Ipinaliliwanag ang Guy Who Threw a Champagne Bottle at Ginawa Ito Sa Isang Rocket

Hindi ba ito nangyari sa lahat? Ikaw ay nasa kasal ng isang kaibigan at ito ang iyong trabaho upang buksan ang bote ng celebratory ng Champagne. Iyon ang lahat ng mabuti at mabuti, sinasabi mo sa iyong sarili, ngunit ang pag-unorking lamang ito ay napapasa. Sa halip, kinuha mo ang bote sa pamamagitan ng leeg at itapon ito sa isang pader. Ano, hindi ito nangyari sa iyo? Well ito ang nangyari sa taong ito:

Tama sa hip, di ba? Siguro sa mga susi ng kotse, o sa iPhone? Iyon ay nasaktan.

Ngunit gaano ang nasaktan? Para sa tulong sa tanong na iyon bumaling ako kay Dr. Gabriel Xu, isang pisisista ng plasma sa Propulsion Research Center sa University of Alabama sa Huntsville. Bakit ako humingi ng rocket scientist para tulungan ako Kabaligtaran takdang aralin? Sabihin nating sabihin na ang isang rocket scientist ay ang tamang tao upang i-on kapag ang iyong champagne napupunta mula sa pagiging partido gasolina sa bote propellant.

Ang instant na bote ay tumama sa pader, ito ay nagiging isang rocket.Iyon ay maaaring tunog engrande, ngunit ito ay lubos - kung pedantically - tama. Habang nagpapaliwanag ito ng NASA:

"Ang Rockets ay nagtatrabaho sa isang pang-agham na tuntunin na tinatawag na ikatlong batas ng paggalaw ni Newton. Ang siyentipikong Ingles na si Sir Isaac Newton ay naglagda ng tatlong Batas ng Paggalaw. Ginawa niya ito mahigit sa 300 taon na ang nakalilipas. Sinasabi ng kaniyang ikatlong batas na para sa bawat pagkilos, mayroong katumbas at tapat na reaksyon. Tinutulak ng rocket ang pag-ubos nito. Ang tambutso ay nagpapatuloy sa rocket. Tinutulak ng rocket ang tambutso. Ang pag-ubos ay ginagawang pasulong ang rocket."

Sa aming kaso, ang isang pinaghalong carbon dioxide at likidong lakas ng loob ay nagmamadali sa bote, na itinutulak ang bote pasulong. Ang puwersa sa bote at ang lakas sa propellant ay nagsusulat ng isang "pares na reaksyon ng aksyon," sa pariransiyang pisika. At sa pangkaraniwang paraan ng pisika, pinababayaan natin ang gravity at air resistance mula dito sa labas.

Ang matematika na kasangkot ay medyo mas sopistikadong kaysa sa ganito:

Sumunod ang Rockets sa Rocket Equation, na mukhang ganito

Saan F ay kumakatawan sa lakas, v ay kumakatawan sa bilis, at dm / dt ay kumakatawan sa pagbabago sa masa sa paglipas ng panahon. Ang equation ay nagsasabi na ang puwersa sa rocket ay katumbas ng pagbabago sa mga oras ng masa ng bilis ng pag-ubos - sa ating kaso, ang carbon dioxide.

Narito kung saan ako natigil. Ito ay hindi agad halata sa akin kung paano makalkula v at dm / dt. Ngunit si Dr. Xu ay nasa pera. Kalkulahin namin v sa Bernoulli's Equation, na nagpapahiwatig lamang ng batas ng konserbasyon ng enerhiya para sa mga dumadaloy na likido. Bilang isang tabi, ang isa sa mga karaniwang paggamit ng Bernoulli Equation ay upang ipaliwanag kung paano gumagana ang airfoils - na may ilang mga problema.

