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环太平洋物理学(第一部分):火箭拳就像一架波音747击打脸部

探索《环太平洋》中巨型机器人如“吉普赛危机”的机械原理,以及怪兽火箭拳击的惊人力量。

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有什么比用火箭将一百五十万磅的钢铁直接加速撞向一个跨维度怪兽的脸,更能“取消末日”的方法呢?

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《环太平洋》——一封写给旧时巨型怪兽电影的科幻情书——两周前在极客们的尖叫声中登场(尽管票房并未传来尖叫声)。它的故事是一个相当简单的粉丝童话——巨型机器人对抗巨型怪兽——动作激烈得足以碾碎怪兽。事实上,如果你像我一样,当你看到动漫风格的火箭拳将一座钢铁山送入咆哮的怪兽脸上时,你可能还会对着屏幕握拳。它太酷了,我们有必要用科学来解释它。

要让怪兽倒下,到底需要多大的力量?继续欢呼吧,因为那一拳就像波音747撞到了脸上。

铁拳机器人

就像我们描述车祸和TNT爆炸一样,焦耳——能量的衡量单位——是计算肘部火箭能产生多少能量的最佳单位。更具体地说,我们需要拳击的动能(以焦耳衡量)来进行比较。我们只需要机甲手臂的质量和拳击的速度。

我们首先知道的是,机甲是巨大的;比自由女神像高100英尺。高大的身躯带来巨大的重量。《环太平洋》中的主要机器人“吉普赛危机”据说重达7080吨*——相当于纽约市一天产生的垃圾总重的一半。基于这个重量以及对人类手臂重量与全身重量比例的一些其他假设——像我这样的其他书呆子工程师估计,机甲的火箭臂大约重150万磅。

尽管拥有巨大的机械力量,机甲的速度并不快。部分原因是出于电影效果——比正常动作慢的动作给机器人带来了沉重感。但它们的速度也相当普通,因为机器人的动作是基于物理操纵它们的人类飞行员。普通人出拳速度不会很快——也许每小时15到30英里——所以你可以理解为什么你的机器人会安装巨大的火箭来帮助击倒怪兽。

阅读更多:《环太平洋》物理学(第二部分):核爆炸气泡与海底气泡

在片段中,当机甲“吉普赛危机”的拳头在全速燃烧时击中怪兽的脸,速度并不比普通人出拳快多少,但速度很重要。如果以比人类出色一拳快50%的速度撞击,这个150万磅的手臂将携带1.25亿焦耳的动能。那么,被机甲火箭拳击中脸,就像被一架以每小时60英里(与典型的跑道脱离速度相同)飞行的波音747撞到脸上,只不过这次脱离是冲着你的脸来的。

火箭动力拳击也不是一个疯狂的科幻方案。动能受速度的影响比质量更大。在方程中,速度项是平方的——或者说自乘——这意味着速度翻倍会使动能翻四倍(而质量翻倍只会使能量翻倍)。因此,肘部火箭让“吉普赛危机”能够超乎寻常地出拳(但为什么它没有一直使用它的剑就超出了我的理解)。

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加速手臂所需的推力也巨大。它相当于一枚土星五号火箭,这意味着机甲理论上可以用其拳击背后的能量将一个一公斤的物体直接射入太空。当然,考虑到长时间在海中作业,机甲可以用与火箭拳击相似的动能,通过用蓝鲸拍打怪兽的脸来击倒怪兽(是的,我算过了)。

额外科学:怪兽能飞入太空吗?

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就在我们看到机甲“吉普赛危机”用相当于一架滑行中的747撞击代号为“皮背”的怪兽的脸后,代号为“大泷”的怪兽展开翅膀将机甲带入高层大气(大概是为了再将其摔下来)。在它飞得太远之前,“吉普赛”拔出一把巨剑,得意地砍掉了“大泷”的一只翅膀,杀死了这只巨兽。

这又引发了一个书呆子问题:你真的能仅仅通过拍打翅膀就进入高层大气吗?

1975年,一只翼展10英尺的兀鹫——鲁佩尔秃鹫——在近38,000英尺高空被吸入飞机发动机。如果飞行怪兽的比例类似,这给了我们它能飞多高的一些概念。但再次回顾电影(我已经看了三遍了),我们可以清楚地看到地球的曲率。事实上,镜头中太空比地表更多。更好的高度估计可能是人类历史上最伟大的自由落体——费利克斯·鲍姆加特纳的跳跃。这位勇敢的男子从大气层128,000英尺处开始火箭般冲向地球。任何一个限制都将携带机甲的怪兽牢牢地置于平流层

但是,除非这只巨大的怪兽也能提供巨大的力量——比如土星五号火箭——或者拥有巨大的翼面,否则怪兽不可能飞那么高。

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飞行的唯一方式是战斗。每一次翅膀向下推,空气被向下推,因此空气向上推翅膀。这在空气密集的低层大气中是没问题的,但你飞得越高,空气就越稀薄。可以推动的空气越少,你就必须越努力地战斗,直到最终飞行失败。那里不仅几乎没有什么可以推动的,而且几乎没有什么可以呼吸的。就像小怪兽在几秒钟内窒息而死一样,飞行的“大泷”也飞不了多远。

无论如何,怪兽不需要进入平流层也能成功地完成机甲投放(或者说,投弹)。像自由女神像那么大的物体,如果被扔下,在远低于100,000英尺的高度就能达到终端速度

-- *我使用的重量是基于电影上映前发布的原始蓝图

现在电影的维基百科

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有一个大幅缩小的修订重量。为了书呆子式的纯粹,我采用了原始蓝图。阅读更多

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