Fizika zmagovalca bombarderjev v vojni v vesolju


Število fizičnih problemov, skritih v Vojna zvezd Filmi so veliko večji kot si misliš. Oh, ne skrbi. Vem, da je to samo film in ne tisti, ki se resnično osredotoča na znanost. To mi ne bo preprečilo, da ne bom gledal nekaj Imperija vrne nazaj– uvedbo bombaša TIE.

Za človeka kot jaz, ki je odraščal Vojna zvezd, Imperija vrne nazaj je bil super kul (in tudi eden od prvih treh Vojna zvezd filme vseh časov). V prequelu Nov upam, vidimo samo dve vrsti borcev TIE – navadnega tipa in posebnega borca ​​TIE Dartha Vaderja. Ampak potem vidimo bombaša TIE.

Kaj za vraga je bombnik TIE? To je borec TIE, ki spusti bombe … v vesolje. Ja, tam bi lahko rekli, da so te stvari neumne. Ali pa se lahko samo ohladite in ugotovite, da je to enakovreden bombniku iz druge svetovne vojne. Tako je.

Če želite, lahko skupaj s svojimi prijatelji razpravljate o zaslugah bombe v vesolju. Zame bom naredil nekaj fizike. To bo super.

Plane padajo na paket

Začnimo s klasičnim problemom fizike. Letalo leti vzdolž ravni poti s stalno hitrostjo 20 m / s na nadmorski višini 20 metrov. Letalo nato spusti škatlo dobave nekaterim ljudem na tleh. Če letalo spusti polje na x = 0 metrov, kje pristane škatla? Predpostavimo, da ni zračnega upora.

To težavo lahko rešite, če želite, vendar ga resnično želim uporabiti, če želite postaviti drugo vprašanje, ki ne vključuje matematike. Prav tako je več izbire (vsakdo ima več izbirnih vprašanj). Vprašanje je naslednje: Če ste videli to polje, ki je padel iz ravnine (s sledjo dima), katera od naslednjih animacij bi pravilno pokazala pot padne škatle?

Možnost A

Možnost B

Možnost C

Odgovoril bom na to vprašanje, vendar bi rad najprej pogledal bombe s bombnikov TIE. Oh, da, res je. Te animacije sem naredil s Pythonom. Tu je koda (vendar ga ne uporabljajte za goljufanje).

TIE bombniki in asteroidi

Torej, tukaj je prizorišče. Han in Leia poskušata pobegniti od cesarjev. Od leta Millennium Falcon se zlomijo, začasno skrivajo v jami na asteroidu. Empire pošilja bombnike, da jih skuša prestrašiti iz skrivanja (mislim). Oh počakajte, ali je to spojler? Mogoče ne, ker je film skoraj 40 let.

Kakšno je gibanje vesoljske bombe, ko se spušča iz bombe TIE? Ni nam treba uganiti. Z video analitiko lahko ugotovimo, da je to neposredno iz filma (imam celo knjigo o tem. S video analizo si lahko ogledamo položaj predmeta v vsakem okvirju videoposnetka. To je veliko lažje, če poznamo velikost predmet v filmu (kot je velikost bombnika TIE), fotoaparat pa se ne premika ali povečuje (prav tako velja za to sceno).

Pravzaprav imamo dva lepa pogleda na bombe TIE, ki spustijo vesoljsko bombo. Prvi pogled prikazuje bombnike, ki se premikajo naravnost proti "kameri" in spustijo bombo. Iz tega (in širine bombnika na 10,6 metrov) lahko skrijem navpično gibanje bombe, ko pade (če vam ni všeč ideja o padcu, si oglejte vprašanja za domačo nalogo na koncu te objave ).

Tukaj je ploskev gibanja za eno od teh bomb. (Opomba: za pridobitev teh podatkov uporabljam brezplačno programsko opremo Tracker Video Analysis.)

Iz tega predloga poznam tri stvari:

  • Bomba se zdi, da se sorazmerno pospeši (zato so podatki parabolični).
  • Navpični pospešek bombo je približno 440 m / s2. To je pospešek približno 44-krat večji od pospeška prostega padca na površini Zemlje (približno 9,8 m / s2). Ja, vem, da to ni na Zemlji.
  • Boj proti TIE potuje približno 40 metrov nad površino asteroida.

Ampak počakaj! Še več. Takoj po tem pogledu je strel iz napadalcev TIE, kot je razvidno zgoraj. Iz tega lahko dobim vodoravno gibanje tako vesoljskih plovil kot "bombe". Tukaj je ploskev:

Zdi se jasno, da se bombaž TIE premika s precej konstantno hitrostjo – približno 41 m / s. Kaj pa bomba? Prav tako se premika naprej, vendar se njegova horizontalna hitrost zmanjšuje, ko pade (to je modra krivulja v zgornjem grafu). To ni popolno prileganje, lahko pa dobim približno vrednost za pospešek bombo v vodoravni smeri s premerom okoli 32 m / s2.

Fizika padajočih stvari

Zdaj pa se vrnimo k prvotnemu vprašanju. V odsotnosti zračne upornosti (kot v vesolju), kako bi objekt padel z gibljive ravnine? Brez zračnega upora je na padajočem objektu le ena sila – gravitacijska sila navzdol. Ta navzdol (in konstantna) sila pomeni, da se bo objekt povečeval s hitrostjo navzdol, ko pade. Enako je, kot če bi spustili žogo od počitka nad tlemi.

