我造了一件鋼鐵俠戰(zhàn)衣，防彈抗爆，能！上！天！
初中物理知識就夠了
乾明 曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
無數人心心念的鋼鐵俠戰(zhàn)衣，被人高度仿真做出來了：
出手者，是久負盛名的美國特效工程師、著名極客節(jié)目《流言終結者》主持人Adam Savage。
在他新做的一檔節(jié)目Savage Builds中，介紹了這一壯舉。
與其他鋼鐵俠戰(zhàn)衣的Cosplay者相比，Adam的戰(zhàn)衣明顯精良了太多，而且防彈抗爆：
最關鍵的是，這個戰(zhàn)甲真！能！上！天！
要知道，漫威電影中，第一代鋼鐵俠戰(zhàn)衣的雛形也不過如此。
視頻放出來之后，瞬間在社交網絡上刷屏，驚嘆之聲無處不在，而且想要者甚多。
那么，這樣一個能飛的鋼鐵俠戰(zhàn)衣，是怎么造出來的呢？
飛行原理
我們先從原理講起。
在Adam Savage造出鋼鐵俠戰(zhàn)衣后不久，科技媒體《連線》雜志就發(fā)表了一篇文章，從物理學的角度，詳細分析了背后的原理。
而且所需物理知識，沒有超出九年義務教育范疇。
如果足夠細心，你一定記得“鋼鐵俠”剛開始飛行時候，手臂會略微張開，保持一定角度。
這并非只是劇情效果需要。
因為這樣一來，就會受到4個力的作用：有向下的重力（mg），來自背包噴射產生的向上的推力（FB），以及來自兩個手臂噴射裝置向上的傾斜的力（FR和FL），各個力的方向與構造大致如下圖所示：
初中物理老師告訴我們，在這種狀態(tài)下，想要鋼鐵俠懸浮在空中，需要各方合力保持為零，
其對應的公式如下：
那么，如果不改變噴射推力，怎么從懸停狀態(tài)變成到加速起飛呢？
其中的關鍵是兩個噴射臂的推力角。從上面的受力分析圖來看，人在水平方向上受到的力有兩個，來自左右噴射臂。
如下圖所示，θ代表手臂與水平方向的夾角，力的大小分別是FRcosθ、FLcosθ。
在懸浮狀態(tài)下， FRcosθ = FLcosθ，它們大小相等方向相反，相互抵消。
垂直方向上，人受到的力有4個，分別是來自噴射背包、噴射臂以及地球引力。假設戰(zhàn)衣駕駛員處于懸停狀態(tài)，則y方向上的合力必須為零。
FRsinθ + FLsinθ + FB – mg = 0
想飛起來，就把手臂貼近身體，此時手臂與水平方向的夾角θ增大，sinθ也在增大，總的升力將會大于重力。
同樣的，當把手臂逐漸放平減小θ時，總的升力將小于重力，人就可以緩緩落回地面。
如果你是鋼鐵俠，想要操控戰(zhàn)衣飛到別的地方去，就需要改一改噴射方向。
為了加速前進，你需要將你的手朝向后方，或者把身體向前傾斜，噴射器就會把你的身體向前推。反之亦然。
只有原理還不夠，要讓一個人飛起來，大致需要多少能量呢？一年前，《連線》也發(fā)文推算過這個問題。
噴氣背包的原理是吸入空氣噴向下方，產生向上的反作用力。推力對空氣做功等于空氣獲得的動能。
由此算出推力的大小。
其中，ρ代表空氣密度，A是噴射器截面面積，v是空氣最終噴出的速度。當這個力等于重力的時候，人就能做到懸停。
此時噴射器的功率為：
人+鋼鐵俠戰(zhàn)衣的總重量為90kg，總共有6個噴射器、每個直徑都是10厘米，帶入其中的算出功率為78千瓦或者104馬力。
實際上Adam拍攝所用的鋼鐵俠戰(zhàn)衣功率比這個結果大得多，約1000馬力。
原理簡單上手難
可以看出，鋼鐵俠戰(zhàn)衣的基本原理并不復雜，但實際的制造過程卻比這個復雜得多。
不過，得益于現代工業(yè)的發(fā)展，Adam在制作的過程中使用了很多現成技術。
首先，戰(zhàn)衣上的各個部件，都是通過3D打印制作，原料是鈦合金，其防彈的能力也是來自于此。
飛行則是依靠戰(zhàn)衣上的三個小型噴射引擎，它們來自噴氣背包公司Gravity Industries。
如上述分析，戰(zhàn)衣的背部一個，左右手臂上分別有一個，這樣的設置，讓駕駛者只需要動一下胳膊就能夠調整飛行姿勢。
不過，與真正的鋼鐵俠戰(zhàn)衣不同的是，噴氣背包和噴嘴不可能和真正的史塔克戰(zhàn)衣一樣小。
常規(guī)動力在鋼鐵俠胸前的弧形反應堆面前不值一提。
Gravity Industries僅僅能提供1000馬力的功率，托尼·斯塔克的反應堆使用的是核能，每秒就能輸出8千兆焦耳，大致相當于每秒燒掉200多升汽油，功率是前者的1萬倍以上。
所以制作鋼鐵俠戰(zhàn)衣最大的瓶頸和智能手機一樣，都是電池續(xù)航太短，斯塔克的那顆弧形反應堆才是核心難題。
當然，最核心的地方還在于，動力引擎與戰(zhàn)甲并不能集成在一起。
以至于不少人看到Adam的鋼鐵俠戰(zhàn)衣之后，第一反應就是，這不是紅警里面的火箭飛行兵嗎？
說實話，還真有點像~
參考鏈接：
連線雜志報道：
https://www.wired.com/story/the-physics-of-actually-flying-around-in-an-iron-man-suit/
Adam Savage造出鋼鐵俠視頻地址：
https://www.discovery.com/tv-shows/savage-builds/full-episodes/building-iron-man
- 腦機接口走向現實，11張PPT看懂中國腦機接口產業(yè)現狀｜量子位智庫2021-08-10
- 張朝陽開課手推E=mc2，李永樂現場狂做筆記2022-03-11
- 阿里數學競賽可以報名了！獎金增加到400萬元，題目面向大眾公開征集2022-03-14
- 英偉達遭黑客最后通牒：今天必須開源GPU驅動，否則公布1TB機密數據2022-03-05
相關閱讀
算法公司曠視，一口氣發(fā)了7款硬件機器人
天才密布的算法公司，這是技術圈兒人們對曠視的一個印象。但現在，如果你依然僅僅把曠視當做一個算法公司，那顯然是不夠的。對曠視來說，硬件已然成為了重要的組成部分。