Mukhang ganito ang Bernoulli Equation, kung saan ang mga termino sa kaliwang bahagi ay tumutukoy sa carbon dioxide sa bote, at ang mga termino sa kanang bahagi ay tumutukoy sa alkohol na rocket sauce na nag-iiwan ng bote:

Mukhang masama, ngunit talagang medyo simple. Ang unang termino sa magkabilang panig ay ang presyon lamang. Ang ikalawang termino ay ang kinetic energy ng likido. Sa kaliwang bahagi, ipapaalam namin na ito ay zero dahil likido sa bote ay hindi gumagalaw na may kaugnayan sa bote. Ito ay nagbibigay-daan sa amin upang malutas ang bilis ng paglabas, v, ng aming champagne.

Sa v maaari rin nating kalkulahin dm / dt. Ang kailangan lang nating malaman ay kung gaano kalaki ang pagpasa ng masa sa pagbubukas ng bote sa anumang oras. Iyan lamang ang kakapalan ng mga oras ng gas sa cross-sectional area ng mga oras ng bottleneck v. Presto.

Kung gumawa kami ng ilang mga pagpapalagay, maaari naming kalkulahin F walang problema. Narito ang mga numero na sinambit ni Dr. Xu. Ang Bottled Champagne ay nasa ilalim ng anim na atmospheres ng presyon, habang ang kapaligiran ay (hindi kanais-nais) sa ilalim ng isang kapaligiran. Ang density ng Champagne ay malapit sa tubig - 1,000 kilo kada metro kubiko. At ang leeg ng bote ay 25 milimetro ang lapad.

"Gamit ang mga salitang ito, nakakuha ako ng lakas ng 15.6 Newtons," isinulat ni Xu sa isang email. Kung naaalala mo ang pisika sa mataas na paaralan alam mo na ang isang Newton ay ang lakas na kinakailangan upang mapabilis ang 1 kilo ng masa sa 1 metro bawat segundo bawat segundo. Subalit, sinabi ni Xu, "Hindi iyan talagang isang kapaki-pakinabang na dami na iniisip. Sa halip ay maaari naming tingnan ang momentum na dala ng bote sa epekto."

Ang momentum ay isang magandang at kongkreto na dami para sa aming mga layunin dahil nakukuha nito ang "oomph" - at ang "ouch" - ng isang mas mahusay kaysa sa puwersa. Ngunit hindi tulad ng puwersa, ang momentum ay walang isang nakarehistrong pinangalanang yunit; ito ay sinusukat lamang sa kilo-metro bawat segundo o kgm / s. Maaari mong makita mula sa mga yunit na momentum lamang ay katumbas ng bilis ng oras ng masa.

Marami pang mga numero mula kay Dr. Xu: "Ang isang 750 millilitary wine bottle ay tungkol sa 0.9 kilo, at 750 milliliter ng tubig / Champagne ay 0.75 kilo." Mula dito maaari nating i-deploy ang ikalawang batas ni Newton, F = ma, upang makalkula ang acceleration, na lumalabas na 9.45 metro bawat segundo kada segundo.

"Mula sa video mukhang botelya ang pumasok sa guy ~ 0.5 segundo matapos na maabot ang bagay at nagiging isang rocket," sumulat si Xu. Ipagpalagay na ang unang bilis ay zero, "pagkatapos pagkatapos ng 0.5 segundo ang bote ay umaabot na may bilis na 4.73 m / s. Sabihin nating nabigo ang bote ng ilang likido sa oras na iyon at may mga 1.5 kilo lamang ang natitira. Ang momentum sa epekto ay kaya … 7.1 kgm / s."

Well, na ang lahat ng mabuti at mahusay na sabihin mo, ngunit paano ko magkaroon ng kahulugan ng mga iyon? Huwag mag-alala, nakuha ni Dr. Xu ang iyong likod.

"Bilang paghahambing," isinulat niya, "ang baseball ay may mass na 0.145 kilo, at isang 90 mph fastball ay ~ 40 m / s. Kaya isang 90 mph baseball ang sasama sa isang momentum ng 5.8 kgm / s. Kaya binigo ng bote ang lalaki tulad ng 110 mph fastball."

Iyon ay nasaktan.

Na-edit ang mga sipi upang palitan ang mga pangalan ng pinagsamang unit kasama ang kanilang mga kumpletong bersyon