超級(jí)英雄物理學(xué)

內(nèi)容概要

　　所有喜歡物理又害怕數(shù)學(xué)的人，這本《超級(jí)英雄物理學(xué)》是我們的福音！
　　在《超級(jí)英雄物理學(xué)》中，我們將與作者一同探討，如果漫畫中的超級(jí)英雄們生活在現(xiàn)實(shí)中，那么：
　　超人需要多強(qiáng)壯才能一躍而起到屋頂？
　　蜘蛛俠的女友格溫·史黛西死于高空墜落還是蜘蛛俠救她的蛛網(wǎng)？
　　X-man里面的風(fēng)暴女是否真的能控制氣象？
　　閃電俠要吃多少漢堡才能跑得比聲音還快？
　　超人手中的高樓是否能兩地移動(dòng)仍完整無(wú)缺？
　　原子俠能乘坐著電話線中的電子到達(dá)電話的另一端嗎？
　　探索這些問(wèn)題答案的過(guò)程，就能讓你了解動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量守恒、熱力學(xué)、電磁學(xué)、量子力學(xué)和固體物理學(xué)，這就是神奇的超級(jí)英雄物理學(xué)！

作者簡(jiǎn)介

　　詹姆斯·卡卡里奧斯（James Kakalios）
　　明尼蘇達(dá)州立大學(xué)教授，從1988年起，就在物理與天文學(xué)院任教，他的課“看漫畫學(xué)科學(xué)”在新生討論會(huì)上頗受歡迎。1985年，他拿到了芝加哥大學(xué)的博士學(xué)位。作為一名漫畫迷，他看漫畫的時(shí)間就更長(zhǎng)了。另外，本書還被譯為德語(yǔ)、意大利語(yǔ)、西班牙語(yǔ)以及韓語(yǔ)等多國(guó)語(yǔ)言廣泛發(fā)行?！?br />現(xiàn)在，他和妻子以及三個(gè)孩子住在明尼阿波里斯市。另著有《量子力學(xué)的神奇故事》。

書籍目錄

序 言
引 言
第一部分 力學(xué)
 第一章 一飛沖天——力與運(yùn)動(dòng)
 第二章 解構(gòu)氪星——牛頓萬(wàn)有引力定律
 第三章 格溫?史黛西小姐逝世的日子——沖量與動(dòng)量
 第四章 他能繞著一根線飛來(lái)飛去嗎——向心加速度
 第五章 閃電俠的故事——摩擦，阻力與聲音
 第六章 像一道閃電——狹義相對(duì)論
 第七章 如果這是我的密度——物質(zhì)的屬性
 第八章 蟻人能否沖出紙袋？——力矩和旋度
 第九章 蟻人是聾子、啞巴和瞎子嗎？——簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)
 第十章 大小重要嗎？——平方/立方定律
第二部分 能量：熱與光
 第十一章 中心城的飲食計(jì)劃——能量守恒
 第十二章 消失的功——熱力學(xué) 第三定律
 第十三章 氣象變異——傳導(dǎo)和對(duì)流
 第十四章 神秘的熔煉工如何讓準(zhǔn)備晚餐變得輕而易舉——相變
 第十五章 電人的吸附方式——靜電學(xué)
 第十六章 超人給蜘蛛俠上一課——電流
 第十七章 當(dāng)電人奔跑時(shí)他是如何變成萬(wàn)磁王的——安培定律
 第十八章 當(dāng)萬(wàn)磁王跑起來(lái)的時(shí)候是如何變成電人的——磁學(xué)和法拉 第定律
 第十九章 電人和萬(wàn)磁王發(fā)出波——電磁和光
第三部分 現(xiàn)代物理學(xué)
 第二十章 平行空間之旅——原子物理學(xué)
 第二十一章 這不是夢(mèng)！也不是騙局！更不是虛構(gòu)的故事！——量子力學(xué)
 第二十二章 “輕松穿墻術(shù)”——量子隧道效應(yīng)
 第二十三章 致命一擊——固態(tài)物理
 第二十四章 我是異超人！——超級(jí)英雄出洋相
后記——瞧，結(jié)束了！
K博士問(wèn)答
關(guān)鍵公式

