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[what if]第116期:狂野赛车Comments>>

发表于 2014-11-07 15:01 | Tags 标签:, ,

提问:

如果我可以无视一切赛车的规则,只追求极致的速度(比如速度提高200倍),那么我的获胜策略是什么(比如全国运动汽车竞赛协会的系列赛事的代托纳赛道)?前提是车手要能活下来。

—— Hunter Freyer

回答:

你的最好成绩将能够提高到约90分钟。

建造这种赛车的方法有很多种,你可以造一辆电动车[1],或者火箭推进赛车,或者沿着铺设在赛道上的轨道前进的轨道赛车,但不管你用哪种赛车,你会发现设计到最后整个系统中最脆弱的一环永远是车手自己。

原因在于赛车的加速度。在赛道的弯道部分,车手会感受到强大的G力。[2]位于佛罗里达的代托纳赛道有两个主要的大弯,如果车速太快的话,仅仅是过弯时的加速度就足以使车手丧命。

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(一场完整的500英里比赛在你的电脑屏幕上看大约是4百万圈,具体圈数和你的显示尺寸有关)

在诸如车祸这种极为短暂的时间里人可能会承受几百G但依然能够活下来。(1G就是你站在地面上地球把你往下拉的力)战斗机飞行员在做机动时将会承受最高达10G的过载,这可能也是为什么10G过载被人们认作为人类能够承受的上限。可是战斗机飞行员受到10G的过载的时间非常短暂,但我们的赛车手可是会持续数分钟甚至数小时保持在这个环境中。

有一份NASA文件很好地记录了加速度带来的物理效应,其中的图5尤其有用。

但最有趣的数据来自于John Paul Stapp。Stapp曾是一名空军长官,他曾把自己绑在火箭推车上进行试验,每次将自己的身体推向极限,并在事后详细记录实验的经过。你可以在theEjectionSite网站上找到一篇很棒的介绍他的文章。在整个故事中我最喜欢的一行是“……Stapp被提升为少校,人们记住了他经受18G的强大过载并活了下来的传奇事迹……”

除了Stapp的故事以外,这份数据还显示如果实验时长在一小时左右,那么普通人只能够承受3到6G的过载。如果我们把赛车的极限过载限制在4G的话,那么过弯时最高速度能够达到每小时约240英里。在这个速度下,跑完整个比赛仅需2小时左右,这个速度绝对比任何一个驾驶真实赛车的车手要快,但快得并不是很多。

等等!还有直道呢。按照现在的做法赛车将会在弯道上加速,在直道上匀速前进。但如果我们在直道上让赛车加速到很高的速度,然后在进弯前减速,那么速度图线将会是这样的:

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(我们在哪儿吗?噢,是的)

这样做还有一个好处,那就是通过在赛道上进行一些巧妙的机动,车手承受的过载可以在整个比赛中保持相对恒定,或许这样会让他们好受一些。

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(说到加速度就不能不提方向)

记住在整场比赛中加速度的方向一直在改变。人类最易承受的加速度方向是垂直于胸部向前加速,就像平时开车时加速一样。人类最不易承受的加速度方向是向下加速,这会导致血液涌进脑部。要想让车手活下来,我们需要把他们绑在旋转座椅上,保证加速度一直是垂直于胸口朝前。(但我们要小心转椅不能转得太快,否则强大的向心力[3]会使车手丧命!)

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(它被强大的过载压成了一个球形,但它还在那里)

代托纳赛道最快纪录是大约3小时跑完200圈。如果把过载限制在4G,那么我们将能在不到1小时45分钟内跑完全程。如果把上限提到6G,那么只需1小时20分钟。在10G的过载下——远超人类能够承受的极限——仍然要1小时。(而且在直道上会超越音速)

所以除非用上像液体呼吸这样的黑科技,否则在人类能够承受的前提下代托纳赛道最快纪录仍然会超过一小时。那如果我们不在乎车手的死活呢?

