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GP 958

[來亂的一篇OD科研]飛天掃帚的實現之夢

樓主 打麵繪師秋原 akihara
由於在文章一開始有提過OD的名字,裡面的部份假設亦是以Doremi她們的身體體重作準的,應該還算是與OD能沾上邊吧…
好吧,我承認我這個路過的是來亂的XD

呃,要轉貼本文章到別處的話請先通知本人。
以上。

—————

不止《小魔女Doremi》,在很多描述魔法的作品裡,總是會有騎著掃帚悠哉遊哉的在空中翱翔的情況出現。
然而,到底這些掃帚是如何在天空中飛的,大多都壓根兒沒有提。
可能有些人會說:既然是魔法的世界,那這些掃帚也是利用『魔法的力量』飛上天去的吧。
但很可惜,只要是身處這個世界上的東西,便會處處受到物理法則的制肘,決不是一句『魔法的力量』便可以解決。
就讓我在這裡以文章開首提到的動畫《小魔女Doremi》來開刀,來構想能否在這殘酷的物理世界裡替飛天掃帚找出一個合情合理的方式出來吧。

就像一文章開始也提到,許多飛天掃帚的飛行原理都是不明,故只有利用現有的科技去構思,也就是以下的四個方法:
浮力(氣球)、離心力(人造衛星),反作用力(火箭,直升機)及上升力(飛機)。

首兩個方法可肯定是不能也不會採用的方法:
要是利用氣球吊著掃帚飛上天去話,恐怕只要被風一颳便不知道要飛到哪裡去了…
利用離心力的話,必須要以每秒7.9公里,也就是23馬赫的速度飛行才能維持著不被地球的引力扯下地面。
先不管在這個速度下坐在掃帚上面的人能否活命,要是真的以這個速度狂飆的話,只須1小時23分便可以環繞地球了…
也就是說,要是想降落於特定地點的話,也只有一次機會;錯過了機會的話也只好再待1小時23分後再次嘗試…
要在這種超音速下降落於特定地點,需要極高超的技術;但我們實在難以期望這些小學女生可以幹得到…真可憐耶。

總而言之,這兩個方法也是行不通的了。那樣能讓飛天掃帚真的飛上天的可法便只餘下反作用力及上升力兩項了。

[b]【反作用力】[/b]
火箭以燃燒噴出氣體,噴射引擊則噴出壓縮空氣;螺旋槳則是以把空氣壓下時所得的反作用力來上升。
若這個反作用力等同於施加於該物體上的重力的話,該物體便能浮於空中;大於重力的話便可以上升了。
依動畫《小魔女Doremi》中的表現來看,說飛天掃帚是以反作用力來飛行的話也似乎說的過去。
但要是真的裝上去的話又會是怎樣的光景?…與其說是打擊,不如說成是「笑擊」吧。

(以下的計算用資料是:人重35公斤;掃帚重2公斤。)

首先便討論一下用螺旋槳飛行吧。
第一個難題便是如何對抗螺旋槳轉動時,作用於自身上的反作用力。真正的直升機用的都是以下兩個辦法:
[b](1)利用裝於尾部的附助螺旋槳對抗。
(2)一口氣裝上兩把螺旋槳,以防止旋轉。[/b]
由於以飛天掃帚的瘦瘦身形,要裝上兩把螺旋槳實在有些勉強,故在這裡以前者為首選。
這樣的話,到底又要多大的力量才能讓掃帚飛在空中呢?

依動畫中表達來看,掃帚是有著垂直升降的能力;故它的推進力必大於本身的重量,在這裡便隨便寫成50公斤好了。
反作用力的大小是空氣密度、螺旋槳迴轉面積與風速的平方這三項的乘積。
若是說主螺旋槳的直徑是2公尺的話,要作出50公斤的推進力便需要秒速115公尺,也就是415公里的速度。
要是真的作出這種速度的話,坐在上面要舉起波龍施法可想而知會是一件十分危險的事。
若想以增大螺旋槳迴轉面積的方法來減低速度的話也沒有太大用處。就是螺旋槳的直徑改成2倍大,旋轉速度還是會達到時速207公里。
要把速度降低至秒速1公尺的話,那所需要的螺旋槳直徑便是230公尺。…這也未免大過頭了吧。
那樣反過頭來,以增加迴轉速度來減少面積應該可以了吧。但這樣可能還更危險。
要是要把螺旋槳的直徑縮小至直徑60公分的話,那樣旋轉速度便得要提升至秒速383公尺,也就是時速1382公里,相等於1.13馬赫才行。
只是縮少至直徑60公分,轉速已經突破音速;可想而知,要是要再把螺旋槳縮小的話,那只會對坐在上面的乘客構成更大的危險…

