فيزياء الرجل العنكبوت بأجنحته العنكبوتية الجديدة



لن أكذب ، إنني أتطلع حقًا إلى فيلم Spider-Man: Homecoming [Spider-Man: Homecoming]. في هذه الأثناء ، سيكون المنفذ الوحيد بالنسبة لي هو القيام بفيزياء الرجل العنكبوت. وسأعتني بجناحه العنكبوتي الجديد الذي شوهد في المقطع الدعائي الأخير.

بالنسبة للمعجبين ، ألاحظ أن بعض القصص المصورة الأصلية عن الرجل العنكبوت أظهرت حقًا كيف يستخدمها ، على الرغم من أنه لم يستخدمها دائمًا للطيران.

التخطيط الفيزيائي


ماذا يحدث بعد أن قفز الرجل العنكبوت من مبنى؟ يمكنني محاكاة حركته بقبول أن ثلاث قوى تعمل عليه - الجاذبية ، ومقاومة الهواء ، والرفع. بإذنكم ، سأصف كل واحد منهم.

• الجاذبية - قوة نزولية ثابتة تتناسب مع كتلة الطوارئ (على الأقل على سطح الأرض).
• المقاومة. تخيل أنك تسحب شيئًا عبر بحر عملاق من كرات كرة الطاولة. استبدل الكرات بالهواء - وستكون هي نفسها تقريبًا. تزداد المقاومة مع السرعة.
• قوة الرفع. مرة أخرى ، تخيل التصادمات مع الكرات ، ولكن تلك التي بعدها ترتد الكرات. باستبدال الكرات بالهواء ، سوف تتلقى رفعًا اعتمادًا على زاوية الهجوم والسطح والسرعة.

هنا رسم جميل لقوى شخص يخطط لأجنحة الطوارئ. نعم ، بينما نمثلها بمثلث.

الصورة

في نموذجنا البسيط ، تكون قوة الرفع متعامدة على السرعة ، ويتم توجيه المقاومة في الاتجاه المعاكس. لمحاكاة حركة الطوارئ بالأجنحة ، أحتاج إلى صيغة لكليهما.

الصورة

هذه هي قيم القوى التي تهمنا. وهما متشابهان ، باستثناء C L (معامل الرفع) و C D (معامل السحب). في كلتا الحالتين ، ρ هي كثافة الهواء (1.2 كجم / م 3 ) ، و v هي السرعة.

ما هو A؟ هذه هي المنطقة المستعرضة للشخص (الطوارئ في حالتنا). من الناحية النظرية ، يجب أن تختلف المقاومة A وقوة الرفع ، اعتمادًا على زاوية الهجوم. لكنني لا أعرف دائمًا ما أفعله بالضبط - لهذا السبب راجعت مصادر مختلفة ، ومقال عام 2011 " مسار سقوط باتمان"من المجلة الفيزيائية Journal of Physics Special Topics. استخدم فيها المؤلفون نفس المنطقة للمقاومة والرفع ، لذلك سأفعل نفس الشيء.

نمذجة المسار


إذا قفزت حالة الطوارئ من مبنى ، إلى أي مدى يمكن أن تتحرك في السقوط؟ ما الفرق الذي ستعطيه له أجنحة العنكبوت؟ إن نمذجة حالة الطوارئ ليست بهذه البساطة ، لأن المقاومة والرفع يعتمدان على السرعة. لا يمكن حساب هذا المسار إلا باستخدام نموذج رقمي يتم فيه تقسيم الحركة إلى خطوات صغيرة.

فلنقم بالتقريب. أولاً ، نحسب مساحة سطح الطوارئ. تقريبًا ، حصلت على:

الصورة

ما يعطينا مساحة حوالي 0.651 م 2 مع أجنحة و 0.513 م 2 بدونها. قيم أخرى:

• معامل الرفع = 1.45 (القيمة مأخوذة من عمل باتمان)
• معامل المقاومة = 0.4 (من نفس المكان)
• الوزن = 64 كجم
• السرعة الأولية = 8 م / ث (أفقيًا)
• وافتراض واحد آخر: زاوية هجوم ثابتة ، فيما يتعلق بمعاملي السحب والرفع لا يتغيران.

