用物理竞赛的逻辑来分析下竹蜻蜓的可能性

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飞翔一直是人们所追求的事情,莱特兄弟发明了飞机为人类今后的生活做出了伟大的科学贡献,虽说飞机为人民的日常带来了巨大的便利,但是终究不是像自行车和汽车那样可以落户到挨家挨户,还是有些太笨重。

虽然现在发明了喷气式背包,但并不能做到很轻松的携带。想来想去质心教育小编我觉得还是哆啦A梦的竹蜻蜓最管用了~~从兜里掏出来,放脑袋上就可以飞走了

竹蜻蜓

  所以,我们今天就来讨论下竹蜻蜓在现实生活中出现的物理依据究竟有多少。首先我们要刨除一些干扰,比如暂且不考虑哆啦A梦的小伙伴们是否练过“铁颈功”。另外,现实中的竹蜻蜓我们只考虑升力和发动机两大问题,至于竹蜻蜓是怎么瞬间粘到哆啦A梦他们头上的,我们也不予考虑。

哆啦A梦

  我们先来做一科学的实验假设,竹蜻蜓的直径有20cm,实际上,在动漫中的竹蜻蜓是要小于20cm的,毕竟大熊他们还是孩子。竹蜻蜓的续航有8个小时,假设每个人的体重都是100千克,电池和发动机的体积更小,夸张估计也不过5cm^3。我们就从这些资料入手,结合物理原理算一下竹蜻蜓的发动机需要提供多大的功率才能产生这么大的升力。

根据全国高中物理竞赛中的维基百科公式:

P=√(T^3/2ρA)

其中P表示发动机功率,T表示螺旋桨所提供的升力,ρ 表示空气质量密度,A表示螺旋桨的旋转面积。空气密度的一般值为ρ=1.29Kg/m^3 , 再根据以上我们给出的估值,可以估算出所需的功率大概为P=1.08×10^5 W。看起来不是很大,和一般小汽车发动机的功率相当。但是汽车的发动机尺寸至少是竹蜻蜓的好几百倍,功率却只是和它持平。可见竹蜻蜓的发动机也将是22世纪的科技结晶之一。

估算完了发动机功率, 我们来估算一下竹蜻蜓的能源。竹蜻蜓的功率大概是1.08×10^5W,续航达到8小时之久,说明它的电池能源的容量至少在3.1×10^9焦耳。一度电是1kW.H,换算成焦耳就是3. 6×10^6焦耳。这也就是说竹蜻蜓的电池能提供至少862度电,但是它的体积却是那么小,和发动机合在一起也不过5cm^3. 想想我们平时给手机用的充电宝,和竹蜻蜓的电池差不多大小(虽然对于竹蜻蜓来说,充电宝的体积已经很夸张了),但是最好的充电宝的电池容量也不过是30000mAH,放电电压一般是5V,所以它存储的能量只有0.15度,远远不及862度。 能在这么小的体积实现这么大的能量存储以及输出的装置估计只有微型核反应堆了。比如说钢铁侠身上的方舟反应堆。

钢铁侠

现在我们来估算螺旋桨需要转多快才能提供所需要的升力。我们用一下经验公式来估计:

升力(牛顿)=直径(米)×螺距(米)×浆宽度(米)×转速平方(转/秒)×1大气压力(1标准大气压)×经验系数(0.25)×重力加速度

哆啦A梦竹蜻蜓螺旋桨的螺距假设为螺旋桨直径的一半, 桨宽度大概是2cm左右,有了这些数据,再加上之前的数据,我们就能估算出竹蜻蜓的转速了。其结果是1000转/秒,似乎不是很高,但是目前主流战斗机发动机的转速大概也只有200转-300转/秒。所以相比之下,这个转速已经是相当的高了。

以上的估计也仅仅是考虑的能源和转速问题,实际上要考虑的问题远不止此。比如说竹蜻蜓的制造材料,用什么材料才能抵抗得住如此高转速下的空气摩擦所产生的热量。所以说看似普通的竹蜻蜓实际上是一个逆天的科技结晶,全身上下没有一个部件是现在的科技所能造出来的。

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