「賈諾·斯米茨」與人類真正飛行的物理學 「賈諾·斯米茨」與人類真正飛行的物理學

「賈諾·斯米茨」與人類真正飛行的物理學

「賈諾·斯米茨」與人類真正飛行的物理學

人像鳥一樣飛翔的概念具有普世且持久的吸引力,因此“Jarno Smeets”的“人鳥翅膀”視頻在幾天內迅速走紅也就不足為奇了。然而,如今這段影片已被證實是一場精心策劃了八個月的騙局,我們的夢想也隨之破滅。現在,讓我們來分析一下影片中一個科學上的疑點,這個疑點一旦深入探究,便會徹底推翻整個奇幻的前提:速度問題。觀看影片:當他離地時,速度其實並不快,所以看起來不太對勁。讓我們來分析一下。

歸根結底,問題在於:我們在影片中看到的現象必須遵循基本的物理定律才能成立。而了解這些基本定律,就能讓我們揭穿整個騙局。在評估模擬鳥類飛行的嘗試時,將鳥類飛行的物理規律應用於分析顯然是合乎邏輯的。

在模擬鳥類飛行時,我們可以確定作用於該系統的四個相關力:向下作用的重力(重量),它被向上的升力抵消;抑制向前運動的空氣阻力;以及向前的推力(或推進力)。

讓我們重點討論升力的概念。這就引出了關鍵點:根據牛頓第二定律,為了向上加速,升力必須大於重力。 (一旦飛行起來,為了保持高度,升力必須等於重力。)

從數學角度來看:

Fnet = lift - weight = ma lift > weight

這意味著,對於一隻重量為 1 牛頓(0.225 磅)的鳥來說,它必須能夠產生至少 1 牛頓的向上升力。

如果一個體重為 800 牛頓的人連接到另一個(估計)重 300 牛頓的設備上,那麼我們需要至少 1100 牛頓的提升力。

問題是:根據影片中的內容,這是否可行?

答案:否。

像鳥兒一樣飛翔 | 第 14/14 部分

以影片中的動作作為數據,然後應用一些基本的物理和空氣動力學原理,我們可以看出這根本不可能。

為了說明這一點,讓我們來看看鳥類(以及飛機)是如何產生升力的。簡單來說,當機翼在流體中移動時,機翼的形狀和迎角共同作用,在機翼上下表面之間產生壓力差,從而產生向上的升力。 (迎角是指機翼相對於來流方向的夾角。)雖然其細節遠比通常用伯努利方程式描述氣流流過曲面機翼,或者用牛頓第三定律描述來流空氣與機翼之間的升力要復雜得多,但這兩個原理都與升力的完整解釋密切相關。

鳥類要產生升力,就必須向前滑行,使空氣流過翅膀。雖然鳥類像飛機一樣拍打翅膀而不是保持靜止,但鳥類的大部分升力並非來自向下拍打翅膀,而是來自翅膀向前滑翔的運動。鳥類向前移動的速度越快,產生的升力就越大。

估算機翼表面升力的一種方法是使用以下公式:

L = ½ ρ CA v2

其中 L 為升力,ρ 為流體(本例為空氣)的密度,C 為給定迎角下的升力係數(通常以實驗測量),A 為機翼的表面積,v 為機翼相對於來流空氣的速度。

讓我們把這個方程式應用到我們人類的「鳥翼」上,看看會得到什麼結果。我們將做出以下估算。根據一張翅膀的靜止照片,我估計其表面積為7平方公尺。海平面空氣密度約1.25公斤/立方公尺。我們可以查閱鳥類飛行研究,發現鳥類的最大升力係數通常在0.8到1.2之間。我們不妨大膽一些,將翅膀的升力係數設為1.2。最後,我們也要考慮速度對升力的關鍵影響。在「鳥翼」網站上,虛構人物亞諾·斯米茨聲稱飛行了大約100公尺。我計時了影片片段,並儘量考慮到剪輯等因素,估計飛行時間為25秒,這對應的速度為…

V = d/t = 100 m/25 s = 4 m/s

將以上所有數值代入上述公式,即可得出升力為(請擊鼓):

L = 84 N, or a whopping 19 pounds.

哎呀。

為了好玩,我們反過來計算一下,他需要以多快的速度運動才能產生 1100 牛頓的升力。解得 v:

V = 14.5 m/s or 32 miles per hour

值得注意的是,CGI藝術家弗洛里斯·卡伊克(Floris Kaayk,又名亞諾·斯米茨Jarno Smeets)為此投入了大量時間和精力。除了每週在部落格上「記錄」他幾個月來「人造鳥翼」的製作過程外,卡伊克還不遺餘力地展示了他那對仿製機械翅膀如何模仿鳥類的翅膀運動。他含蓄地承認了人類手臂肌肉遠不足以完成這項任務,並用他那令人驚嘆的控制系統吸引了我們的注意——據說該系統使用Wii控制器遠程同步他的手臂動作和電機運動。最後,儘管影片製作的某些方面存在疑點(正如一些娛樂媒體專家指出的那樣),但他的演技相當出色,在「飛行」之後,他看起來和表現得都非常興奮。

雖然我們的直覺可能並不總是正確的,就像這次一樣,但面對越來越多像這樣經過巧妙剪輯的視頻,並運用一些基本的物理學知識來追尋線索,我們就能朝著確定這個越來越相關的問題邁出一大步:它是真的還是假的?