Beklager, Sandra Bullock: En brandslukker er en elendig thruster


Antag at du er en astronaut ud i rummet. Du har intet med dig, undtagen din wits og … en ildslukker? Hvorfor en brandslukker? Fordi det er hvad Sandra Bullocks karakter har i filmen Tyngdekraft. Fordi en ildslukker skyder ud gas (normalt for at slukke en ild), kan den også bruges til at producere tryk og hjælpe dig med at manøvrere i rummet. Men ville det virkelig fungere? Det er, hvad MythBusters, for hvem jeg er en videnskabskonsulent, satte op til at teste i en nylig episode.

MythBusters begyndte ved at forsøge at skabe en lignende situation på Jordens overflade. De brugte en bladblæser til at danne en person-svæverfly (det er ikke for svært at bygge en selv). De lod det løsne på en skøjtebane, hvilket stort set eliminerede friktionskraften. Derefter brugte de en ildslukker til tryk og forsøgte at manøvrere rundt på isen.

Det viste sig, at ildslukkeren ikke var så stor til styring af svæveflyets bevægelse. Ingen kunne undgå hindringerne på isen. Problemerne med brandslukningsmotoren er to gange: For det første skubber den ikke hårdt på svæveflyet. Så du ville have brug for at generere stød i lang tid for at få en mærkbar ændring i bevægelse. For det andet ændrer vejstyrken bevægelsen af ​​et objekt, er ikke i overensstemmelse med vores grundlæggende intuitioner om kraft. Det er denne anden del, der gør det svært at flyve en brandslukker i rummet.

Vi kan få en god model for, hvordan styrker gør ting bevæger sig ved at gennemgå hele dit liv. Ja, lad os gøre det lige nu. For næsten alle begivenheder, som du har observeret, synes kræfter at adlyde følgende regel:

Hvis du skubber noget, bevæger den sig i retning af push. Hvis du holder op med at trykke på den, stopper den med at flytte.

Den kraftmodel ser ud til at fungere næsten hele tiden. En sag hvor det ikke virker, er med svæverfly på isen. I dette tilfælde er svæverflyet givet et skub for at få det til at bevæge sig. Derefter stopper personen med at skubbe – men svæveflyet SKAL bare flytte! Jeg tror ærligt, derfor er mennesker som is. Ting på is følger ikke vores normale kraftmodeller.

Da denne model af "force equals motion" ikke virker på is, er det helt klart ikke den bedste model. Her kan jeg beskrive en bedre kraftmodel med tre gifs.

En konstant fremadstyrke

Lad os tage en lavfriktionsfri (næsten friktionsfri) vogn og skubbe med en konstant kraft. Her er hvad der sker.

Rhett Allain

Hvis du ikke kan fortælle, er vognen stigende i hastighed. Ærligt er det svært for mennesker at opdage ændringer i hastighed. Normalt bryder vi bare bevægelser ind i tre kategorier: Flytter ikke, langsomt, hurtigt. Men tro mig. Denne vogn er stigende i hastighed. Så hvis du trykker på et objekt med en kraft i samme retning som objektet bevæger sig, vil det fremskynde.

En konstant tilbagevendende kraft

Her er den samme vogn, men nu skyder fanen i modsat retning. Jeg skal give vognen et skub, og så sker det.

Rhett Allain

I dette tilfælde gør bagudstyrken vognen langsomt. Det sænker så meget, at det til sidst stopper. Når den er stoppet, begynder vognen at bevæge sig tilbage til højre og fremskynder – da det nu er en fremadrettet kraft.

En sideløbende kraft

Jeg kunne ikke gøre det med vognen, så jeg brugte en yo-yo i stedet. Her er en oversigt over en yo-yo, der bevæger sig i en cirkel.

Rhett Allain

Kraften på yo-yo er fra strengen, og den trækker altid i en retning vinkelret på yo-yo's bevægelse. Det betyder, at yo-yo konstant ændrer retning, selv om det for det meste bevæger sig med samme hastighed. Hvad sker der, når jeg slipper strengen? Med ikke mere sideløbende kraft går yo-yo tilbage til at bevæge sig i en lige linje med konstant hastighed (for det meste konstant).

Hvad har alle tre af disse sager til fælles? Kraften altid ændringer objektets bevægelse. Det gør det også hurtigere, sænke eller ændre retning. Selvfølgelig er dette en af ​​de grundlæggende modeller i fysikken – at den samlede kraft på et objekt er proportional med hastigheden for ændring af hastigheden.

Så hvorfor får mennesker det så galt? Vi er ikke så dårlige ved at lave modeller, men vi har svært ved at se friktion som en kraft. Da friktion er næsten overalt, tror vi, at skubbe med en konstant kraft gør noget til at bevæge sig konstant. Faktisk er der i dette tilfælde nul net kraft. Kraften af ​​dig skubber balancer ud fra friktionskraften til at gøre det i det væsentlige ingen kraft. Ingen kraft betyder ingen bevægelse. Men det skyldes stadig den altid-nuværende friktion.

Test din egen kraftmodel

Okay jeg forstår. Du kunne ikke være i gang, da MythBusters testede deres svævefly med ildslukkeren. Bare rolig, jeg kunne heller ikke være der. Men jeg har den næstbedste ting – en ildslukker simulator. Ja. Jeg lavede dette til dig.

Sådan fungerer det. Når du klikker på knappen Kør, begynder den store disk at flytte til højre. Der er en konstant kraft fra ildslukkeren, der skubber i pilens retning. Du kan bruge musen til at flytte den pil i hvilken retning du synes er den bedste. Nu kan du undgå den mur? Her er din chance.

Jeg tror jeg har nogle få kommentarer til dette program.

  • Husk, pilen er styrets retning. Det er ikke den retning, du vil pege i brandslukker.
  • Du kan se koden, hvis den gør dig glad. Advarsel: Jeg bliver forvirret, når du tilføjer knapper og mus interaktioner og ting.
  • Pause- og nulstillingsknapperne skal fungere.
  • Intet i koden forhindrer dig i at gå gennem væggen. Der er ingen væg, der er ingen ske. Det er bare der til dekorationer.
  • Nej, du kan ikke slukke for ildslukkeren. Den forbliver tændt i 20 sekunder.

Man kan se, at det ikke er umuligt at undgå muren, men det er heller ikke trivielt. Bare forestil dig, om svæverflyvningen også spredte. Dette ville være vanvittigt hårdt. Du kunne ændre svingekraftens rotationshastighed med en brandslukker, der ikke var rettet mod midten af ​​massen. Dette ville så udøve et eksternt drejningsmoment og en ekstern kraft. Kodning der ville være lidt vanskeligere, selvom jeg forlod den del.


Flere Great WIRED Stories