Ker je edina sila gravitacijska sila, to pomeni, da je v vodoravni smeri ničelna sila. Narava sile na objektu je sprememba hitrosti. Torej, brez horizontalne sile se ne spremeni horizontalna hitrost. Če je bil predmet padel iz ravnine, ki se je gibala pri 40 m / s, bo padajoči objekt imel tudi horizontalno hitrost 40 m / s. Objekt in ravnina imata enako vodoravno hitrost, zato morajo imeti enak vodoravni položaj. Objekt bo ravno pod ravnino za celotno padanje gibanja. To ustreza možnosti animacije A zgoraj. Si dobil točno?

V redu, samo da bi bili jasni – morda boste dobili gibanje, kot je možnost C, če dejansko spustite predmet iz letala na Zemlji. Ko je stvar zapustila letalo, bi iz zraka obstajala nazaj potisna sila. To bi povzročilo, da se bo hitrost vodoravnega predmeta zmanjšala tako, da bi paket (ali kar koli, kar pade) pristal za letalo.

Toda kaj se dogaja z bombom od bombaša TIE? Kdo ve?

Modeliranje TIE bomba

Ne razumete nekaj, dokler ga ne boste mogli modelirati. V tem primeru bom ponovno ustvaril ta prizor v VPython. Naredil bom 3-D model tako bombe TIE kot bombe. To bo super. Druga kul stvar pri izdelavi 3-D fizičnega modela bombnika TIE je, da jo lahko vidim s katerega koli položaja, ki mi je všeč. Videti bi bilo mogoče od zgoraj navzdol ali s strani. Odločil sem se, da vzamem "kamero" pogled, da je bombnik TIE preletel nad glavo, ker mislim, da izgleda kul. To ni samo animacija, ampak celotna koda. Kliknite Predvajaj, če želite zagnati in ikono svinčnika za ogled ali urejanje kode (ki jo boste morda potrebovali za domačo nalogo).

Oh, dodal bi, da sem goljufal. Zmanjšal sem "navpični" pospešek, tako da bomba traja dlje, da bi zadela tla.

Mislim, da bi se moral tukaj ukvarjati s problemom fizike – zakaj bomba sploh pade? Gravitacijska sila iz asteroida je verjetno veliko šibka od tiste na površini Zemlje. Vendar pa bomba "pada" navzdol s pospeševanjem MUCH več kot bi na Zemlji. Torej, kakšen je dogovor? Resnično, ni nobenega načina vedenja zagotovo. Eden od odgovorov bi bil, da bombe sploh ne padajo. Namesto tega so majhne rakete s potisniki na njih, da jih potisnite navzdol. Bi bila še vedno bomba? Koga briga – v filmu je še vedno všeč kul.

Počakajte! Obstaja še en primer bombard v Vojna zvezd. V Zadnji Jedi, se film začne z nekaterimi odpornimi bombniki, ki napadajo uničevalca prvega reda. SPOILER ALERT: samo en bombnik je dovolj blizu, da spusti bombe. Ampak bombe dejansko padajo. V tem primeru dejansko vidite, kako bombe padajo iz vesoljskih plovil, tako kot bi padli iz bombe B-17 v drugi svetovni vojni. Na bombe ni raket. To so samo bombe.

V tej sceni je nekoliko težje upravičiti fiziko. Morda je odporni bombnik tip bombo, ki sproži te bombe na dnu vesoljskih plovil. Ampak, če je tako, zakaj počakati, dokler ladja ni neposredno nad zvezdastim uničevalcem? Druga možnost je, da je ladja prvega reda tako velika, da gravitacijsko potegne bombe proti njej. Ampak ne glede na to – še vedno je kul prizorišče. Samo da sem jasen, nisem Vojna zvezd hater. Jaz sem Vojna zvezd ventilator.

Domača naloga

Tukaj je nekaj vprašanj za vas.

  • Ob predpostavki asteroidne gostote 3.000 kg / m3 in s premerom 3 km (kroglastim asteroidom), kakšen bi bil pospešek padajoče bombe zaradi gravitacijskega polja te velikanske skale?
  • Ocenite gravitacijsko polje v bližini prvega reda dreadnought. Tukaj so dimenzije.
  • Preverite, ali lahko vzamete kodo iz zgornjega modela in natančno razmnožite obe pogledi Imperija vrne nazaj.
  • Uporabite video analizo in ocenite pospešek bomb, ki zapusti odporni bombnik. Kako se ta pospešek primerja s gravitacijskim pospeškom prostega padajočega predmeta na površini Zemlje?
  • Če je bomba padla z višine 40 metrov na površje Zemlje, kako dolgo bo trajalo, da bi zadela tla? Kaj pa čas padanja gravitacijskega polja zaradi tega asteroida?
  • Tukaj je najboljše vprašanje domače naloge. Kako so snemali te bombe? Imperija vrne nazaj? Verjetno ni bil računalniško ustvarjen učinek (film je izšel leta 1980). Ena od možnosti je, da so uporabili model bombnika TIE (kar so storili) in majhen padajoč predmet za bomb. Nato lahko prilagodijo časovno hitrost posnetka, tako da izgleda, da pade na veliko razdaljo. Druga možnost je "risati" bombo na vsakem odseku scene – tako so verjetno naredili blasterove vijake. Toda v tej drugi metodi bi se moral nekdo odločiti, kam naj bo bomba postavila v vsakem primeru, kar bi zahtevalo izračun. Iskreno ne vem, na kakšen način so to storili.

Več velikih WIRED zgodbe