章節(jié)摘錄

在本書一開(kāi)始，我們討論了根據(jù)牛頓的運(yùn)動(dòng)學(xué)法則，超人是如何一下子跳上高高的建筑物，最后又談?wù)摿嘶糜柏埓┰焦腆w墻壁的量子力學(xué)隧道以及鋼鐵俠的晶體管化裝甲。我們一路講述了許多在大學(xué)本科的基礎(chǔ)物理課程中的許多重大主題，從我們?cè)谄胀ㄎ锢碇刑岢龅氖讉€(gè)話題（例如牛頓的運(yùn)動(dòng)學(xué)法則和能量守恒定律）到高等物質(zhì)（量子力學(xué)和固態(tài)物理）。然而，要是你現(xiàn)在還深深地相信在超級(jí)英雄漫畫中的一切都絕對(duì)是完全遵循物理定律的話，那就說(shuō)明我的功課還做得不夠。因此，我想要總結(jié)一下，談?wù)撘恍┞嬛袩o(wú)論是建立在多么神奇的特例的基礎(chǔ)上也的的確確違背了物理規(guī)律的非常稀少而罕見(jiàn)的例子。把那幢樓放下來(lái)！正如本書一開(kāi)始所講的那樣，在漫畫的黃金時(shí)代初期，超人是因?yàn)槠淠感请葱堑闹亓σ鹊厍虼蟮枚嗖诺玫搅朔浅?qiáng)大的力量。根據(jù)他可以在地球上一躍跳上高高的建筑物，我們?cè)诘谝徽轮杏?jì)算了在氪星上的重力加速度必定要比地球上至少大15倍。因此，超人其實(shí)并不是由金屬組成的，而是具有能夠適應(yīng)更強(qiáng)的重力環(huán)境的肌肉和骨架。想象一下，你把一整桶一加侖的牛奶舉起來(lái)，它的重量接近9鎊。如果你想要體驗(yàn)一下在一個(gè)重力為地球的15倍的星球上的生活，你只要把桶中一加侖的牛奶倒掉，然后只倒入不到半品脫（約合1/16加侖）的牛奶。和舉起一整加侖的牛奶相比，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，舉起只裝入了半品脫牛奶的相同容器要輕松多了。在《動(dòng)作漫畫》第1期中，超人能夠?qū)⒅亓看蠹s3000鎊的汽車舉過(guò)頭頂?shù)脑蚺c此類似。對(duì)超人（習(xí)慣了氪星更大的重力）而言，3000鎊的重量就類似于我們將200鎊重的物體舉過(guò)頭頂一樣。我們之前注意到，隨著人氣的上升，超人已經(jīng)從一個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的英雄，轉(zhuǎn)變成了一個(gè)價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的市場(chǎng)帝國(guó)中的明星。超人所面臨的威脅越發(fā)地極端，而他的同伴們的超級(jí)力量也變得越來(lái)越強(qiáng)大。超人的力量水平對(duì)應(yīng)于幻想水平的上升而上升，不久以后他就能舉起坦克、卡車、機(jī)車、遠(yuǎn)洋輪船、大型噴氣式客機(jī)以及高聳入云的辦公樓了。與之類似，驚奇漫畫的英雄綠巨人也具有難以置信的力量。綠巨人的力量是與他血液中流動(dòng)的腎上腺素水平緊密相關(guān)的，這就是為什么情緒上的壓力會(huì)激發(fā)他從弱小的羅伯特?布魯斯?班納搖身一變，成為八英尺高肌肉發(fā)達(dá)的綠巨人。這種和腎上腺素之間的關(guān)系也就解釋了為什么綠巨人越瘋狂就會(huì)變得越強(qiáng)大。他曾在相當(dāng)憤怒的狀態(tài)下把一座城堡和一塊巖壁舉起來(lái)并扔了出去，甚至還擋住了一座要把他壓扁的大山，以及許多《秘密戰(zhàn)爭(zhēng)》的短劇中出現(xiàn)的其他驚奇漫畫的超級(jí)英雄。