作者spock ()
看板GUNDAM
标题Re: [心得] GUNDAM 00 第五话的物理学....
时间Sun Nov 4 22:11:51 2007
太空中的现象跟我们在地表上的生活现象有很大的差距,尤其是考虑摩擦力。
想像一下,你飘在空无一物的空中,并不往哪一个方向动,也不能抓到任何东西。
你的质心大概在身体中心的肚脐附近。
如果有人可以戳你一下,只要力量的方向不是戳在质心的连线上,你就会转。
转动的难易度取决於转动惯量。
当然,在宇宙中的转动与移动是必须分开来看的。
移动的同时也可以转动,就像「地球同时在公转也在自转」一样。
在宇宙空间的环境下,只要一转起来就很麻烦,而且不会有摩擦力减低转速。
而且另一个考量是,转动必然消耗能量,能量以转动动能的形式浪费掉。
所以在宇宙环境下,所有推进设计的第一考量就是要让主引擎的推力方向通过质心。
这也就是为什麽我觉得怎麽不会变成必杀旋转木马的疑问。
当然,洞洞第五集里面没有交代转动惯惯量为多少。
但是以 MS 的推力可以轻易加速/减速 MS 本身的质量来看,这个推力相当大,
要让整个重力舱转起来不会是难事。
也有人说调整 MS 接触点就可以让施力通过质心,其实这是错误的。
这个错误的观念来自於日常生活,我们脚站在地上,有地面的静摩擦力固定我们的身体
,以及我们施力的物体也因为静摩擦力不容易转动。
所以我们才能随心所欲推拉物体,而不需要考虑物体的质心在哪里。
但是以第五集的情况来看,不管怎麽调整,只要接触点相同,推力方向相同,
造成的力矩就相同,因为 MS 不是站在地上,有地面的反作用力造成的相反力矩抵销
推力造成的力矩。
最後是移动远大於转动所以推法是对的这个说法。
这个前提必须是转动惯量远远大於质量才正确,这样一来,旋转所造成的推力方向偏移
就很小。
可是我非常怀疑这一点,一般来说,只要形状不是太奇怪的物体,要让它转动都很容易。
而且这集的危机是必须让重力舱得到足够的轨道切线速度维持离心力,不被地球的引力
拉下去。那麽,到底要加速到多快才行?不足的速度差距有多少?
假设差距很大,所以大叔才会气急败坏地跑去推陨石当上暂时的主角(误)。
重力舱质量假设是某台 MS 的一百倍,为什麽一百倍?因为里面是空的。
想像一下 MS 从静止到加速到某个速度所用的推力相同,则移动加速时间变成约一百倍。
这个大家可以接受吧?
那麽这时候造成的力矩影响有多大?
以下进入空想科学考证时间:
假设以 MS 本身的姿势控制喷嘴来推算,喷嘴的推力可以造成普通 MS 在两秒内旋转
180 度(低估),主推进器假设是姿势控制喷嘴的一百倍推力(也是严重低估)。
为了求角加速度,假设喷嘴作用,角加速四分之一圆一秒钟,减速四分之一圆一秒钟,
假设为等角加速度运动,根据
θ = (1/2α)(ω_f^2 - ω_i^2),ω_f = ω_i + α t,则 θ = (1/2α)(α^2)(t^2)
= (1/2)α t^2
π/2 = (1/2) α,则 α = π
I 是转动惯量,α 是角加速度。末速 ω_f,初速 ω_i 为 0。
根据 M = F d,M = I α,I 不变则 M 正比於 α,F 乘上 100 倍得到主推进力 F'
但是假设 MS 喷嘴的力臂为 1 公尺,重力舱在画面上的力臂也是 1 公尺好了。
(再次严重低估),则主推进力造成的力矩 M' = 100 M
M' = 100 M = 100 I π。
M 是力矩,F 为力,d 为力臂。
假设重力舱在横向轴的转动惯量是 MS 的一千倍(不是一百倍是合理的,因为重力舱是
空心的,质量集中在外壳附近,而 MS 是实心的。但不会差到十倍,这样是低估。
请参考
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_moments_of_inertia,实心球体与
空心球体的转动惯量比也不过 6:10,大约两倍)
,再假设是空球体,M = I α。
M' = I' α',成为 100 F = 100 I π = 1000 I α',化简得 α' = π/10
最後请注意,这时候仍然跟大家说的一样,移动方向的速度仍然是有在增加的。并不是
只有转动,两者是同时发生的。
再假设 MS 推个十秒钟,这时候从不转动开始算,
ω = α t,则 ω' = (π/10) 10 = π,且 θ' = (1/2) α' t^2 = 5 π,
也就是 2.5 圈……
好吧,这已经是我严重低估正常 MS 的推进力所得到的数字,但是十秒转 2.5 圈
也太夸张了。这麽说,十秒至少会转个半圈不过份吧?
