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從漫畫里學物理

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從漫畫里學物理

Postby admin » Wed Jun 03, 2015 2:00 pm

雷神索爾的槌子vs美國隊長的盾牌
http://buzzorange.com/techorange/2014/0 ... relatedtom
者 Rhett Allain 是東南路易斯安納大學的物理學副教授,他在文中以第一人稱引導讀者藉由美國隊長、雷神索爾等漫畫與電影人物探討物理原理。

我不是唯一喜歡從漫畫(或漫畫改編電影)學物理的人,像是 Matt Shipman(@ShioLives)就從美國隊長的盾牌解釋物理原理,超酷!在讀者閱讀 Matt Shipman 的文章前,讓我先來幫各位畫重點。

碰撞與動量。

盾牌是防衛用的,所以外來物會撞擊到盾牌而不是持盾者。關於碰撞,物理學的解釋是有能量就有動量。例如有人朝著美國隊長的盾牌丟石頭,這個舉動造成的碰撞可以用下圖表示。



圖示說明了力的基礎概念。力透過兩個物體互相作用產生,如果石頭在盾牌上產生一股推力,盾牌就會在石頭上產生等量、反方向的力。這是牛頓第三定律,這點讀者應該都了解,但我們可以再談得細緻一點(在你真的了解等量反作用力之前,不要脫口說出這個詞)。

動量呢?力的本質是改變物體的動量。以一般速度來說(不是光速這種特例),我們可以說動量由質量和速率產生(我們用 p 來代表動量),因此「力 – 動量原理」可以寫成以下等式:



盾牌與石頭間的碰撞,兩個物體在動量上的改變可以用下圖表示:



因為石頭作用在盾牌上的力,以及盾牌作用在石頭上的力,彼此等量但方向相反(作用時間相同),所以盾牌和石頭上的動量改變也必須相等、反向,這是動量守恆定律。只要沒有外力作用在物體上,動量一定守恆。石頭與盾牌的例子中,存在某些外力,但這些碰撞力在短時間內發生,以致於動量守恆定律成立。

雷神索爾的槌子打在美國隊長的盾牌上,能量跑哪了?
這是美國隊長盾牌最大的問題。如果雷神索爾把鎚子丟向盾牌,盾牌和鎚子的動量應該要守恆。我不確定索爾的鎚子有多重,但我不認為它的動量很大。也就是說不管甚麼東西砸向美國隊長的盾牌,都會產生反作用力。

碰撞與能量。除了動量外,我們也該想想能量。假設我把棒球丟向你,你把球接起來,在球被接起來之前,球的能量是一種動能。但球被接起來後,它就不再具有動能。雖然能量必須像動量一樣守恆,但是動能不一定如此。也就是說在球被接起來後,某種能量一定會增加。以棒球與手套為例,丟接的過程間熱能增加,接球者的某種內在能量也同樣增加。

當雷神索爾在美國隊長的盾牌施力時,能量到哪去了?Matt 在文中透過物質科學家 Suveen Mathaudhu 的理論提出精彩解答。Suveen 認為碰撞的能量一定到了某處;也許這些能量進入盾牌原料的原子鍵,因此盾牌像是某種電容器。

回家作業:顯然上述這個推測會激起更多疑問,以下就是讀者的回家作業。

● 動量發生甚麼變化?試著用有創意的方式解釋美國隊長如何使用盾牌抵擋一股強大力量,卻又不違背動量守恆定律。

● 盾牌的原料是 vibranium嗎?(電影中提到 vibranium 是宇宙中最硬的金屬之一)如果不是,那是以甚麼為原料呢?喔!你認為盾牌的原料是 adamantium 而不是 vibranium 嗎?我聽到你的抱怨了,但是 Stephen Colbert(美國節目主持人)說它是 vibranium 做的,它就是。既然我都給答案了,這題不算回家作業。

● 盾牌吸收了多少能量?假設有人朝美國隊長丟了一台一般尺寸的車子,美國隊長用盾牌擋下。盾牌的哪種內在能量增加了?要回答這題,你要做個估算。如果這個增加的內在能量「只有」熱能,盾牌會變得多熱?

● 如果盾牌承受來自某個超級英雄的重擊,請評估盾牌內在的原子能會增加多少?這股能量會對原子產生甚麼改變?這股力量是否足以破壞盾牌原料的原子鍵結?這股力量是否足以讓電子離子化?這股力量是否足以激化原子核?
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