當(dāng)里德?理查茲在匆忙之下改造了鋼鐵俠的裝甲，讓它和霹靂火的新星火焰、神奇隊(duì)長(zhǎng)的電磁能量連接起來(lái)，從而在大山之中炸開(kāi)一條逃脫通道時(shí)，里德故意辱罵和嘲笑綠巨人，他很清楚，他們要想逃生就要依靠狂怒的綠巨人。最終，超人變得非常強(qiáng)大，正如《世界最佳拍檔》第86期中的圖38所示，他可以在——一手一幢——擎起兩幢高層辦公樓的同時(shí)飛在空中，仿佛手里舉著的是兩個(gè)比薩餅一樣！對(duì)這張圖仔細(xì)研究后，我們可以找到他之所以能夠把這兩幢大樓從哥譚市中搬到大都會(huì)的露天展覽會(huì)上的原因：它們和城市供水或供電設(shè)施并沒(méi)有任何連接。超人事后的評(píng)論和他所展現(xiàn)的力量一樣令人震驚：“我獲準(zhǔn)借來(lái)了這兩幢你需要的哥譚市的大樓?！币?yàn)槲彝耆恢勒艺l(shuí)能夠得到口頭“批準(zhǔn)”，從而把兩幢高層建筑借走，所以我根本就沒(méi)辦法對(duì)此作任何推斷。我懷疑這兩幢大樓的監(jiān)管人都沒(méi)有權(quán)力允許超人把他們的大樓借走。但是，當(dāng)超人問(wèn)你他能不能借你的一幢辦公樓，空運(yùn)到另一座城市參與慈善活動(dòng)的時(shí)候，我想你也很難拒絕他吧。你最好還是趕快疏散大樓里的所有工人和員工，然后回答：“好的，超人！”即便你相信了有人，不管他是來(lái)自另一個(gè)星球的奇怪訪客還是偶然在伽馬爆炸的輻射下變異的核科學(xué)家，真的力大無(wú)窮，可以舉起大樓，但這些劇情中還是有一處與物理原理相違背的地方：簡(jiǎn)單地說(shuō)，建筑物、遠(yuǎn)洋輪船以及噴氣式飛機(jī)并不是為了被舉起來(lái)而設(shè)計(jì)的。它們要么是應(yīng)該保持靜止的，例如辦公大樓，要么就是基于幾個(gè)點(diǎn)而支撐起來(lái)的，例如飛機(jī)在跑道上時(shí)下面的三個(gè)輪子，或者像戰(zhàn)艦這樣的東西則同樣是依靠它們所排開(kāi)的水才浮起來(lái)的。也就是說(shuō)，舉起辦公樓的問(wèn)題在于，垂直方向上的任何微量偏斜都會(huì)導(dǎo)致其重力產(chǎn)生不平衡的扭矩，它會(huì)讓這幢大樓向著水平方向傾斜得越來(lái)越厲害。像高層樓房或城堡這樣的建筑物非常龐大，所以建筑邊緣到其質(zhì)心的距離（在第八章中我們稱之為“力臂”）也很長(zhǎng)。這些建筑是非常沉重的，所以就會(huì)產(chǎn)生很大的重量，讓建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)。物體越大，它的邊緣到超人或者綠巨人持握的那個(gè)點(diǎn)的距離就越大，那么讓它發(fā)生扭轉(zhuǎn)的扭矩的力臂也就越大。圖38中超人所舉著的建筑物的扭矩要比鋼筋混凝土（在混凝土中插入鋼筋來(lái)增強(qiáng)它的強(qiáng)度）在斷裂之前所能承受的扭矩要大上好幾倍呢。在現(xiàn)實(shí)情況下，如果你舉起一幢樓，空運(yùn)到別的地方，那么在你身后就會(huì)留下一條連續(xù)不斷的建筑瓦礫的痕跡。等超人飛到哥譚市的慈善活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，他手里拿的就不是兩幢結(jié)構(gòu)完整無(wú)缺的辦公樓了，而是手捧幾塊廢墟殘?jiān)３嗽谝婚_(kāi)始舉起兩幢大樓的時(shí)候該做的并不是請(qǐng)求允許他借走大樓，而是請(qǐng)求原諒，因?yàn)樗堰@兩幢樓給毀了。