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为什么有人能够飞檐走壁,这里有一份科学指南

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为什么有人能够飞檐走壁,这里有一份科学指南

学好数理化,飞檐走壁都不怕。

图片来源:SLINGSHOT/GETTY IMAGES

上面这个极限视频锦集中,有个小哥好像找到了一种迷之方法,能在两面墙之间飞来飞去。也不是真的“莫名其妙”,这个行为可以用物理原理解释:动量定理和摩擦。我们每个人都能做到吗?那也不是,但最起码你可以在数学上搞定它。

了解这一动作的第一个关键是动量定理,动量是物体质量和速度的乘积。动量定理告诉我们,如果想要改变物体的动量,需有力作用在物体之上。这可以用下面的方程式来描述,符号“p”代表动量。

举个更直观的例子,拿起手边的铅笔或者球或者三明治,之后放手。当这个物体离开你的手时,就只有一个作用力了——重力。重力对这个物体做了什么呢?它在力的方向上改变了物体的动量。0.1秒后,物体的动量改为向下的方向,这意味着它加速下降(因为质量是守恒的)。接下来的0.1秒,物体下降的速度会更快。它会不断加速,直到另一支力量作用于它(地板)。别担心,你可以试着在它落地前接住它,这样你就没有损失了。

飞檐走壁的第二关键点是摩擦。摩擦力是两个表面相互接触摩擦产生的力。这种力有个非常可靠的模式,我们可以说摩擦力的方向平行于接触面,力的大小与两个表面摩擦的推动力成正比。这可以被建模为以下等式:

这一表达式表达的是两个表面之间的最大摩擦力。在方程中μs是静态摩擦系数,它依赖于两种材料的相互作用,N是把两个表面推到一起的力(我们称它为法向力)。

所以你能看出,想要飞檐走壁,摩擦力是必须的。但是你很难跑上一面垂直的墙,因为你的脚和墙之间没有(或者只有很少的)法向力。没有法向力,就没有摩擦力。糟糕,你摔下来了。

现在说说那个视频。那位小哥可以先往墙上冲,之后从墙上移开。这意味着动量的改变(因为方向变了),从而产生了改变这一动量的力。在这个案例中,力是从墙上来的。问题在于你能停留在这面墙上的时间很短,很快你就得离开这面墙,失去和它的作用。这个案例成功的关键就是另外一堵墙,这样跑步者可以在两面墙之间切换并重复移动。

这有一个图解,应该会有所帮助。

如果我能估计动量的变化和在墙与墙之间移动的时间间隔,我就能计算出墙上的力和所需的摩擦力。开算吧。

做这个分析为需要知道挑战者在每个阶段大概的位置,我可以用视频分析完成这一步。我对墙和他的大小做了一个估计,我觉得估计一个大概的摩擦力应该没问题。相机在这个过程中出现了移动和缩放,但我可以用一些软件来纠正,大概是这个样子。

但这还不是我想要的,我想看动量的变化。让我们一起关注爬墙过程中x的变化。

从这张位置-时间图的斜率来看,我可以看到与墙碰撞之前,x轴的数值是1.39米/秒。碰撞后x的数值是-2.23米/秒。如果假设人的重量是75公斤,x-动量的变化是-271.5kg*m/s。从这张表中还能看到碰撞的间隔是0.2秒,x动量的变化被时间间隔分割,平均的x力是1357.5牛顿(在负方向)。对于英国人来说,这大概是305磅的力量。是的,很大力,但只是很短时间。

这一力的方向和脚推动墙产生的法向力一样,用上面的摩擦力公式我可以解决摩擦系数,因为摩擦的大小是重量(75kg x 9.8N/kg = 735N)。这意味着最小摩擦系数是0.54(这个系数没有单位)。这个系数合理,和了橡胶的混凝土的摩擦系数在0.6到0.85之间,这是完全合理的。