دون تردد ، قفزت إلى عالم النماذج العددية. تركت تعليقات في الشفرة بحيث يمكنك إعادة تشكيلها لاستخدامها في الواجبات المنزلية.

GlowScript 2.1 VPython
#this is the area with the wings
A1=0.651

#area without wings
A2=0.513

g=vector(0,-9.8,0)

m=64 #mass of Spider-Man

CL=1.45 #coefficient of lift
CD=0.4 #coefficient of drag
rho=1.2 #density of air

#starting velocity 
#try changning this
v0=8
#starting momentum assuming horizontal - change this
p=vector(v0,0,0)*m
#p2 is just the momentum for the comparison
p2=p

t=0
dt=0.01

#starting height
h=40
#starting position
r=vector(0,h,0)
r2=r

#these are for the graphs
f1=series(color=color.red)
f2=series(color=color.blue)

while r.y>0:
    #calculate the velocity to use in lift-drag
    v=p/m
    v2=p2/m
    
    #calculate the drag force
    Fd=-.5*rho*A1*CD*(mag(v)**2)*norm(v)
    Fd2=-.5*rho*A2*CD*(mag(v2)**2)*norm(v2)
    
    #calculate lift (notice cross product to get direction)
    FL=-.5*rho*A1*CL*(mag(v)**2)*cross(norm(v),vector(0,0,1))
    FL2=-.5*rho*A2*CL*(mag(v2)**2)*cross(norm(v2),vector(0,0,1))
    
    #total force
    F=m*g+Fd+FL
    F2=m*g+Fd2+FL2
    
    #update momentum
    p=p+F*dt
    p2=p2+F2*dt
    
    #update position
    r=r+p*dt/m
    r2=r2+p2*dt/m
    
    #update time
    t=t+dt
    
    #plot stuff
    #change this if it makes you happy
    f1.plot(r.x,r.y)
    f2.plot(r2.x,r2.y)

print("Glide Ratio 1 = ",-p.x/p.y)
print("Glide Ratio 2 = ", -p2.x/p2.y)

الصورة

في نموذجي ، يمثل الخط الأحمر مسار الطوارئ بالأجنحة ، والخط الأزرق بدون أجنحة. أستمد أيضًا قيمة الجودة الديناميكية الهوائية. نظرًا لأنه في النهاية يتحرك بسرعة ثابتة ، فإن هذه النسبة ستكون ببساطة مساوية لنسبة مكون x في الزخم مقسومًا على مكون y.

الواجب المنزلي

استخدم هذا النموذج العددي للإجابة على الأسئلة التالية . لا تقلق ، لن تكسر أي شيء. إذا قمت بشيء ما باستخدام الرمز ، فما عليك سوى إعادة التشغيل والبدء من جديد.

وفقًا لويكيبيديا، بالنسبة للقفز المظلي الذي يرتدي بدلة مجنحة ، فإن جودة الديناميكية الهوائية (نسبة الرفع إلى السحب) تبلغ قيمتها 2.5: 1 (أي أن برنامجنا سوف يستنتج الرقم 2.5). هل يمكنك تصحيح الكود بحيث ينتج البرنامج مثل هذه القيمة؟ تلميح: قم بتغيير مساحة السطح والسرعة الأولية.
• ماذا لو سقطت حالة الطوارئ عموديا؟ ما هي السرعة القصوى التي ستكسبها مع الأجنحة وبدونها؟
• ما مدى سرعة تحرك الطوارئ أفقيًا بحيث تطير لأعلى بدلاً من النزول عند بدء الرحلة؟
• هل يمكن أن تقفز الطوارئ ، وتهدف إلى الأسفل ، من أجل اكتساب المزيد من السرعة والذهاب لبعض الوقت في رحلة أفقية؟
• هل يمكنك بناء نموذج محسن يأخذ في الاعتبار زاوية الهجوم؟ ربما يمكنك ذلك ، ولكن يبدو لي أن الطيران بسرعة منخفضة موضوع معقد إلى حد ما.

Source: https://habr.com/ru/post/ar399957/


All Articles