后來(lái)的一些漫畫作者們意識(shí)到了，無(wú)論你的超級(jí)力量有多么強(qiáng)大，要舉起大樓而不讓它在你手中支離破碎是不可能的。在驚奇的《神奇四俠》第249期中，有個(gè)代號(hào)“角斗士”的超人替身提起巴氏大樓（神奇四俠的總部）底下的一角，將它前后揮舞，但卻沒(méi)有給這幢大樓造成任何物理上的傷害。驚奇世界中最聰明的里德?理查茲立刻就發(fā)現(xiàn)角斗士所做的事情是不可能發(fā)生的。他建立了一種理論，認(rèn)為角斗士其實(shí)一定具有一種過(guò)去不為人所知的“觸覺(jué)驅(qū)物”超級(jí)力量，在漫畫中，這種力量被定義為使物理接觸的對(duì)象浮在空中的能力。當(dāng)然，世界上并沒(méi)有什么叫做“觸覺(jué)驅(qū)物”的東西，但是這的確減少了大量以奇跡來(lái)解釋的例外，讓這個(gè)故事可以進(jìn)展下去。如果我們把巨人和紅木樹(shù)作個(gè)比較（這可不只是因?yàn)樗膫€(gè)性有時(shí)候有點(diǎn)木），我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，樹(shù)越高，樹(shù)干就越粗。為了給其上的巨大質(zhì)量提供支撐，樹(shù)就需要有一個(gè)寬大的底部。在美國(guó)獨(dú)立宣言簽署的那個(gè)年代，歐拉和拉格朗日這兩位數(shù)學(xué)家證明了，低于某一高度的圓柱是穩(wěn)定的，并且會(huì)因壓在其底部之上的物質(zhì)的重力而被壓縮，但是，當(dāng)超過(guò)了某一高度時(shí)（其值取決于組成圓柱的物質(zhì)強(qiáng)度），它就會(huì)在彎曲作用下變得不穩(wěn)定了。只要有一丁點(diǎn)偏離絕對(duì)垂直中心的擾動(dòng)，就會(huì)造成很大的扭轉(zhuǎn)力，也就是我們?cè)诘诎苏轮械母軛U例子中的“扭矩”，會(huì)導(dǎo)致圓柱由于其自身重力而彎曲。從原理上講，巨人可以長(zhǎng)得和紅木樹(shù)一樣高，但是他的移動(dòng)能力也必須和紅木樹(shù)一樣（假設(shè)他在平方/立方法則的高度限制之下——參見(jiàn)第十章）。如果他試圖追擊或者與超級(jí)惡棍戰(zhàn)斗的話，就不可避免地會(huì)讓他的上半身向著他雙腿的前方傾斜。這樣，他的上半身的重量就會(huì)導(dǎo)致他的身體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，你還來(lái)不及喊“斯坦?李”，這個(gè)大塊頭就已經(jīng)倒在地上了。同樣的命運(yùn)也不可避免地發(fā)生在了超膽俠的早期敵人高蹺人的身上。高蹺人擁有一種機(jī)械化的裝甲，帶有兩條液壓腿，當(dāng)這兩條腿完全伸展開(kāi)來(lái)的時(shí)候，可以讓他在站立時(shí)有幾層樓高。就如同春天過(guò)后一定是夏天一樣，超膽俠也一定會(huì)用他警棍上的電線將高蹺人的雙腿纏住，導(dǎo)致他失去平衡，于是這一期的冒險(xiǎn)故事就很快落下了帷幕。蜘蛛俠的對(duì)手章魚博士的行走方式是另一個(gè)和質(zhì)心有關(guān)的神秘事件。研究科學(xué)家?jiàn)W托?奧克塔維厄斯運(yùn)用的是連接在他腰間挽具上的四條機(jī)械手臂，他利用這四條手臂操作放射性同位素。