注意喔,我假设的力臂只有一公尺,误差只要一公尺就有极大的效果喔。
必杀!旋转木马!诞生。
回到第五集画面。
仔细看 17:17 秒左右的画面,大叔推的地方偏下,新人类同学偏上,而且两架 MS
推进剂的轨迹居然是平行的。
更扯的是,重力舱居然还在上下晃动,表示力矩其实是不平衡的。
虽然这个晃法非常奇怪就是了。
所以从画面来看,两台 MS 一推之下,重力舱是会旋转的,程度还不是只有一点点。
只是这方面的物理考证算是被忽视了吧。
正确的作法其实是两人调整一下推力,让方向经过质心就行了,但是千万不要像画面
里面一样两人推力方向平行啊。
什麽?你说跟动画认真你就输了?是啊,我早就输了 orz
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推荐有兴趣的人去看 PLANETES,里面在宇宙活动这方面的考证非常仔细。
再不然 Moonlight Mile 也行,比较没那麽详细。
看完大概就有感觉我在说什麽了。
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◆ From: 218.160.70.13
1F:推 gamelag:而且哈同学的推进力应该是大叔的6倍以上 应该转很凶= = 11/04 22:17
2F:推 kira925:有个问题....转动惯量绝对不只一千倍 11/04 22:23
3F:→ kira925:原本在推的时候是3个联接在一起的,所以有个几十万倍 11/04 22:23
4F:推 lunasdejavu:施力方向不见得一定要平行接触面的法向量吧@@ 11/04 22:23
5F:→ kira925:我都不觉得奇怪,至於推力的话看起来很大不过回去看设定 11/04 22:24
6F:→ kira925:用UC0079的设定的话基本上不超过1g 所以推力其实不怎麽样. 11/04 22:25
7F:→ kira925:真的要算的话要先知道住人仓他的质量才行.... 11/04 22:26
8F:→ kira925:不过猜个100吨到1000吨差不多吧....考虑宽度约100公尺的话 11/04 22:26
9F:推 spock:我用的是串三个丸子的轴,真要计较就再乘个三倍吧 11/04 22:27
10F:→ kira925:转动惯量可是吓死人的大 11/04 22:28
11F:→ kira925:然後计算推力似乎计算喷嘴可以给到几个g比转身速有意义 11/04 22:29
12F:→ kira925:毕竟MS可以把脚也折起来转弯,而且转身靠的是姿势喷嘴 11/04 22:30
13F:→ kira925:画面有说约剩下400秒而已阿XDDDDD 11/04 22:31
14F:→ kira925:所以一百秒看起来根本就没什麽在转阿:p 11/04 22:32
15F:推 spock:回四楼,以推进剂喷射方向为准,画面上是垂直 orz 11/04 22:38
16F:→ spock:回三楼,这形状的转动惯量怎麽算可以到质量的几十万倍?= = 11/04 22:39
17F:推 spock:回 11 楼,G 不是这样用的…… 11/04 22:43
※ 编辑: spock 来自: 218.160.70.13 (11/04 22:51)
18F:推 kira925:应该说转动惯量是质量的几十万倍....推文没写清楚 11/04 22:52
19F:推 lunasdejavu:你看17:20时它其实有稍微偏转@@ 大叔单独推时要把他身 11/04 22:53
20F:→ lunasdejavu:所有推进器的合力算才正确Kyrios不是靠喷出物体前进吧 11/04 22:55
21F:推 yudofu:只要假设电脑已经计算好给大叔推不就好了? 11/04 23:03
22F:推 spock:如果只有大叔当主角,楼上正解。(我也想看大叔当主角) 11/04 23:06
23F:→ spock:问题是这两个人加在一起就出事了,因为两个人的推力轴线平行 11/04 23:08
24F:→ spock:若要两台同时计算正确,必须交换资料进行同步计算喔。 11/04 23:09
25F:推 spock:而且更糟糕的是,按照常理,非作战所需以外的功能,一般都 11/04 23:11
26F:→ spock:不可能搭载在武器上,而需要後勤指挥系统支援计算。 11/04 23:12
27F:→ spock:这两边指挥系统的资料链不可能接在一起吧? 11/04 23:13
28F:推 kira925:我刚刚脑残算错....大概是一万倍左右..... 11/04 23:23
29F:→ kira925:spock大大的计算应该差不多...刚刚估算错很多地方orz 11/04 23:24
30F:推 acyang:看了这一串,我想学校教相关科目的老师一定很欣慰。 11/04 23:55
31F:推 doa3ps2:转动惯量和质量的单位根本不同...什麽几倍根本就没意义 11/05 20:47
32F:推 spock:我没说有意义,也没这样算。不过我有些地方没交代清楚。 11/05 23:08
33F:推 spock:我所有的计算都是从转动惯量一路推下去的,没牵涉到质量。 11/05 23:14
34F:推 spock:MS 从头到脚的轴,横摆跟三个重力舱的形状也相近 11/06 00:07
35F:→ spock:我拿来类比的轴线也是长轴。形状一样,就只剩质量分布的问题 11/06 00:09
36F:→ spock:MS 看作是实心,转动惯量算出的结果可以类比为实心球体拉长 11/06 00:10
37F:→ spock:重力舱类比为空心球体拉长,所以可类推为重力舱大约两倍的 I 11/06 00:11
38F:→ spock:不相信也没关系,我在推算过程里面算十倍总可以吧? 11/06 00:12
39F:→ spock:总之,剧情交代不清,我也只能合理猜测。反正监督与编剧最大 11/06 00:13
40F:→ spock:画面上不会转就是不会转,我也拿它没辄。 11/06 00:14
41F:→ spock:我只是把一些推测拿来算,得到「极小误差可以造成极大差别」 11/06 00:15
42F:→ spock:这个结论,那麽在当时的情况下,误差是免不了的,所以…… 11/06 00:16
43F:→ spock:我们只能相信大叔与阿同学都是经过完美的计算之後才推的。 11/06 00:16