V Solo je nekaj neumne fizike: zgodba o zvezdnih vojnah


Vsi vedo, da imam rad Star Wars in fiziko. Želel sem narediti fizično delovno mesto Solo: Zgodba Star Wars-Ali sem čakal. Rad počakam, da je film na voljo za gledanje doma (na spletu ali Blu Ray), tako da ljudje lahko gledajo. Če še niste videli, je čas vašega. To lahko upoštevate kot SPOILER ALERT.

Pravzaprav stvari, ki jih bom pogledal v tej objavi, ne vključujejo nobenih večjih točk. Ne vem, da bom odkril, da je Darth Vader Lukov oče (opozorilo o sporovi, če še niste videli Imperija vrne nazaj). V redu, tukaj je vaša zadnja priložnost, da se spustite na to mesto fizike. Bili ste opozorjeni.

Fizika bankiranega obrata

Ste že kdaj opazili, kakšne ceste (zlasti tiste krivulje na izhodnih rampi) imajo ceste, ki niso ravni? Obstaja razlog za to, da dodamo banko na te zavoje – avtomobilom se olajša, da se brez težav zrušijo. Zakaj?

Naj začnem z definicijo pospeševanja. Objekt se pospeši, ko spremeni svojo hitrost. Če pogledamo nekaj kratkega časovnega intervala (Δt), bi bil pospešek v tem časovnem intervalu opredeljen kot:

Rhett Allain

Toda kaj so pekli tiste puščice nad "a" in "v"? Navedene puščice kažejo, da sta pospešek in hitrost vektorske veličine. Vektor je vrsta spremenljivke, ki ima več kot samo en "kos" informacij. Vektor hitrosti bi lahko imeli tri "dele" – komponento za vsako dimenzijo (saj živimo v treh dimenzijah). Enako velja za pospešek – ima tri komponente. Torej, ne gre samo za skupno hitrost, ampak tudi za smer te hitrosti (ki jo imenujemo hitrost).

Pospešek je odvisen od SPREMEMBE v hitrosti – vendar je hitrost vektor. To pomeni, da imate samo s spremembo smeri hitrosti (znano tudi kot obračanje) pospešek. Premikanje v krog pri stalni hitrosti je pospešek. Toda pospešek je tudi vektor! Smer pospeševalnega vektorja za predmet, ki se giblje v krogu, je v smeri središča tega kroga.

Samo da bi zagotovili, da je vse jasno, je diagram, ki prikazuje zgornji pogled avtomobila, ki vozi v krogu s konstantno hitrostjo. Avto lahko vidite v dveh različnih časih s hitrostmi v različnih smereh. Postavil sem tudi puščico, ki kaže smer vektorja pospeška.

Rhett Allain

Ampak kako pospešiti objekt? Da bi imeli pospešek, morate imeti neto silo v smeri pospeševanja. Torej, če imam avto, ki se vrti v krogu, mora biti sila usmerjena proti središču kroga (ker je to smer pospeševanja).

Tukaj sta dve različni sili, ki lahko povzročita, da se avtomobil premika v krogu. V obeh diagramih se avtomobil vozi proti gledalcu in zavije levo od zaslona.

Rhett Allain

Za avto na ravni krivulji (tisti na levi) je ena sila, ki potuje proti sredini krožne poti – to je sila trenja. Potrebujete trenje med pnevmatikami in cesto, da se vozilo obrne. Zato nekateri ljudje padejo po ledenih cestah – ni dovolj trenja, da bi se obrnili.

Za avto na privezani vožnji obstaja ena velika razlika – ta sila je označena s FN. To je sila, ki jo zemlja potisne navzgor na avto in je pravokotna na tla (zato je za normalno "N"). V tem zavihanem obratu zemeljska sila dela dve stvari. Prvič, potisne navzgor, da bi preprečila gravitacijsko silo navzdol. Drugič, ima komponento, ki potisne v smeri središča kroga. Torej, ta zemlja je tisto, kar povzroči, da ima avto pospešek. Če dobite kot in hitrost avtomobila ravno desno, vam ne potrebujejo trenja, ki bi jo lahko obrnili. Ni važno, ali je cesta mokra, ledena ali suha – se lahko še vedno obrne s prečkano cesto.

Ukvarjanje s pospešenim referenčnim okvirom

V fiziki imamo ta model sile-gibanja. Piše, da je neto sila na objektu enaka produktu mase in pospeška. Toda kaj je sila? Sila je interakcija med dvema predmetoma, kot je npr. Pri pritisku na steno ali kadar ima Zemlja gravitacijsko interakcijo z Luno. Vendar pa obstaja ena stvar o tej ideji – deluje le, če si ogledate stvari iz ne-pospeševalnega referenčnega okvira (inercialnega referenčnega okvira).