一次不可避免的放射性爆炸事故讓這副挽具和手臂與奧克塔維厄斯融合在了一起，于是章魚博士就誕生了。但是這些手臂是非常沉重的，我們經(jīng)常能看到他用自己的雙腿站著，而所有的四只手臂都在他的背后動(dòng)來(lái)動(dòng)去的！因此，它們應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩，讓章魚博士朝背后倒下去，或者，如果手臂在他前面的話，則會(huì)朝前倒下去。蜘蛛俠只要趁他的手臂沒(méi)有將他自己穩(wěn)定在地面上的時(shí)機(jī)朝他扔出一個(gè)蘋果，就能將他擊倒（或者解除他的武裝）。當(dāng)我們太過(guò)認(rèn)真地用物理學(xué)來(lái)看待這些故事的時(shí)候，很快就能得出那些并不令人滿意的解釋，這就應(yīng)該很清楚地說(shuō)明了為什么很少有人希望物理學(xué)教授來(lái)創(chuàng)作超級(jí)英雄的漫畫。正義聯(lián)盟將月亮系在了繩子上在2001年正義聯(lián)盟的冒險(xiǎn)的最后，出現(xiàn)了一場(chǎng)不真實(shí)的豐功偉績(jī)（到了這個(gè)時(shí)候，他們已經(jīng)把隊(duì)名中的“美國(guó)”兩字去掉了，不過(guò)講述他們的冒險(xiǎn)的漫畫還是使用了JLA的縮寫）。在JLA第58期中，我們看到超人、神奇女俠和綠燈俠將月亮拉入了地球的大氣圈，以此擊敗了一群叛變的火星人。也許我應(yīng)該先回過(guò)頭來(lái)解釋一下為什么他們覺(jué)得這是一個(gè)好主意?；鹦侨藦?955年的《偵探漫畫》第225期中進(jìn)入了DC的世界，在這一期中，一位物理教授試圖開(kāi)發(fā)出一種星際通訊設(shè)備，卻意外地制造出了一種傳送光線。他用這種強(qiáng)有力的光線將喬恩?喬恩斯（火星的人類獵手）送上了地球。喬恩最終選擇了偽裝身份，成為一名與犯罪斗爭(zhēng)的超級(jí)英雄，也是美國(guó)正義聯(lián)盟早在1960年成立時(shí)的成員之一。喬恩?喬恩斯擁有多得讓人眼花繚亂的可與超人匹敵的超級(jí)力量——包括飛行、超強(qiáng)的力道、刀槍不入、火星呼吸（相當(dāng)于超人的超級(jí)呼吸）、超級(jí)聽(tīng)力、火星視力，以及許多超人只有做夢(mèng)時(shí)才擁有的例如心靈感應(yīng)、隱形和變形的能力。就像超人需要氪氣石來(lái)制造一些他在一納秒內(nèi)解決不了的麻煩一樣，這個(gè)比超人更強(qiáng)大的火星的人類獵手需要一個(gè)更為普遍的阿喀琉斯之踵，才能解釋他為什么不嫌麻煩和其他的超級(jí)英雄一起組隊(duì)、建立聯(lián)盟。于是，漫畫就說(shuō)喬恩和所有的火星人一樣怕火。結(jié)果，你不需要找一塊來(lái)自毀滅了的氪星星球的外星隕石，而只需要花一個(gè)硬幣買一盒火柴就能擊敗火星的人類獵手了。在地球被一小支個(gè)個(gè)都擁有喬恩的超級(jí)力量的邪惡火星人的軍團(tuán)攻擊時(shí)，喬恩?喬恩斯發(fā)現(xiàn)自己過(guò)去以為他是火星種族里的最后一個(gè)幸存者的想法是錯(cuò)誤的。而在這一期中，就說(shuō)明了這一點(diǎn)。正義聯(lián)盟將邪惡的火星人引到了月球上，在那里沒(méi)有火星人所懼怕的火。然而，當(dāng)喬恩?喬恩斯使用他的心靈感應(yīng)能力分散了這些惡棍的注意力的時(shí)候，超人、神奇女俠和綠燈俠使用了一根超大的纜繩將月球拉入了地球的對(duì)流層中。