不过我不建议你尝试任何“似乎可行”的极限运动,这需要长时间的训练才能从“可行”走向“可能”。

(翻译:李君翔)

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图片来源:SLINGSHOT/GETTY IMAGES

上面这个极限视频锦集中,有个小哥好像找到了一种迷之方法,能在两面墙之间飞来飞去。也不是真的“莫名其妙”,这个行为可以用物理原理解释:动量定理和摩擦。我们每个人都能做到吗?那也不是,但最起码你可以在数学上搞定它。

了解这一动作的第一个关键是动量定理,动量是物体质量和速度的乘积。动量定理告诉我们,如果想要改变物体的动量,需有力作用在物体之上。这可以用下面的方程式来描述,符号“p”代表动量。

举个更直观的例子,拿起手边的铅笔或者球或者三明治,之后放手。当这个物体离开你的手时,就只有一个作用力了——重力。重力对这个物体做了什么呢?它在力的方向上改变了物体的动量。0.1秒后,物体的动量改为向下的方向,这意味着它加速下降(因为质量是守恒的)。接下来的0.1秒,物体下降的速度会更快。它会不断加速,直到另一支力量作用于它(地板)。别担心,你可以试着在它落地前接住它,这样你就没有损失了。

飞檐走壁的第二关键点是摩擦。摩擦力是两个表面相互接触摩擦产生的力。这种力有个非常可靠的模式,我们可以说摩擦力的方向平行于接触面,力的大小与两个表面摩擦的推动力成正比。这可以被建模为以下等式:

这一表达式表达的是两个表面之间的最大摩擦力。在方程中μs是静态摩擦系数,它依赖于两种材料的相互作用,N是把两个表面推到一起的力(我们称它为法向力)。

所以你能看出,想要飞檐走壁,摩擦力是必须的。但是你很难跑上一面垂直的墙,因为你的脚和墙之间没有(或者只有很少的)法向力。没有法向力,就没有摩擦力。糟糕,你摔下来了。

现在说说那个视频。那位小哥可以先往墙上冲,之后从墙上移开。这意味着动量的改变(因为方向变了),从而产生了改变这一动量的力。在这个案例中,力是从墙上来的。问题在于你能停留在这面墙上的时间很短,很快你就得离开这面墙,失去和它的作用。这个案例成功的关键就是另外一堵墙,这样跑步者可以在两面墙之间切换并重复移动。

这有一个图解,应该会有所帮助。

如果我能估计动量的变化和在墙与墙之间移动的时间间隔,我就能计算出墙上的力和所需的摩擦力。开算吧。

做这个分析为需要知道挑战者在每个阶段大概的位置,我可以用视频分析完成这一步。我对墙和他的大小做了一个估计,我觉得估计一个大概的摩擦力应该没问题。相机在这个过程中出现了移动和缩放,但我可以用一些软件来纠正,大概是这个样子。

但这还不是我想要的,我想看动量的变化。让我们一起关注爬墙过程中x的变化。

从这张位置-时间图的斜率来看,我可以看到与墙碰撞之前,x轴的数值是1.39米/秒。碰撞后x的数值是-2.23米/秒。如果假设人的重量是75公斤,x-动量的变化是-271.5kg*m/s。从这张表中还能看到碰撞的间隔是0.2秒,x动量的变化被时间间隔分割,平均的x力是1357.5牛顿(在负方向)。对于英国人来说,这大概是305磅的力量。是的,很大力,但只是很短时间。

这一力的方向和脚推动墙产生的法向力一样,用上面的摩擦力公式我可以解决摩擦系数,因为摩擦的大小是重量(75kg x 9.8N/kg = 735N)。这意味着最小摩擦系数是0.54(这个系数没有单位)。这个系数合理,和了橡胶的混凝土的摩擦系数在0.6到0.85之间,这是完全合理的。

不过我不建议你尝试任何“似乎可行”的极限运动,这需要长时间的训练才能从“可行”走向“可能”。

(翻译:李君翔)

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