在前传1中,蝙蝠侠拥有一件非常高端的通电就可以硬起来的“记忆布”飞翼吗?正是这个飞翼使得他可以从高楼上跳下做出标志性的滑翔动作。 实际上这种滑翔前行的原理,就是依靠飞翼的空气阻力创造一个水平推力推动其前行。问题是,蝙蝠侠的飞翼真的可以产生出足够的力让他滑翔成功吗?从几百米高的楼顶跳下来那可不是闹着玩的,这回在蝙蝠侠出门维护正义前,英国莱斯特大学物理系的本科生们就先做了一番理论计算。 滑翔中的受力情况 首先让我们看一下在空中的蝙蝠侠的状态,下图显示了蝙蝠侠滑翔过程中的受力情况: 其中v是速度,其箭头表示了当前蝙蝠侠的飞行方向,与水平方向夹角为θ。L和D分别为升力和阻力。根据相关的物理知识,可以知道升力和阻力的计算公式分别为: 其中CL和CD分别为升力系数和阻力系数,如果假设蝙蝠侠飞行时身体与前进方向的角度始终相同,如下图,那么在这个问题中这两个系数保持常数;ρ是空气密度,A是飞翼的面积。 于是,蝙蝠侠身上的水平竖直方向的受力为: 有了蝙蝠侠的受力情况,我们就可以计算其加速度。为了计算方便,这里用速度的分量式取代掉θ:vx=vsinθ;vy=vcosθ,则加速度的表达式就可以写为: 蝙蝠侠的滑翔轨迹 经过一推不大不小的推算,得到加速度的表达式后,我们就可以迭代地计算蝙蝠侠的滑翔轨迹了。首先设定一个给定的非常小的时间步长Δt,在某一个时刻的速度vx、vy已知之后,就可以计算出其加速度ax、ay,然后近似地可以把axΔt、ayΔt加到这一时刻的速度上,来作为下一时刻的速度。 另一方面,把速度乘以时间步长Δt加到这一时刻的位置上,来作为下一时刻蝙蝠侠的位置。不断地进行迭代,就可以近似地得到完整的滑翔轨迹。 说到这里,我们已经有了完整的计算方法。剩下的只要查找出参数并代入计算就可以了。下图是电影中的一副剧照,飞翼和蝙蝠侠(顶部)构成一个等腰三角形,这个等腰三角形的高大约是蝙蝠侠身高(1.88m)的一半,据此可以估计出滑翔时蝙蝠侠的飞翼的面积约为A=2.20m2。 查找资料可知,室温下通常海拔高度的空气密度为ρ=1.20kg?m-3。电影中曾有交代,蝙蝠侠韦恩的质量是m=95kg(壮汉哦),穿齐装备的蝙蝠侠真的很像一只蝙蝠,所以这里可以近似使用鸟的阻力系数值,即CD≈0.4。至于升力系数,不妨近似使用平面机翼的数据,也就是CL≈1.45,要说的是,实际中升力系数CL应该比这个值要小,因为这个值是针对机翼的,已经被相当地优化过。时间步长设定为Δt=0.02s比较合理。至于初速度,电影中蝙蝠侠跳下的瞬间并没有加速过程,定为0。 将这一系列数据代入后计算结果就出来了。下图显示了在40s内蝙蝠侠的滑翔轨迹和速度变化曲线: 可以看出,即便是在用了较大的升力系数CL的情况下,蝙蝠侠依然降落的非常快。如果蝙蝠侠从一个合理的高度,比如说m的大楼顶端开始滑翔,他大约能滑行到m远的地方,这个距离倒基本足够蝙蝠侠发挥了。然而问题在于他落地时的速度——滑翔后的蝙蝠侠速度先是很快地上升到km/h这一最大值,然后稳定在80km/h左右。在这么高的速度上,任何碰撞都是很严重的甚至致命的,只要想象一下一个如此速度的车撞到你的感受就可以了。 也就是说,飞起来很拉风着陆很困难,如果没有任何保护措施地直接落地,那基本意味着要摔死。当然,滑翔翼要是能制作得再大一点,情况又会好转不少。总的来说,蝙蝠侠的飞翼算不上一个安全交通工具,即便电影里布鲁斯·韦恩异常强壮并且身着神装,稍有不慎依然容易摔得五颜六色。除非他使用一些快速减速的方法,例如降落伞,安全性才能有所保证。这样一来蝙蝠侠拉风程度要打打折扣了,不过谁知道呢?或许蝙蝠侠除了怕狗咬,其他压根不在乎。 文章来源:果壳网 ?全国白癜风治疗专家简介?白癜风治疗时间和过程欢迎转载,转载请注明原文网址:http://www.xc99love.com/hxzb/1728.html |