“鋼鐵俠”飛行背后的物理原理是啥？

北京時(shí)間6月21日消息，美國(guó)特效工程師、著名節(jié)目《流言終結(jié)者》主持人亞當(dāng)·薩維奇嘗試打造了一款真實(shí)的鋼鐵俠戰(zhàn)衣，并且真的可以飛行。

他用鈦制作了鋼鐵俠戰(zhàn)衣的各個(gè)部件，然后加上Gravity Industries公司打造的噴射引擎，使其成為一款可以飛的戰(zhàn)衣，戰(zhàn)衣上安裝了多個(gè)小型噴射引擎，提供足以讓一個(gè)人飛起來(lái)的推力。

但普通人能穿著這套戰(zhàn)衣飛起來(lái)嗎？答案是有可能，但僅僅是“有可能”而已。

理查德·布朗寧成為了這套戰(zhàn)衣的“駕駛員”，如在現(xiàn)實(shí)世界中見(jiàn)到一位飛翔的“鋼鐵俠”，這景象簡(jiǎn)直有如史詩(shī)一般。

但這套飛行戰(zhàn)衣要如何控制呢？

戰(zhàn)衣背部裝有一個(gè)主噴射引擎，同時(shí)雙臂各有兩個(gè)較小的噴射引擎，這就意味著，穿戴者只需要改變胳膊位置，就能對(duì)戰(zhàn)衣進(jìn)行控制了，甚至不需要調(diào)整噴射推力，這個(gè)設(shè)計(jì)還蠻酷的。

看完了炫酷的戰(zhàn)衣飛行，我們想從物理宅的角度來(lái)討論討論，如何放置胳膊才能做出不同的飛行動(dòng)作，這可是關(guān)乎到你能不能飛起來(lái)又快有帥~

懸停和垂直運(yùn)動(dòng)

剛開始時(shí)，穿戴者應(yīng)將雙臂伸出，并保持在一定角度。這樣一來(lái)，人體大致受到四個(gè)力：有向下的引力，還有由背后的噴射引擎提供的向上（稍微帶一點(diǎn)角度）的力。此外，雙臂的噴射引擎還會(huì)提供兩個(gè)傾斜的力。下圖為戰(zhàn)衣處于懸停（靜止離地）狀態(tài)時(shí)的簡(jiǎn)化版受力圖。

等一下，在進(jìn)一步討論這些力之前，我們先來(lái)過(guò)一遍一些基本的物理知識(shí)。首先是引力，在受力圖上標(biāo)為mg，其中m為穿戴者的質(zhì)量，g是引力常數(shù)，在地球表面，引力常數(shù)約等于每千克9.8牛。

力究竟有什么作用呢？最基本的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系指出，作用于一個(gè)物體的總向量力（合力）與該物體的加速度成正比，也就是說(shuō)，穿戴者要想懸停在半空中，受到的合力必須是零，若合力方向朝上，穿戴者就會(huì)加速向上運(yùn)動(dòng)。

既然要用到合力，先給大家看一下合力的等式：

而關(guān)于這個(gè)等式，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明。變量上方的箭頭代表它們?yōu)橄蛄?，即帶有多個(gè)信息的變量，比如說(shuō)，這些變量既可以表示力的大小，還可以表示力的方向。

等式中的mg為什么是正的、而不是負(fù)的呢？這是一個(gè)學(xué)生常犯的錯(cuò)誤。這是因?yàn)橐Τ?shù)的矢量方向本身就是朝下的，這一信息已經(jīng)包含在這個(gè)矢量中了，因此不需要再給它加上一個(gè)負(fù)號(hào)，否則整個(gè)等式就亂了套了。

0上方的箭頭又是怎么回事呢？這其實(shí)是零向量，和普通的零并不一樣。零向量是指在各個(gè)方向上大小都為零的力，即在x軸、y軸和z軸上都為零，零向量非常重要，但大多數(shù)入門級(jí)教科書都對(duì)其避而不談。

