鐵俠側面的受力圖。

　　

　　這裡要注意的是，圖中只有一個向前的分力，由背後的噴射引擎提供。假如雙臂的噴射引擎沒有指向後方，這個分力就是唯一讓你向前加速運動的力，如果沒有其它力，穿戴者就會維持這一姿勢、不斷向前加速。

　　一旦達到了你想要的速度，你就可以把胳膊放回懸停時的位置，這樣速度就不會繼續增加了。勻速運動時並不需要非零合力，只有加速運動時才需要，另外，假如空氣阻力很大的話，你受到的力也會稍有變化。

　　

　　在加速過程中，你可能不得不調整一下胳膊的姿勢。如果你把胳膊向後伸、身體向前傾，就會改變垂直方向上的分力，沒關係，只要把胳膊貼近身體，垂直向上的分力就會隨之增加，彌補剛才的變化。

　　那如果想轉圈圈、或者側著身體飛行呢？朝側面運動和向上運動一樣，只要在該方向上的合力不為零，就可以朝你想要的方向飛去了，如果想停下來，只要在反方向上加一個力，便可順利減速。

　　而如果想做旋轉運動，就得考慮一下在扭轉方向上的合力，但切勿操之過急，一定要慢慢來。等你掌握了懸停技巧之後，再嘗試旋轉吧。

　　看到這裡，有沒有覺得好像回到了高中令人眩暈的物理課堂，還是直接等著這套「鋼鐵俠」的戰衣能真正買到的時候，買一套來玩玩好了~