Как победить в "гонках без правил"?

Мозгоштурм

Видеоуроки - 7 класс
Тесты - 7 класс

Видеоуроки - 8 класс
Тесты - 8 класс

Видеоуроки - 9 класс
Тесты - 9 класс

Видеоуроки - 10 класс
Тесты - 10 класс

Видеоуроки - 11 класс
Тесты - 11 класс


Как победить в "гонках без правил"?

«В Матрице твоё сознание меняется, но ты по-прежнему остаешься физиком...»

Неверие и сомнения отбрось — очисти свой мозг для осознания нестандартных вопросов!
Присоединяйтесь к научным размышлениям!

Серьезные ответы физика на абсурдные гипотетические вопросы, возникающие порой у взрослых и детей.
Глава из книги "А что, если...?".
Автор: Рэндалл Монро — физик и программист.

Ранее
Оглавление
Далее

Если выбросить из автогонок все правила и провести соревнование, где единственная цель участников — как можно быстрее провезти человека по трассе 200 раз, какой будет выигрышная стратегия? Допустим, что гонщик должен выжить.

Наилучшее возможное время — около 90 минут.

Есть куча вариантов сборки транспортного средства — электромобиль, ракетные сани, рельсовая вагонетка — и во всех случаях самой ненадежной частью конструкции будет человек.

Основная проблема — ускорение. На кривых участках трассы на водителей действуют сильные перегрузки. На гоночной трассе в Дейтоне, штат Флорида, есть два больших поворота, и если гонщики будут проходить их слишком быстро, то могут попросту умереть от перегрузки.

Если время действия перегрузки достаточно мало, например как при автомобильной аварии, то человек способен испытать сотни g (где 1 g — это перегрузка от стояния на поверхности в поле тяготения Земли) и не умереть.
На летчиков-истребителей во время маневрирования может действовать до 10 g — и, вероятно как раз поэтому, очень часто данную цифру огрубленно считают пределом перегрузки для человека. С другой стороны, и 10 g пилоты испытывают сравнительно недолго, тогда как наш гонщик будет им подвержен в течение целых минут, а то и часов.

Вот занятный документ NASA о физических эффектах перегрузки, и весьма полезный график на рис. 5.

Но наиболее интересные данные предоставил Джон Пол Стапп. Стапп был офицером военно-воздушных сил, который привязывал себя к ракетным саням и подвергал тело предельным нагрузкам, каждый раз составляя подробные заметки.
На сайте, посвященном катапультированию, можно прочитать о нем замечательное эссе. Оно заслуживает внимания целиком, но вот моя любимая часть: «…Стаппу присвоили звание майора и напомнили, что нагрузки в 18 g являются предельными для человека…»

Ладно, Стаппа в сторону. Согласно статистике, обычные люди на временных отрезках порядка часа способны выдерживать ускорение всего в 3–6 g. Если ограничить наш автомобиль четырьмя g, то максимальная скорость, которую он сможет развить на виражах Дейтоны, будет где-то около 380 км/ч. На такой скорости весь маршрут можно преодолеть часа за два, что определенно быстрее, чем любой из результатов на реальной машине, хотя и ненамного.

Но погодите-ка!
А что насчет прямых участков? На поворотах мы разгоняемся — а на прямых катимся по инерции. Вместо этого можно, наоборот, разгоняться на прямых и сбрасывать скорость в конце. В этом случае график скорости будет примерно таким:

У такого подхода есть дополнительное преимущество: при достаточно грамотном маневрировании водитель может свести колебания ускорения к минимуму на всем протяжении трассы, что позволит, если все удачно сложится, легче справляться с возникающими силами.

Стоит иметь в виду, что вектор ускорения будет все время меняться. Лучше всего человек переносит ускорение вперед, в направлении грудной клетки — как водитель при разгоне. Меньше всего наше тело приспособлено к ускорению вниз, к стопам, при котором кровь бьет в голову.
Чтобы водитель остался в живых, его нужно разворачивать так, чтобы давление всегда приходилось на спину. (Но нужно быть аккуратным, чтобы не менять направление слишком быстро, иначе центростребежные силы от разворота кресла окажутся смертельными сами по себе!)

Быстрейшим из современных пилотов Дейтоны понадобится около 3 часов, чтобы пройти 200 кругов. Если единственное ограничение — не превышать 4 g, пилот пройдет дистанцию немногим меньше чем за 1 час 45 минут. Если поднять предел до 6 g, время упадет до 1:20. На 10 g, когда допустимая для человека перегрузка уже давно позади, мы все еще не выйдем из часа. (Но зато на прямых перейдем звуковой барьер.)

Так что, если не брать в расчет сомнительные идеи вроде жидкостного дыхания, преодолеть трассу Дейтоны меньше чем за час не позволит нам строение человека. А что, если опустить требование «остаться в живых»? Насколько быстро автомобиль может пройти трассу?

Представьте «транспортное средство» со стержнем посередине и идущими от него кевларовыми ремнями с противовесами на концах. Фактически это гигантская центрифуга. Так мы приходим к одному из моих любимых странных уравнений, из которого следует, что край вращающегося диска не может двигаться быстрее корня квадратного из удельной прочности материала этого диска.
Для прочных материалов вроде кевлара эта скорость составляет 1–2 км/с. В принципе, на таких скоростях капсула сможет дойти до финиша примерно за 10 минут, хотя и определенно не с живым гонщиком.

Хорошо, забудем о центрифуге. Что, если мы построим твердый желоб вроде трассы для бобслея и запустим по нему вниз подшипник (наш «автомобиль»)?
К сожалению, уравнение диска снова наносит удар: подшипник не сможет двигаться быстрее пары километров в секунду — или же будет вращаться настолько быстро, что сам себя разорвет.

Что, если мы заставим его скользить, а не катиться? Можно представить себе бриллиантовый куб, скользящий по гладкому бриллиантовому желобу. Поскольку кубу не нужно вращаться, то потенциально он сможет выдержать большее ускорение, нежели вращающийся подшипник. Однако скольжение даст гораздо большее трение, нежели качение, и наш бриллиант может загореться.

Чтобы справиться с трением, можно при помощи магнитного поля заставить капсулу парить, а также постепенно уменьшать ее в размерах и массе для улучшения управляемости и разгона. Упс, мы только что случайно построили ускоритель частиц.

И хотя ускоритель частиц в точности не подходит по критериям вопроса Хантера, он делает серьезную заявку на успех. Частицы в пучке БАК двигаются со скоростью, очень близкой к скорости света, — при таких значениях они пройдут 805 км (30 кругов) за 2,7 миллисекунды.

Википедия насчитывает около 850 гоночных трасс. Пучок частиц из БАК сможет пройти эквивалентное 500 милям Дейтоны расстояние последовательно по каждой из этих 850 трасс где-то за 2 секунды — еще до того, как гонщики дойдут до первого поворота.

И это на самом деле такая скорость, что быстрее уже некуда.

Источник: No-rules NASCAR, chtoes.li, CC BY-NC 2.5

«Догадываюсь, к концу страницы ты чувствуешь себя Алисой, падающей в кроличью нору…»

Ранее
Оглавление
Далее