假想有一辆“赛车”用一根凯夫拉带固定在中间的一个轴心中,另一边加上一块配重用以加固,那么这其实就是一个巨型离心机。这里就可以用到我最喜欢的神奇公式之一了,[4]这个公式讲的是一个旋转盘的边缘线速度不能高于材料比强度[5]的平方根。对于像凯夫拉这样的材料来说,这个速度上限在1到2千米每秒。在这种速度下,完成比赛仅需10分钟左右,当然了车手早就已经死了。

好吧,先不管离心机。如果我们造了一个实心的斜坡道,就像雪橇滑道那样,然后让一个球轴承(也就是我们的“赛车”)从上面滚下来呢?很不幸,上面提到的那个公式在这里依旧适用,球轴承的滚动速度不能超过每秒数千米,否则就会把自身撕裂。

那么如果我们不用滚动,而用滑动呢?假设有一个钻石立方体滑块沿着一个光滑的钻石滑道滑行,由于这里避免了滚动,所以应该能比球轴承承受更大的加速度。不幸的是,滑动摩擦比滚动摩擦大太多了,在这种情况下我们的钻石赛车甚至会烧起来

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(钻石只能坚持一小会儿)

为了避免摩擦,我们可以用磁场使车身悬浮起来,并进一步把它做小做轻,好让加速和操控更容易一些。啊哦,我们一不小心造出了一台粒子加速器。

虽然这和Hunter设想的场景有些不搭,但粒子加速器是一个很好的比较对象。大型强子对撞机(LHC)发射的离子束的速度非常接近光速,在这个速度下跑完所有的30圈(500英里)只需2.7毫秒。

维基百科上列出了大约850条汽车赛车跑道。LHC发射出来的离子束可以在2秒内在这850条跑道上依次跑完相当于代托纳赛道上500圈的距离,而此时人类车手连第一圈还没跑完呢。

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(一大群奇怪的超重车手从碰撞中产生了出来,但他们的寿命都短得离谱!)

这真的是你能达到的最快速度了。

注释

  • 注1:配有极强抓地力的车轮。
  • 注2:你可以把它叫做“离心力”,也可以叫做“向心力”,就看你想惹恼哪一方了。
  • 注3:原文是centrifuetal,是把centrifugal(离心力)和centriputal(向心力)混合起来,其实没有这种写法。
  • 注4:见What If 系列第86期的注8。
  • 注5:拉伸强度除以密度。
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11 Responses to “[what if]第116期:狂野赛车”

  1. Illusiwind说道:

    注4是86期的注8,不是88期……内容是
    Units are weird: The maximum speed the edge of a cylinder of a given material can rotate is equal to the square root of its specific tensile strength (tensile strength over density). 虽然没啥影响吧,因为后边重复了一遍……

  2. 香芋说道:

    NBR笑笑……美帝的椭圆赛道还好算,欧洲日本那种玩意儿玩这种东西简直做死

  3. big bear说道:

    对于像凯夫拉这样的材料来说,这个速度上限在1到2千米每秒。在这种速度下,完成比赛仅需10分钟左右,当然了车手早就已经死了。
    __为什么呢?宇航员脱离地球的速度远高于1-2千米每秒却没事

  4. willsuzhou说道:

    全国运动汽车竞赛协会。。。。。。纳斯卡嘛 - -

    • 猪的米说道:

      是的。。但直接说纳斯卡不是所有人都能明白。。。所以。。。

  5. For an s fox说道:

    最后是before the drivers had made it to the first turn,应该翻译成而此时人类车手连第一个弯道都还没到呢!

    另:人类车手早都已经被粒子撞死了,绝对不可能跑完一圈。

  6. zleo说道:

    人造重力。只要在会过载的时候,在相反的方向产生等量的人造重力,就可以抵消掉过载,于是,加速到多少都可以,只要动力跟得上。

    什么?你说怎么产生人造重力?噢,这不在我们讨论的范围内,不是么?

  7. 措錯蜡错諎说道:

    被“一些新产生出来的车手“猛烈地戳到笑点XDDDD

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