但如果不改變噴射推力，怎樣才能從懸停狀態(tài)變成加速向上呢？關(guān)鍵就在于雙臂的噴射角度。假設(shè)穿戴者目前處于懸停狀態(tài)，那么其y軸上的合力必然為零。這里要注意的是，當(dāng)我們討論力的分解時(shí)，在各個(gè)軸上的分解力都是一維的、并不是向量，因此在懸停狀態(tài)下，y軸方向上有4個(gè)力，除了背部的推力和引力之外，還有從雙臂噴射推力分解出的垂直方向上的推力。單臂受力圖的分解如下圖所示。

任何向量力都可以分解為幾個(gè)不同的力。我們可以將一個(gè)力沿x軸和y軸進(jìn)行分解（在現(xiàn)實(shí)生活中還可以加上z軸），由于x軸和y軸相互垂直，分解出的兩個(gè)力便構(gòu)成了一個(gè)直角三角形，因此你可以用中學(xué)所學(xué)的三角函數(shù)計(jì)算出這兩個(gè)分力的大小，結(jié)果取決于噴射引擎的推力角度。

這一點(diǎn)很重要。這樣一來(lái)，你就知道怎樣才能加速向上飛行了：需要更多垂直方向上的推力。不需要對(duì)噴射引擎本身做任何改變，只需要將雙臂更貼近身體就行。這樣一來(lái)，兩側(cè)的力與垂直方向的夾角就會(huì)縮小，y軸上的分力就會(huì)變大，身體向上的總合力也會(huì)隨之增加，使你加速向上運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)動(dòng)作還會(huì)改變x軸上的分力，使之減小，但這沒(méi)關(guān)系，因?yàn)閮蓷l胳膊在x軸上的分力可以相互抵消，只要雙臂同時(shí)做這個(gè)動(dòng)作，就沒(méi)什么問(wèn)題。

向前運(yùn)動(dòng)

沒(méi)人愿意一直懸停在空中。

假如你是鋼鐵俠，你肯定也想到處飛來(lái)飛去對(duì)不對(duì)？要想加速向前運(yùn)動(dòng)，你需要將裝在雙手上的噴射引擎朝向后方—;—;只需要一點(diǎn)點(diǎn)就可以了，幅度不用太大，甚至讓雙臂豎直垂下也可以讓你向前飛。下圖是鋼鐵俠側(cè)面的受力圖。

這里要注意的是，圖中只有一個(gè)向前的分力，由背后的噴射引擎提供。假如雙臂的噴射引擎沒(méi)有指向后方，這個(gè)分力就是唯一讓你向前加速運(yùn)動(dòng)的力，如果沒(méi)有其它力，穿戴者就會(huì)維持這一姿勢(shì)、不斷向前加速。

一旦達(dá)到了你想要的速度，你就可以把胳膊放回懸停時(shí)的位置，這樣速度就不會(huì)繼續(xù)增加了。勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)并不需要非零合力，只有加速運(yùn)動(dòng)時(shí)才需要，另外，假如空氣阻力很大的話，你受到的力也會(huì)稍有變化。

在加速過(guò)程中，你可能不得不調(diào)整一下胳膊的姿勢(shì)。如果你把胳膊向后伸、身體向前傾，就會(huì)改變垂直方向上的分力，沒(méi)關(guān)系，只要把胳膊貼近身體，垂直向上的分力就會(huì)隨之增加，彌補(bǔ)剛才的變化。

那如果想轉(zhuǎn)圈圈、或者側(cè)著身體飛行呢？朝側(cè)面運(yùn)動(dòng)和向上運(yùn)動(dòng)一樣，只要在該方向上的合力不為零，就可以朝你想要的方向飛去了，如果想停下來(lái)，只要在反方向上加一個(gè)力，便可順利減速。

而如果想做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就得考慮一下在扭轉(zhuǎn)方向上的合力，但切勿操之過(guò)急，一定要慢慢來(lái)。等你掌握了懸停技巧之后，再嘗試旋轉(zhuǎn)吧。

看到這里，有沒(méi)有覺(jué)得好像回到了高中令人眩暈的物理課堂，還是直接等著這套“鋼鐵俠”的戰(zhàn)衣能真正買到的時(shí)候，買一套來(lái)玩玩好了~