

一个人像鸟一样飞行的想法具有普遍性和持久的吸引力,因此“Jarno Smeets”的“人类飞翼”视频在几天内病毒式传播也就不足为奇了。然而,现在它已经被揭露为一个历时八个月精心策划的骗局,我们的梦想也因此破灭,让我们来审视一下视频中的一个科学疑点,一旦深入探究,这个疑点就会打破整个虚幻的前提:速度问题。 观看视频:他起飞时速度并不快,看起来不太对劲。让我们来分析一下。
归根结底,情况是这样的:视频中看到的一切必须遵守基本的物理定律才能成为可能。而了解这些基本定律将使我们能够揭穿整个骗局。在评估模仿鸟类飞行的尝试时,显然应该将鸟类飞行的物理学应用于我们的分析。
在模拟鸟类飞行时,我们可以识别作用在系统上的四个相关力:向下的重力(重量),它被向上的升力所抵消,阻碍前进的空气阻力,以及向前的推力(或推进力)。
让我们关注升力的概念。这引出了关键一点:根据牛顿第二定律,为了向上加速,升力必须大于重力。(一旦在飞行中维持高度,升力必须等于重力。)
数学上
合力 = 升力 - 重力 = ma
升力 > 重力
这意味着,对于一只重量为 1 牛顿(0.225 磅)的鸟来说,它必须能够产生至少与其体重相等的升力。
对于一个重 800 牛顿的人,并额外携带约 300 牛顿的设备,我们需要至少 1100 牛顿的升力。
问题是:根据视频中的情况,这是否可行?
答案是:否。

通过将视频中的动作作为数据,并应用一些基本的物理学和空气动力学原理,我们可以看出这根本不可能。
为了证明这一点,让我们看看鸟类(以及飞机)是如何产生升力的。基本上,当机翼在流体中运动时,机翼的形状和迎角协同作用,在机翼顶部和底部之间产生压力差,从而产生向上的升力。(迎角是机翼相对于迎面气流的角度。)虽然细节比通常流行的伯努利方程应用于流过弯曲机翼的空气流动的解释,或者牛顿第三定律在迎面气流和机翼之间的应用要复杂得多,但这两种原理在对升力的完整解释中都涉及且相关。
为了让鸟类产生升力,它必须向前推进,使空气流过它的翅膀。即使鸟类扇动翅膀而不是像飞机那样保持翅膀静止,鸟类的大部分升力也是由翅膀向前滑翔的运动产生的,而不是由向下拍打的动作产生的。鸟类向前运动的速度越快,产生的升力就越大。
估算机翼表面升力的一种方法是使用以下方程
L = ½ ρ C A v2
其中 L 是升力,ρ 是流体(此处为空气)密度,C 是给定迎角的升力系数,通常通过实验测量,A 是机翼的表面积,v 是机翼相对于迎面空气的速度。
让我们将此方程应用于我们的人类飞翼,看看结果如何。我们将进行以下估算。根据翅膀的静态照片,我估计其表面积为 7 平方米。海平面空气密度约为 1.25 千克/立方米。我们可以查阅鸟类飞行研究,发现鸟类的最大升力系数通常在 0.8 到 1.2 之间。我们将给予翅膀一个慷慨的升力系数 1.2。最后,我们有了速度对产生升力的关键影响。在人类飞翼网站上,虚构的 Jarno Smeets 声称飞行了约 100 米。我计时了视频片段,并试图考虑剪辑等因素,估计旅行时间为 25 秒,这对应于的速度
V = d/t = 100 m/25 s = 4 m/s
将所有这些代入上述方程,得到升力为(请听鼓声)
L = 84 N,即惊人的 19 磅。
哎呀。
为了好玩,让我们反向计算,找出他需要以多快的速度才能产生 1100 N 的升力。求解 v,我们得到
V = 14.5 m/s 或 32 英里/小时
现在必须指出的是,CGI 艺术家 Floris Kaayk(又名 Jarno Smeets)花费了大量时间和精力来完成这一切。除了每周的博客文章,他在其中“记录”了他“人类飞翼”的开发过程数月,Kaayk 还花费了一些精力来展示他的假机械翼如何模仿鸟类的翅膀运动。他含蓄地承认了人类手臂肌肉对于这项任务严重不足这一显而易见的事实,并以其惊人的控制系统吸引了我们,该系统据称通过 Wii 控制器远程同步了他的手臂运动和电机运动。最后,尽管视频制作的某些方面存在可疑之处(正如一些娱乐媒体专家指出的那样),但他是一个相当不错的演员,在他的“飞行”后看起来和表现得很欣喜。
虽然我们的直觉不一定总是正确的,但在本例中也并非如此,但面对这种经过巧妙编辑的视频日益泛滥的情况,并运用一些基本的物理学来追查线索,我们可以大步迈向确定一个日益重要的问题:这是真的还是假的?