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发布时间: 2018-12-24 18:44 作者: admin     
    

FLL【科幻物理】物理受力分析:《星球大战》中爆

  原标题:【科幻物理】物理受力分析:《星球大战》中爆能枪打出的子弹有多重?

  我们都知道,《星球大战》里面的武器用的不是激光。因为如果是激光的话,我们就很难从侧面看到光束,而且更重要的是,激光会以光速传播。那么,从爆能枪里面打出来的到底是什么东西呢?我称它们为“爆能弹”。我之前算过,它们的速度大致为35米/秒。

  不过,爆能弹的质量又是多少呢?在《星球大战:原力觉醒》中,我们可以发现汉·索罗(Han Solo)一枪打飞了一个风暴兵。当然,汉完全可能在打其他东西,不过我们就当他是在打风暴兵好了。

  你有发现那个风暴兵是怎样被打飞的吗?我们可以利用它来了解爆能弹哟——特别是,用它来确定爆能弹的质量。

  既然爆能弹和风暴兵在相互作用,爆能弹打风暴兵的力和风暴兵打爆能弹的力是一对相互作用力。根据动量定理,物体所受的外力会改变它的动量:

  上面的公式里,动量(我们用p表示)是质量和速度的乘积,这意味着爆能弹和风暴兵的动量会因为他们的相互作用而发生改变。由于一对相互作用力的方向相反,所以它们的动量变化方向会相反。我们也可以说它们的动量之和在撞击前后不变。又因为这个撞击的过程只发生在一个维度上(水平方向),且风暴兵的初速度为0,根据动量守恒我们可以得出:

  在上面的式子里,我假设了爆能弹撞上风暴兵后留在了他的身上,所以它的末速度和风暴兵的相同。最后解上面的式子,得出爆能弹的质量为:

  现在,我只需要找出风暴兵的质量(ms),爆能弹的初速度(vb)和风暴兵的末速度(vs)就行了。

  通常到了分析这个环节,我会直接出大招,拿出跟踪视频分析,找出风暴兵被打飞时的位置-时间变化数据。可是,这次就没有那么简单了——风暴兵是从镜头前沿对角线方向飞走的,我们很难确定他水平方向上的位置。

  不过,这段视频还是能告诉我一件事:时间。标出风暴兵竖直方向上随时间变化的位置,我至少可以估计出风暴兵被打飞在空中的时间。

  从这幅图中,我们可以发现风暴兵在空中停留了大约0.835秒。如果我知道在此期间风暴兵飞了多远的话,我就可以大致算出他的速度了——这就只能猜了。

  我看他的飞行距离至少有一人高,不妨就估计他飞了大概1.7米到2.3米吧。不过在这里我没有算进他竖直方向上的速度(我们之后可以讨论把它算上的情况)。利用这些数据,我们可以算出风暴兵被打飞后的速度是2.0米/秒到2.8米/秒。

  我还需要最后一个估计——风暴兵的质量。假设他是个正常人类,他的质量就大概是75千克。至于爆能弹的速度,因为视频给出的数据不足以让我算出来,所以我就用我在另一篇文章里算出的平均值,35米/秒好了。把上面得出的三个数值代到动量守恒的式子里,我算出爆能弹的质量在4.5千克到6.5千克之间,甚至更大。如果我将风暴兵被打飞时竖直方向上的速度也考虑到计算中,爆能弹的速度还得更大些才行。

  不满意这个结果?我懂的。如果我把爆能弹的速度翻倍呢?那样的话,就可以求出爆能弹的质量至少也有2.2千克。让我们来拿这个结果和现代子弹的质量比较一下,例如像50口径子弹,质量大约是50克。根据流言终结者的数据显示,50口径子弹根本就没有足够的动量去撂倒一个人。

  爆能弹的质量是从哪里来的?枪里的弹药?如果是的话,考虑到这件武器有大概二十发这样的子弹,它就会非常重。事实上,20发子弹的质量大概就和一个人差不多。试想一下带着一把跟一人重的武器到处跑的样子。

  再者,爆能弹的密度又是多少呢?我猜你可以估计出爆能弹的直径和长度——它大致是个圆柱体。根据这些估计值和爆能弹的质量,你就可以算出它的密度了。为什么你要花时间去算个?不知道耶——为什么我要花时间估计爆能弹的质量?就因为我能呗。

  万一这些质量并不是作为弹药被存在枪里的,那这些武器是怎么工作的?如果说这些武器有足够的能量来制造正负电子对(物质与反物质)呢,行不行得通呢?或者,有没有可能是子弹在被发射到击中目标的过程中从空气里积累质量呢?我也说不准耶。

  或许,这说明了汉不是个普通人。实际上,汉可能是一个绝地武士然后他用了原力来打翻风暴兵……

  另一个槽点在于,风暴兵的铠甲看起来不怎么能抵挡爆能弹,那么风暴兵穿它有什么鬼用?

  最后一点,也是很重要的一点:如果汉射了一发有着这般质量和速度的子弹,他也会受到同打飞风暴兵的力同样大小的力,也就是说射出子弹后,他也会被击飞……

  对BB-8的兴趣大于爆能枪?那就发个福利说说BB-8。下面是BB-8在千年隼号里的视频片段,里面有它的完整运动过程。你们看到的图根据拍摄时摄像机的运动进行了修正。

  利用BB-8的尺寸,我给视频画出了比例尺,并得到了下面这个竖直方向上的运动图(以千年隼号为参考系):

  从这个片段,我们可以算出BB-8所在的那个地方的重力加速度。由于BB-8不是一个质点,要得到它(他或她)下落的完美运动图并不容易。在这幅图里,我画了BB-8头部和身体的运动曲线。你可以从中看出,BB-8的加速度是11.66米/秒2(这可以通过比较曲线的拟合公式和运动方程得出),而这个加速度和地球表面的自由落体加速度(9.8米/秒2)非常接近。事实上,如果你以BB-8的实际质心为研究对象的话,你应该会得到一个更准确的运动曲线(和更接近的加速度)。

  这意味着什么呢?我想,这说明这段视频很有可能不是CGI动画制作而成的——翻滚的千年隼号模型里线模型。我不怎么了解CGI技术,也不了解电影的制作,所以不能保证这真的不是CGI动画,不过至少有这个可能性。