一群具有魔法的超級(jí)英雄利用他們的神秘力量，避免了月球和地球在強(qiáng)大的重力作用之下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)難。我們的月球現(xiàn)在得到了易燃的大氣層，而邪惡的火星人為了不被燒死，很快就投降了，他們受到了懲罰，被逐入了另一個(gè)維度之中（實(shí)際上叫做幻域）。即便你將以上所有的情節(jié)都當(dāng)做超級(jí)聯(lián)盟的奇跡例外，但這個(gè)故事的發(fā)展還是存在一個(gè)嚴(yán)重的物理學(xué)毛病。牛頓第二定律，F(xiàn) = ma，告訴我們，如果將一個(gè)凈力作用在一個(gè)重物上，無(wú)論這個(gè)重物有多大，一定會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的加速度。到了20世紀(jì)90年代末，DC漫畫已經(jīng)公開(kāi)說(shuō)明了超人能夠舉起800萬(wàn)鎊的重量。我們作個(gè)最夸張的假設(shè)，神奇女俠和綠燈俠都在拉動(dòng)月亮的時(shí)候窮盡氣力，提供了與之相等的力，那么這三個(gè)英雄總共可以提供的力就是240億鎊。由于那些具有魔法的英雄讓重力效應(yīng)失效了，我們可以假設(shè)當(dāng)月球靠近地球的時(shí)候并沒(méi)有得到地球的引力場(chǎng)的幫助（這樣可以讓計(jì)算簡(jiǎn)便一些）。月球的質(zhì)量有將近700萬(wàn)億億千克。因此，牛頓定律就表明，月球當(dāng)然會(huì)由于這個(gè)力而加速，但是運(yùn)動(dòng)的變化率將非常非常小。月球的加速度只有50億分之一英尺/平方秒（在地球表面的重力加速度為32英尺/平方秒），所以要將月球移動(dòng)很長(zhǎng)一段距離的話，需要非常漫長(zhǎng)的時(shí)間。在這個(gè)加速度下，月球從它平常的軌道運(yùn)動(dòng)到達(dá)我們的大氣圈上層所需的時(shí)間都超過(guò)735年了（大約24萬(wàn)英里）！我們只能得出結(jié)論，喬恩?喬恩斯讓時(shí)間發(fā)生了極大的延遲，使得邪惡的火星人在超過(guò)7個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里都沒(méi)有意識(shí)到發(fā)生了什么！有了天使的翅膀——你就能飛了嗎？在基因突變者團(tuán)隊(duì)X戰(zhàn)警1963年的原始成員中，有一個(gè)叫沃倫?沃辛頓三世的家伙，他的基因突變天賦讓他的背上長(zhǎng)出了一對(duì)寬大且羽翼豐滿的翅膀。這支超級(jí)英雄團(tuán)隊(duì)中的其他成員都不具備飛行的能力，而除了冰人的冰坡以外，天使是唯一一個(gè)在受到召喚去和邪惡變種人兄弟會(huì)戰(zhàn)斗時(shí)可以不用走路或者乘公共汽車趕往事發(fā)地點(diǎn)的角色。① 其他有翅膀的超級(jí)英雄或者惡棍，例如DC漫畫的鷹人或者《蜘蛛俠》中的惡棍禿鷲則使用例如鷹人的未知金屬這樣的“反重力”設(shè)備來(lái)克服重力。他們把翅膀（鷹人或者鷹女的翅膀是長(zhǎng)在背上的，而禿鷲的翅膀則是從他的手臂上長(zhǎng)出來(lái)的）作為駕駛設(shè)備，幫助他們?cè)陲w行時(shí)控制自己。相反的，X戰(zhàn)警的天使則利用他的翅膀作為運(yùn)動(dòng)的基本方法。