אדם ויינר תושב הפיזיקה מראה לנו מה באמת יידרש כדי להרים גוף אנושי מהקרקע, בסגנון ציפור.
לרעיון של אדם עף כמו ציפור יש כוח משיכה אוניברסלי ומתמשך, ולכן אין זה מפתיע שהסרטון "כנפי ציפור אנושית" מ"Jarno Smeets" הפך ויראלי תוך מספר ימים. עם זאת, עכשיו שזה היה גילה להיות מתיחה מורכבת, שמונה חודשים בהתהוות, ועכשיו כשהחלומות שלנו נכזבו בצורה כזו, בואו נבחן דגל אדום מדעי בסרטון, כזה שכשרודפים אחריו פורץ את כל הנחת היסוד הפנטסטית: הבעיה של מְהִירוּת. צפו בסרטון: הוא באמת לא זז מהר מאוד כשהוא מתרומם מהקרקע, אז זה לא נראה ממש נכון. בואו ננתח את זה.
כשזה מגיע לזה, העסקה היא כזו: מה שאנחנו רואים בסרטון חייב לציית לחוקי הפיסיקה הבסיסיים כדי שיהיה אפשרי. והכרת החוקים היסודיים הללו תאפשר לנו להפריך את כל השבנג. בהערכת ניסיון לדמות מעוף של ציפור, ברור שזה הגיוני ליישם את הפיזיקה של ציפורים מעופפות לניתוח שלנו.
בהדמיית מעוף ציפורים נוכל לזהות ארבעה כוחות רלוונטיים הפועלים על המערכת: כוח הכבידה הפועל כלפי מטה (משקל), אשר מנוגד על ידי כוח הרמה כלפי מעלה, כוח גרירת אוויר המעכב תנועה קדימה, ודחף קדימה (או הנעה) כּוֹחַ.
בואו נתמקד בקונספט של עילוי. זה מוביל אותנו לנקודה המכרעת: על מנת להאיץ כלפי מעלה, על פי החוק השני של ניוטון, כוח ההרמה חייב לעלות על כוח המשקל. (פעם בטיסה על מנת לשמור על גובה, כוח ההרמה חייב להיות שווה לכוח המשקל.)
מבחינה מתמטית:
Fnet = lift - weight = malift > weightמשמעות הדבר היא שבמקרה של ציפור במשקל של 1 ניוטון (.225 פאונד) היא חייבת להיות מסוגלת ליצור לפחות כוח הרמה גבוה כל כך כלפי מעלה.
במקרה של אדם השוקל 800 ניוטון המחובר לציוד נוסף (מוערך) של 300 ניוטון, נצטרך לפחות 1100 ניוטון של הרמה.
השאלה: האם זה אפשרי על סמך מה שאנו רואים בסרטון?
התשובה: לא.
שימוש בפעולה בסרטון כנתונים, ולאחר מכן יישום כמה עקרונות בסיסיים של פיזיקה ואווירודינמיקה, אנו יכולים לראות שזה פשוט לא אפשרי.
כדי להראות זאת, בואו נסתכל כיצד ציפורים (ומטוסים לצורך העניין) יוצרים עילוי. בעיקרון, כאשר כנף נעה דרך נוזל, הצורה וזווית ההתקפה של הכנף פועלות יחד ליצור הפרש לחצים בין החלק העליון והתחתון של הכנף, וכתוצאה מכך הרמה כלפי מעלה כּוֹחַ. (זווית ההתקפה היא זווית הכנף ביחס לזרימת האוויר המתקרבת.) אמנם הפרטים הרבה יותר מסובכים מההסבר הפופולרי הרגיל של משוואת ברנולי המיושמת לזרימת אוויר על כנף מעוקלת, או יישום של החוק השלישי של ניוטון בין האוויר המתקרב לכנף, שני העקרונות מעורבים ורלוונטיים בהסבר מלא של העילוי כּוֹחַ.
