【What-If 如果說】NASCAR大亂鬥!

摒棄一切賽車的規則,採用什麼樣的策略,能讓一名人類以最快速度繞著軌道跑200圈呢?不過,駕駛必須要活下來。

杭特·弗雷爾

你能達到的最好成績是90分鐘。

打造你的個人座駕有很多選擇:電動車、火箭滑車[1]、或是沿著軌道跑的單軌車。但無論如何,設計時我們都該注意人類是其中最脆弱的一環。

問題來源於加速。行經彎道時,駕駛會受到十分強烈的G力[2]。佛羅里達的戴通納賽道有兩個主要彎道。如果賽車過彎時速度太快,加速度會瞬間殺死駕駛。

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在某些特定的短暫瞬間,比如車禍中,有些人可以在經歷幾百G的拉力卻活下來(1G即為你在地球上所受的重力)。戰鬥機駕駛可以在模擬訓練中承受高至10G的力道,也許因為如此,10G通常被認為是人類能承受的最高力度。然而,飛行員們只需承受短暫的10G,而我們的車手可得忍受長達幾分鐘甚至數小時的G力呢。

這裡有一份NASA文件,記錄了加速度對人體的影響;這裡的第五張圖也很有幫助。

但最有意思的數據來自約翰·保羅·斯塔普,他是一名美國空軍軍官,曾把自己鎖在火箭滑車裡面一遍遍挑戰身體極限並詳細記錄了一切。在the Ejection Site上你可以看到一篇關於他偉大事跡的介紹。整篇故事非常精彩,而我最喜歡的一段話是:“…斯塔普晉升至少校並刷新人類承受極限至18G…

除了斯塔普的數據之外,其他研究也表明在一小時之內人類能夠承受3~6G的加速度。如果我們把車子限定在4G加速,那麼在戴通納彎道我們的最高時速為386km。這種速度下我們只要2小時就能完成任務了,絕對比世界上任何駕駛都快。

揪都媽碟!直線加速又如何呢?汽車在彎道加速,然後就是沿海岸而行了。我們能不能乾脆在直道上加速,然後在末端時減速。這樣會產生如下速率圖:

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如果你能像《玩命關頭》那樣熟練地將操縱桿前推後拉,那在整場賽程中你就能使自己保持相對穩定的加速度,幸運的話這樣G力會比較好承受。

directions

記住,加速度的方向在比賽中隨時改變著。當駕駛向前加速,加速度方向從背後直指胸口時,人類最有可能生存下來。加速度向下時身體最吃不消,因為血液全都堆積在頭部。為了保證駕駛能活命,我們必須時時調整座位角度以使他們能保持加速度始終向前。(但是這也不能太快,不然轉換座椅產生的加速度就足以致命了!)

rules

現今最快的戴通納賽車手可在3小時內完成200圈賽程。如果加速度限制在4G,駕駛大約可以在1小時45分之內完成任務;限制到6G,則減少至1小時20分鐘;至於10G嘛,雖然已經超過了人類承受能力,仍還要1小時。(同時你在非終點賽道衝刺時會突破音障。)

除去液體呼吸[3]這種技術不談,在人體科學限制下,我們的最佳成績都超過了1小時。那如果說我們不考慮“活下來”這個條件呢?我們能夠讓車子在軌道跑多快?

想像一台“車”,它被芳綸纖維緊緊拴在賽道中心的一根軸上,而軸的另一側再栓上個平衡物。這其實就像一個巨型離心機。這時我們可以應用一個古怪的公式:一個旋轉圓盤的邊緣速度不大於其材料比強度[4]的平方根。像芳綸纖維這種強壯的材料,這個速度可達1~2km/s。在這種速度下一個小型容艙可在10分鐘內完成任務,不過裡面的人肯定是活不成了。

好吧,離心機就算了。如果說打造一個斜坡道呢?把它弄得像滑雪道一樣,然後讓滾珠軸承[5](我們的“車”)乎伊衝衝衝。可惜的是,由於圓盤公式的橫加干預,滾珠軸承頂多達到幾公里每秒然後因為轉速過大而解體。

那我們不轉了,讓它滑起來如何?我們可以打造一個鑽石立方塊,沿著一個平滑的金剛石坡道滑下來。因為不旋轉,理論上來講它能比滾珠軸承承受更多加速度。但實際上滑行也比滾珠軸承產生更多摩擦,因此我們的鑽石會著火

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為了克服摩擦,我們可以加一個磁場使座艙懸浮。然後把座艙設計的更小更輕以方便加速以及轉向——呃噢,我們不小心造出粒子加速器了。

雖然此時我們已經離題千里了,但是粒子加速器可說是相當強大。在LHC[6]發出的光束中,粒子速度接近光速。在這種速度下800km(30圈)也就是2.7毫秒的事。

維基百科收錄了大概850種汽車賽道。LHC光束粒子可以在2秒之內,於850條賽道上一個接一個的完成戴通納500米競賽,而其他駕駛連第一圈都還沒跑完呢。

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你大概真的只能跑這麼快了。

原文連結:No-Rules NASCAR

註解

1. 火箭滑車利用火箭強大的推進力,推動測試物在軌道上高速行駛,以便分析其空氣動力學性能。

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2. G力廣泛意義為物體改變加速度時所承受的力道(G是重力加速度)。車子在轉彎時所受的向心力就是其中一項。(當然你也可以說離心力,去氣一氣經典物理學家)

3. 咱們一位榮總醫生在這裡有更直觀的解釋。實際上EVA裡提到的LCL就是液體呼吸的應用哦~

4. 比強度是材料的強度(斷開時單位面積所受的力)除以其密度。又被稱為強度-重量比。

5. 由於轉動摩擦阻力小,滾珠軸承轉動時產生溫度較低,因此較常為工業所用。

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6. 大型強子對撞機(Large Hadron Collider),是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織的對撞型粒子加速器,作為國際高能物理學研究之用。

7. 傑夫·高登,知名NASCAR車手,ESPN將他在“25名史上最偉大車手”中列為第10

8. 根據大爆炸理論,大爆炸所產生的各色粒子在歷經冷卻、密度下降後逐漸形成原子、分子,進而組成更複雜的氣體,從而組成星雲、乃至現在的宇宙。因此這裡What-If開了個玩笑,說這個碰撞直接創造了人類。