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  • [反重力思考]Anti gravity thinking

在墙上赛车

时间: 2014年12月30日 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)

专栏作者简介

史蒂夫·米尔斯基(Steve Mirsky)是从大气中二氧化碳浓度还是358ppm时就一直在写反重力思考专栏。他还是《科学美国人》的播客Science Talk的主持人。

每个曾经坐在停好的车里,握着方向盘“轰——轰——”地模拟引擎声的孩子,可能都曾想过一个基本的物理学问题:如果我开得够快,能把车子开到赛道的墙壁上不掉下来吗?

 

1978年春天,我去看了一次印第安纳波利斯500车赛(一项美国车赛,每年美国阵亡将士纪念日所在的周末,在印第安纳波利斯赛道举办,简称印第500)。我当时最大的疑惑是,能否在赛车场厕所那滑溜溜的地板上走一遭而不至跌倒。当成百上千个醉汉在早晨10点之前济济一堂时,相信我,厕所的地板一定是很滑的。伟大的体育记者丹·詹金斯(Dan Jenkins)曾在1991年的半自传体小说《体育记者的一年》(You Gotta Play Hurt)中写过:“一眼望去,到处都是车,到处都是人,内场已经流出了一道道污水,里面夹杂着呕吐物、啤酒、油乎乎的东西和烟头。”我说句公道话,厕所里倒是不怎么油乎乎。

 

我的第二个疑惑是,会不会有某辆赛车的零件飞到看台上,然后我的讣告就变成了当天赛事报道的一条花絮……我又扯远了。 

 

关于那个赛车能不能开上墙面的问题,最简短的答案当然是能:一辆重量适中、速度够快的小汽车,的确可以在弧形的垂直墙面上行驶而不掉下来。不过正如詹金斯所说:“那道墙壁在印第500车赛中‘获胜’的次数,比A·J·福伊特、威尔伯·肖和恩瑟家族(A. J. Foyt、Wilbur Shaw、Unsers,均为著名赛车手)加起来还多。”所以,职业车手一般都会极力避免和那道墙壁有任何接触。

 

 

不过,英国莱斯特大学物理系却出了几个无畏的学生,在莱斯特大学的《物理学特殊课题杂志》(Journal of Physics Special Topics)的3月号上,研究赛车能否爬上墙的问题。(这份期刊为莱斯特大学的那些未来物理学家们提供了一个思考的场所,他们思考的问题诸如:月亮如果是奶酪做的会怎么样——尤其是温斯勒德奶酪。激辩之后他们得出了如下结论:一个体积不变的奶酪月亮,它的密度将有所下降,引力也相应减小,从而使地球上的潮汐变弱。这就是他们所谓的“特殊课题”)

 

为了给墙上驾驶做力学分析,几位学生建立了印第500的赛道模型。和所有的伟大物理学家一样,他们也引入了几个简化假设:“我们假设赛道是正圆形而非椭圆形,而且车辆一开始就在垂直的墙壁上以一定的速度行驶。”

 

这时候,墙上的赛车会受到四种力的作用:车轮和墙面的摩擦力、正向力(基本上就是一个物体骚扰另一个物体表面时,那个表面对它的反推力)、重力,还有赛车的“向下的力”(在这里是垂直于墙面的离心力)。赛车还要具备一定的空气动力学特征,以便在快速行驶的时候能够紧贴墙壁。

 

这里的“快速”指的是很快很快的速度。詹金斯在书中写道:“赛车呼啸着驶过,速度太快,我们根本看不清车身上的贴花。”我看那场印第500时,座位在第三和第四个弯道之间,已经是赛道上速度较慢的一段了,但即便如此,赛车开到我面前时依然飞快,快得分不清是米尔斯(Rick Mears,美国赛车手)还是米尔斯基。那场比赛最终的获胜者是老艾尔·恩瑟(Al Unser, Sr.),他的贴花我也没有看清。

 

莱斯特大学的孩子们分析了两种赛车,一种是奥迪TT民用车,重1 390千克,另一种是潘世奇-雷诺-本田开轮式赛车,重700千克。(“在印第500上是不可能摆脱潘世奇商标的,”詹金斯写道,“你在梦里都能见到它”)同样是以150英里(约241.4千米)的时速悠然行驶,潘世奇赛车会牢牢地贴在墙壁上,就像埃克森美孚的广告牢牢地贴在车手的防火服上一样。而较重的奥迪则会掉下来,翻落在地。

 

年轻的物理学家们由此总结:“只要车辆合适,在垂直赛道上行驶是可行的。但是这样的比赛可能永远无法实现,因为修建赛道的成本会十分高昂,发生撞车时也会十分危险。”詹金斯在书里假设了另一种有趣的情形:“我倒是有一个办法,既能为赛车增添趣味,也能决出到底谁才是最佳车手——让赛车双向对开行驶。”(撰文:史蒂夫·米尔斯基(Steve Mirsky) 翻译:红猪)

 

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2014年第7期(微信ID:huanqiukexue)。

电子版详见:http://www.huanqiukexue.com/plus/list.php?tid=30