接著是以噴射飛行的討論。
最大的問題便是燃料。人類體內的確有著極小量可以用作燃料用的乙醇(ethanol),但我們實在不能期望用那小小的份量便能飛上天去,
而且利用人體作燃料看上去也不見得怎樣人道…故最大的可能性還是利用掃帚本身作儲存燃料的地方吧。
液態氫、液態氧的混合燃料每秒燃燒1公斤可得450公斤的推進力。要達到50公斤的推進力的話,每秒只需要111公克的燃料便足夠了。
那樣看來己經解決了問題囉?…不,別忘了雖然推進力小,相對消耗的燃料小,但本身的重量及體積也小,也就是說,儲存燃料的地方也小。
假設飛天掃帚的重量裡面的60%都是燃料。由於推進力要是能夠達到垂直離陸的50公斤,所以不能把燃料消耗下的重量減少列入考量,
那飛天掃帚的飛行時間便有…10.81秒。只有大約11秒的飛行時間,那簡直是…

[b]【上升力】[/b]
物體在空中運動時必會越到阻力,但是我們可以藉著改變物理的形狀來把空氣的抵抗力轉成上升的力量,這就是升力。
飛機的機翼,則是設計成能取得最大的上升力的形狀。在機翼形狀固定的情況下,升力是與機翼的面積及速度的平方成正比。
故物質的重量越大,就需要更長更寬的翼面,或是有更快的速度才行。

假設我們要求的上升力不變,仍然是50公斤,而離陸的速度則是秒速10公尺,也就是時速36公里。
那樣的話,所需要的翼面面積是200平方厘米。以軟木來製作的話,則是一塊長20公分、闊10公分,厚1公分的長木條,重量則是50公克。喔喔,很輕而已!
但要是真的以「秒速10公尺」來作離陸時速的話,以上面求得那短短的推進時間能飛行的了多久還是問題…
要是能藉人力離陸的話,速度便設定成之前的10分之1,也就是秒速1公尺吧。這個速度只要跑步能跑得快一點便可以了吧。
但這樣一來,所需要的翼面面積則是50平方米…
先不要說50公尺x1公分x1公分這個極度誇張的設定,就是闊度是5公尺好了,長度也有10公尺長。用軟木製作的重量有上12.5公斤。
在掃帚的兩邊裝上兩塊不論長、闊都大得駭人,裝上後的總重量甚至比原本能垂直離陸的上升力還要重。到頭來竟連飛也飛不起來…

到頭來又只能用加快離陸速度一途以減少翼面面積。假設翼面面積要減少至40平方厘米,速度便是秒速125公尺,相等於450公里。
但面對著每秒125公尺的撲面狂風,掃帚上也沒有什麼可以擋風的物件,小魔女們只能靠頭上那頂帽子來擋風。再一次,她們真的可憐耶。

[b]【反重力】[/b]
這種力量還在研究中的階段。它最大的好處是能讓飛機以較少量的燃料升空,間接加長了滯空的時間。
然而,要使用這種力量並不是想象中一般容易。要把1公克的東西升上半空的話,非得在它的下面施加1公克或以上的力量不可。
這樣說的話,要令到總重量37公斤的物質浮上半空,得要在它的下面加上37公斤或以上的力量才行。

結果,飛天掃帚根本便是處身在一個以反重力來運作的升降台上面。要前後左右移動的話,便得移動投放反重力的儀器,途中甚至會有可能掉到地面上去。
而且這個裝置可會是異常的危險。要是它是一個發光裝置的話,要產生能承托著37公斤的物體的力量便需要起碼6萬6千兆的能量。
要達到這種大功率的能量的話,一般只有鐳射才能做到,但目前世界上最大功率的鐳射砲也只有50兆瓦特而已(參考資料:《空想科學大戰!》,第106頁),
但這個反重力裝置的功率卻高達6萬6千兆瓦特…要是誰真的給它照到的話,恐怕在那一瞬間便會給蒸發掉,《小魔女Doremi》也就這樣「劇終」了。
咦?這樣會不會對許多喜歡動畫中的主角(尤其是音符,桃子)的人帶來不滿呢?呵呵呵。
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