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这是一个喷水背包... 但不,那 不是我。这 是我。
比看上去的难,好吗?但我们在懂它原理 之前,我们得先讲一下火箭的科学。
火箭科学是世上最难的学科之一,但基本
的原理却很简单。就是 牛顿第三定律:所有力都是成对出现的,
相互作用力大小相等,方向相反。
为了展示这个原理,我用了一个灭火器 和滑板。二氧化碳从
灭火器中喷出时,它会给我施加 一个向前的力,使我
向前加速。
或至少理论上是这样的。
如果你观察得够仔细,你可以看到 我发现这是一个失误的实验的准确时间。
这里的问题在哪儿呢?二氧化碳给我施加的力等于
灭火器喷出二氧化碳的质量, 我们把它为方便起见叫做m点,
乘以二氧化碳喷出的速率。 所以在这个实验中二氧化碳
喷出的速率不够大,所以总力没有 我与地面的很小的摩擦力大,
因此无法使我加速。但这个真的是像网上 有的很多视频一样,是可行的。
当一个火箭起飞时,喷气 速度高达3至4千米/秒,喷出
9000千克每秒的气体。这制造的 力为30,000,000牛或相当于
200万个普通灭火器。
现在想象一下你是一个宇航员, 在火箭中等待发射。你将
不会竖直的坐在船上,而回水平坐着, 与加速度方向垂直。
这是因为人体和一个 水球很像,水球里的水代表
人体里的血,球表面代表人体内 更坚硬的地方,比如说你的骨架。
现在,如果你向上加速的特别快, 你的骨架会加速,
但你的血液想留在它原来的位置。 这会造成人体内血液都
积在你的脚里。既然没有足够 的氧气会到达你的大脑,你会两眼发黑的。
但战斗机飞行员在向下加速太快时 会面临一个可以说更糟糕的情况。
因为在此情况下所有血液都会涌向他们的头部, 他们会遭受“红出”,这时,
血液会从他们的眼睛、 鼻子、嘴巴和耳朵中流出。
好了,回到宇航员。既然你是躺着的, 最糟糕的的情况血液只不过会到你身体以及头部
的后部。这样你的大脑还是会有足够 的氧,使你能够保持意识。
火箭起飞开始加速时, 加速度起初
是一个很合理的5到8米/秒²:这比一个
在地球表面的自由落体加速度还要小。 但随着火箭继续
燃油,火箭的质量下降,但喷气 速度基本保持一致。牛顿第二定律
说物体加速度等于物体所受合外力
除以物体的质量。所以当质量下降时, 物体加速度增加。这加速度还是以
加速的速率增加的。加速度快到在火箭燃尽油时,推力
必须得被限制,为了防止火箭加速超过3g。
这是3倍有地球引力造成的加速度, 或者说30米/秒²。
g力这个词是为了人们更方便的 了解宇航员所承受的力而创造的:
用我们日常生活中承受的 力的倍数。现在你所受力为
1g,如果你现在坐着, 就在你屁股上。你真能感受的到那个力吗?
但以3g的加速度加速,你会感受到 三倍的1g。也就是说你跟你的
椅子间作用力相当于你有两个你叠在了你上方。
(嘿,下面的安静点行么?)
(你们真重呀。) (天啊)
你记得当飞机起飞时你感觉你被挤到椅子里
的感觉吗?其实是椅子挤向你。 但如果你能想象那种感觉
乘以20,那就是火箭起飞时 里面宇航员的感觉。
一个比较有趣的小知识是 我们想象中一个火箭的加速度主要
是在竖直方向上的,因为这是我们所看到的 它起飞时的样子。这其实是不对的。
当一个火箭离开大气层较厚的 地方时,它会渐渐的转向水平加速,
一直加速到它28000千米每小时的 轨道速度。所以火箭加速,
至少在轨道上的加速,大多是水平的。
这跟喷水背包有什么关系呢?不像 火箭,你不用带着你自己的推进剂。
同时,这也不存在任何的化学反应推动火箭。
不,其实是摩托艇从河中抽出水, 让后以60升每秒的速度打上那根软管。
--然后就在这些弯管口这里,
水的方向改变了。水从向上 的速度变为了向下的速度,这
里动量的变化其实是推动喷水包向上的力。
因为喷水背包给水了一个向下的力, 根据牛顿第三定律,水
会给喷水背包一个向上的力。 这个力的大小为1800牛,或
说大约150个普通灭火器可以施加的力。
这可以使我加速到1.5g。
你用你的手控制方向。 双手向上抬就向上飞,加速时
手向下打,最后,拐弯时假装你在
平缓的打一个很大的方向盘。
一件你不想做的事是在空中 解释喷水背包的物理原理。
这是我试着在空中解释发生的事:...
当你还在学习时,你的背包喷水的推力是由 你的导师控制的。所以如果他看到你干
傻事时他会直接把水关掉, 将你放入河中,为了避免
你受伤。
这在一般情况下是好主意, 除非你正在与摩托艇相撞的过程中...
我被撞的挺惨,但至少 我的牙齿都幸存下来了。
当水的推力等于我的重力加上 水管里的水的重力时,我就
可以悬停在空中或匀速运动。 一个常见的误解是你需要
一点不平衡力才能 匀速运动:事实上如果力
真的是平衡的,你会以你所具有的匀速运动。
另外还有一个常见的误解是火箭 里的水需要“推”一个东西才能工作,
比如说大气层。事实上,水“推”的东西 是弯管,所以就算
没有周边的气体,一个喷水背包 仍然能工作,因为背包是在“推”从弯管口里
出来的水。
如果你想去体验一下喷水背包,我建议你 慢一点来。最糟糕的事是
你过度补牢了,我认为这是一个人人都会做出的反应。
因为你的身体是在感应你所在的位置以及你的速率, 你的身体不会感知的到你的加速度。
这才是你真正可以控制的东西。
所以哪怕你正在以很快的 速率掉向水中,你的速率可能是在减小的,
所以你可能没问题并且不用做任何调整。 你必须得相信
背包会带你走出任何危险的。
真的是一个很强的经验,感觉的到 水在你旁边流过的力量。
这真是我离飞行最近的时候了。 这就是物理的力量。
(很多人可能不知道我有第二个频道)
(叫做2 Veritasium。我最近在上面发表的视频增多了,所以如果你想)
(看看这个频道的话请点这里或看说明中的链接)
(如果你想下载一个Veritasium视频,可以通过这个链接)
(上ITunes上下载,这是Science Alert给我提供的一个服务,)
(他们有最好的Facebook页面之一,所以如果你想看看他们的话请点这里)
好了,谢谢观看!