כדי שציפור תיצור עילוי, היא צריכה להניע את עצמה קדימה באוויר כך שאוויר זורם על כנפיה. למרות שציפור מנפנפת בכנפיה במקום להחזיק אותן בשקט, כמו במטוס, רוב עילוי הציפור נוצר על ידי תנועת החלקה קדימה של כנפיה, לא על ידי תנועת דש-דש של דחיפה כלפי מטה. ככל שתנועת הציפור קדימה מהירה יותר, כך העילוי גדול יותר.
דרך אחת להעריך את כוח ההרמה על משטח כנף היא באמצעות המשוואה הבאה:
L = ½ ρ C A v2כאשר L הוא כוח העילוי, ו-ρ הוא צפיפות הנוזל (אוויר, במקרה זה), C הוא מקדם העילוי בזווית התקפה נתונה שבדרך כלל נמדדת בניסוי, A הוא שטח הפנים של הכנף, ו-v היא מהירות הכנף ביחס למתקרב אוויר.
בואו ניישם את המשוואה הזו על כנפי הציפור האנושית שלנו ונראה מה נקבל. אנו נבצע את ההערכות הבאות. על סמך תמונת סטילס של הכנפיים הערכתי את שטח הפנים שלהן ב-7 מטרים רבועים. צפיפות האוויר בגובה פני הים היא כ-1.25 ק"ג/מ"ק. אנו יכולים לחפש מחקרים על מעוף ציפורים ולגלות שמקדמי העילוי המרביים עבור ציפורים נוטים להיות בטווח של 0.8 עד 1.2. נהיה נדיבים וניתן לכנפיים מקדם עילוי של 1.2. לבסוף יש לנו את ההשפעה המכרעת של המהירות על ההפקה מעלית. באתר כנפי הציפור האנושית טוען ג'רנו סמיטס הבדיוני שטס כ-100 מטרים. תזמנתי את הווידאו קליפ וניסיתי להתחשב בחתכים וכו'. להעריך זמן נסיעה של 25 שניות התואם למהירות של
V = d/t = 100 m/25 s = 4 m/sחיבור כל זה למשוואה שלעיל מביא לכוח הרמה של (גלגול תוף, בבקשה):
L = 84 N, or a whopping 19 pounds.אייפ.
סתם בשביל הכיף, בואו נהפוך את החישוב ונגלה כמה מהר הוא יצטרך לנוע כדי ליצור 1100 N של עילוי. פתרון עבור v נקבל:
V = 14.5 m/s or 32 miles per hourעכשיו חייבים לציין שאמן ה-CGI Floris Kaayk (המכונה גם Jarno Smeets) השקיע הרבה זמן ומאמץ כדי לעשות זאת. בנוסף לפוסטים השבועיים בבלוג בהם הוא "תיעד" את התפתחות "כנפי הציפור האנושית" שלו לאורך תקופה של כמה חודשים, קאייק עושה מאמצים כדי להראות כיצד הכנפיים המכניות שלו כאילו מחקות את תנועת הכנפיים של ציפורים. הוא מכיר במרומז בעובדה הברורה ששרירי זרועות אנושיים אינם מספיקים מאוד למשימה ומסקרן אותנו מערכת הבקרה המדהימה שלו, שלכאורה מסנכרנת מרחוק את תנועת הזרוע שלו לתנועת מנוע באמצעות Wii בקר. לבסוף, למרות שיש כמה היבטים של הפקת הווידאו שהם חשודים (כפי שציינו כמה מומחי תקשורת בידור), הוא שחקן די טוב ונראה ומתנהג מרומם באמת אחרי שלו "טִיסָה."
אמנם האינטואיציה שלנו אולי לא תמיד נכונה, כפי שהייתה במקרה זה, כאשר אנו מתמודדים עם הריבוי ההולך וגובר של סרטונים ערוכים בחוכמה כמו זה ותוך שימוש בפיסיקה בסיסית כדי לרדוף אחר הרמזים, נוכל ללכת דרך ארוכה לקראת קביעת השאלה הרלוונטית מתמיד: האם היא אמיתית או שמא היא מְזוּיָף?