如果你的背后長(zhǎng)出了翅膀，那么自然就能合理地認(rèn)為你可以飛了，但事實(shí)的確如此嗎？鳥(niǎo)類和飛機(jī)能夠脫離重力的強(qiáng)制約束也是利用了相同的物理原理：牛頓第三定律，任何一個(gè)力都有一個(gè)大小相等、方向相反的力和它對(duì)應(yīng)。我們認(rèn)為是高速移動(dòng)的物體產(chǎn)生的壓力變化（被稱為伯努利效應(yīng)）讓飛機(jī)能夠飛行，但這是一個(gè)普遍的誤解。閃電俠在第五章中喚醒了超級(jí)速度時(shí)將惡人布拉茲拖在他身后，我們從中可以找到這種壓力差。像閃電俠這樣的高速移動(dòng)物體必須在運(yùn)動(dòng)時(shí)推開(kāi)阻擋他前進(jìn)的空氣，并因此會(huì)在他背后留下一片空氣密度較低的區(qū)域。當(dāng)空氣很快向這片部分真空區(qū)域填補(bǔ)進(jìn)去時(shí)，根據(jù)和我們?cè)诘谑轮兴務(wù)摰撵叵嗤脑?，它?huì)將一切物體推入它的運(yùn)行軌跡中，這就像是在高速運(yùn)動(dòng)的汽車或者火車背后會(huì)有紙屑飛舞一樣。然而，如果翅膀輪廓導(dǎo)致了翅膀上方和下方的風(fēng)速差，那么飛機(jī)就不可能正著飛了，因?yàn)椴?yīng)所產(chǎn)生的壓力差有一個(gè)將飛機(jī)推向地面的趨勢(shì)。在任何情況下，我們總是可以運(yùn)用牛頓第三定律，它告訴我們力是成對(duì)出現(xiàn)的。要給飛機(jī)翅膀提供一個(gè)向上的等于或者大于飛機(jī)重力的力，那么就必須從翅膀上對(duì)其下方流過(guò)的空氣施加一個(gè)向下的同樣大的力。翅膀下方區(qū)域中向下流動(dòng)的空氣會(huì)產(chǎn)生向上的推力，將飛機(jī)送入無(wú)邊無(wú)際的藍(lán)天之中。當(dāng)超人跳起來(lái)的時(shí)候，他向下推動(dòng)地面，從而產(chǎn)生一個(gè)相等而相反的力反過(guò)來(lái)推動(dòng)他跳起來(lái)。類似地，鳥(niǎo)類扇動(dòng)著翅膀，將一定量的空氣向下推動(dòng)，翅膀施加在空氣上的向下推力對(duì)應(yīng)于空氣對(duì)于翅膀的向上推力。翼展越大，推動(dòng)的空氣的體積就越大，而相對(duì)應(yīng)的向上推力也就越大。這就是為什么潛水人無(wú)法用他腳踝上的小翅膀飛起來(lái)的原因。這些嬌小的翅膀太小了，無(wú)法提供可以抵消潛水人的重力的足夠升力。如果沃倫?沃辛頓三世的體重為150鎊（等同于68千克的質(zhì)量），那么他的翅膀就必須對(duì)空氣施加至少150鎊的向下推力，這樣空氣對(duì)他的翅膀的反作用力就能和他的體重平衡，讓他浮在空中。當(dāng)然，如果他想要加速的話，那么他的翅膀就要提供超過(guò)150鎊的力，從而得到額外的力（向上推力減去地心引力引起的向下的重力）來(lái)提供凈加速度。如果他的翅膀能夠提供200鎊的向上推力，而重力產(chǎn)生了150鎊的向下的力，那么沃倫就會(huì)得到50鎊的凈垂直力。力等于質(zhì)量乘以加速度，所以這個(gè)50鎊的向上推力就產(chǎn)生了11英尺/平方秒的垂直加速度。在這一加速度下，忽略必須克服的很大的空氣阻力，天使在8秒多一點(diǎn)的時(shí)間里就能從0加速到60英里/小時(shí)。一旦他停止扇動(dòng)翅膀，作用在他身上的力就只有將他拉回地球的重力了。