Kaj ima to storiti s Star Wars ali obračanjem avtomobilov? Predvidevam, da ste v avtu in ta avto zavije. Recimo, da avto zavije levo in sedite na sovoznikovem sedežu. Kako se počutiš? Zdi se, kot da se potisnete v vrata, kajne? To je nekaj nevidne sile iz tega roka, razen tega, da ni. Nobene sile vas ne potisne stran od zavoja. Namesto tega, to je stran avtomobila, ki vas potisne na zavoj. Ker pa ste v avtu in avto pospešuje, ste se postavili v pospeševalni referenčni okvir in model sile ne more delovati.

Tukaj uporabljamo lažne sile. Če želite vzeti pospeševalni referenčni okvir in narediti, da deluje kot ne-pospeševalni okvir, morate vključiti lažne sile. Te lažne sile so v nasprotni smeri pospeševanja okvirja in jih naredijo tako, da model sile deluje ponovno. Torej, to je lažna sila, ki te potisne v vrata avtomobila med zavojem. Nekateri ga imenujejo "centrifugalna sila" – in to je v redu, dokler se spomnite, da to ni resnično.

Nazaj do avtomobilov na ravnem in zaviti. Dajmo nekaj v avto – nekaj nejasnih kocke, ki visi iz ogledala. Ko se avtomobil obrne, bodo na tej mehki kocki trije sili (v referenčnem okvirju pospeševalnega avtomobila). V avtomobilu na ravnem obratu bo sila navzdol od gravitacije in vodoravna sila iz lažne sile, ki potisne proč od središča kroga. Če želite, da vse sile dosežejo nič, mora vrvica, ki drži kocke, potegniti pod kotom.

Kaj pa kocke v avtomobilu na zakrivljeni krivini? Še vedno je lažna sila, ki potisne stran od središča kroga. Ker pa je avto nagnjen, gravitacijska sila ni "naravnost navzdol" (glede na vozilo). To pomeni, da lažna sila lahko prekliče bočni del gravitacije in kocke visi "naravnost navzdol". Morda bo ta diagram pomagal.

Rhett Allain

Upoštevajte, da sta viseča kocka v obeh avtomobilih enaka – to je samo orientacija avtomobila, ki je drugačna. Z vidika zavihanega vrtljivega avtomobila se zdi isto, kot da je gravitacija potegnila "navzdol", a le malo težje. Ni sile "bočno".

Obstaja še en način razmišljanja o notranjosti vrtljivega avtomobila z uporabo načela ekvivalence. Albert Einstien je dejal, da se pospešen referenčni okvir ne razlikuje od gravitacijskega polja. To pomeni, da je to, če ste v škatli brez oken in občutite svojo težo, to lahko posledica gravitacijske sile ALI ker se polje pospešuje.

S to idejo je notranjost vrtljivega vozila enako gravitacijskemu polju, ki je vsota zemeljskega gravitacijskega polja in lažnega polja od pospeševanja. Avtomobil, ki se vrti na ravno cesto, ima neto ekvivalentno polje, ki je diagonalno na tla, tako da se stvari potisnejo na zunanjo stran obrata. Avtomobil na zaviti smeri ima enakovredno gravitacijsko polje, usmerjeno naravnost proti tleh, tako da se ne premaknete na stran, le počutite nekoliko težje.

Han prihrani Chewbacco na strugi

Končno smo prišli na prizorišče Solo: Zgodba o zvezdnih vojnah. V tem delu filma je v bistvu rop vlaka. Ampak počakaj! Ta vlak je na dvignjenem tiru in še bolje, se naslanja na progah ob zavojih. Han in Chewie sta med vožnjo na vlaku, vendar je že prepozno. Prišli so vojaki nevihte. Pripravljeni so nevihta. Imajo magnetne čevlje, tako da ne bodo padle z obračalnega vlaka. Chewbacca ni pripravljen. Skoraj je padel, vendar je njegov BFF tam, da ga reši (BFF pomeni najboljšega prijatelja za vedno).

Tukaj je moja umetniška izročitev tega prizora.

Rhett Allain

Sedaj vidite problem, kajne? Če so na obratnem vlaku, ki je na zavihanem zavijanju, bi bilo "navzdol" v smeri proti tlemu vlaka, ne pa navzdol. Hanu sploh ni treba rešiti Chewie-fizike ga lahko rešijo. Oh, in nevihte vojaki sploh ne potrebujejo magnetnih čevljev.

Če je bil vlak na ravni in zavijte, potem bi se Chewbacca lahko spuščala in nevihta bi potrebovali magnetne čevlje. Ampak ne za zavoj. V redu, vem, kaj govoriš. Ja, res je mogoče, da je vlak na progi, ki ni zasnovana za to hitrost. Če je vlak potekal prepočasno, potem da – prizor je ravno pravilen.

Ne razumi me narobe, še vedno mi je všeč film. Prav tako mi je všeč tudi fizika.


Več velikih WIRED zgodbe