當(dāng)然，他到了空中可以滑翔，但是他必須繼續(xù)對(duì)空氣施加向下推力才能真正地飛起來(lái)，而不是向下滑行。對(duì)于他的翅膀而言，施加200鎊的推力可不是一個(gè)小數(shù)字，但是，人類舉起相當(dāng)于體重133%的重物也并不是不可能的事情。例如加利福尼亞禿鷲或者漂泊信天翁這樣的鳥(niǎo)類，體重大約分別為30磅或者20鎊，但是卻能夠產(chǎn)生足夠的力進(jìn)行飛行。但是，沃倫?沃辛頓三世的體型和鳥(niǎo)可不一樣。鳥(niǎo)類的翅膀并不是長(zhǎng)在背上的——它們的手臂進(jìn)化成了翅膀。它們還有兩種額外的改變來(lái)輔助臂部翅膀：（1）它們具有龍骨狀的胸骨——也就是說(shuō)，鳥(niǎo)類胸口中央的寬大骨頭上面有一個(gè)鉸鏈，相當(dāng)于你的肋骨。這個(gè)鉸鏈成為了下面這種改變的支點(diǎn)，也就是（2）鳥(niǎo)類有兩塊極其龐大的肌肉用于拍打翅膀。鳥(niǎo)類的胸脯之所以肉多，就是因?yàn)檫@些最大的肌肉，也就是它們的胸肌，在飛行時(shí)提供了翅膀的大部分力?；貞浺幌碌诎苏潞偷谑?，骨骼或肌肉的強(qiáng)度會(huì)隨著其橫截面積而增強(qiáng)。因此，要是天使能夠用他的翅膀飛上天空的話，就必須得有碩大的胸肌。沃倫的翼展為16英尺，體重150鎊，那么體重和翼展之比就是9鎊/英尺，而加利福尼亞禿鷲的這一比例則是3鎊/英尺。沃倫的手臂并不能為他的翅膀提供力的幫助，所以他必須光靠他的胸部和背部的肌肉提供向上的推力，這樣一來(lái)，他就成了一個(gè)肌肉僵硬且效率低下的超級(jí)英雄了。要想適應(yīng)飛行的話，沃倫還有幾個(gè)要用奇跡例外來(lái)解釋的地方。為了減輕體重，鳥(niǎo)類具有質(zhì)量很輕的骨骼，這些骨骼是多孔結(jié)構(gòu)的，但依然保持了了不起的強(qiáng)度。鳥(niǎo)類還具有效率非常高的呼吸系統(tǒng)，在兩次深呼吸中，它們肺部存留的每一個(gè)氧分子都會(huì)被替換掉，與之相對(duì)應(yīng)，我們每次呼吸只會(huì)把肺部存留的10%的空氣分子替換掉。鳥(niǎo)類需要能夠快速地更新它們的空氣供給，因?yàn)樗鼈円≡诳罩械脑?，胸部的肌肉?huì)運(yùn)動(dòng)得非常激烈。沃倫的呼吸效率有可能達(dá)到類似的強(qiáng)度。但是總而言之，除非他被畫上了龐大的胸肌——這更適合20世紀(jì)90年代的一些女性超級(jí)英雄角色——否則，他背上的翅膀的功能性就比不上裝飾性了。

媒體關(guān)注與評(píng)論

以一種有趣但不乏真誠(chéng)的眼光，從超人和蜘蛛俠身上學(xué)習(xí)物理知識(shí)……非常有趣……他的解說(shuō)通俗流暢?！犊茖W(xué)》雜志（science）

編輯推薦

《超級(jí)英雄物理學(xué):和超人、蜘蛛俠一起學(xué)物理》編輯推薦：美國(guó)權(quán)威科學(xué)雜志《科學(xué)》（Science）和英國(guó)著名科學(xué)雜志《自然》（Nature）傾力推薦。探索頻道2005年度最佳科學(xué)圖書“和超人、蜘蛛俠一起學(xué)物理”，從萬(wàn)有引力到牛頓運(yùn)動(dòng)定律，再到量子力學(xué)。

圖書封面

圖書標(biāo)簽Tags

無(wú)

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    超級(jí)英雄物理學(xué) PDF格式下載

---