弗雷德·弗林特斯通火焰脚的物理学

我希望这位“现代石器时代家庭”的父亲有厚厚的皮肤,否则他就要失去他的腿了。让我们先抛开弗雷德·弗林特斯通基本上是跑着去上班,因此实际上并不需要他的轮子(或者他需要像神一样的四头肌才能让它们[...]

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


我希望这位“现代石器时代家庭”的父亲有厚厚的皮肤,否则他就要失去他的腿了。

让我们先抛开弗雷德·弗林特斯通基本上是跑着去上班,因此实际上并不需要他的轮子(或者他需要像神一样的四头肌才能让它们移动)。更有趣的是他停止他的穴居人汽车的方式。随着脚后跟尖叫和冒烟,弗雷德最著名的是用他自己的脚来阻止他的前进势头。就像你汽车的刹车片工作原理一样,弗雷德的脚吸收所有的摩擦力,直到石头停止滚动。

但是他的脚需要施加多少力,以及它们会发生什么呢?


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摩擦力战胜了双脚

摩擦系数——摩擦力提供的力与压在表面上的重量之比——是我们首先要找到的东西。它已经针对人体皮肤进行了研究 [PDF],但我们真正寻找的是道路的粗糙度;弗雷德的脚会遇到多大的阻力。我怀疑《摩登原始人》是否有今天的铺砌道路,所以对弗雷德刹车的道路的粗糙度的初步猜测会比我们在高速公路上得到的值略高:大约 0.7-0.9。

重负载会遇到更大的摩擦力,所以接下来我们必须估计弗雷德著名的石轮车的重量(顺便说一句,复制品正在出售)。

汽车的大部分质量将集中在前后巨大的石滚子上。让我们假设它们是花岗岩。如果它们长一米半,直径 80 厘米——像巨大的石擀面杖——那么每个大约重 360 公斤(约 795 磅)。但这还不是压在弗雷德必须停下的道路上的全部重量。弗雷德本人是个身材魁梧的家伙,可能重 95 公斤(210 磅)。为了估算,我们可以假设汽车的其余部分,由防水布和木头制成,重量为额外的 50 公斤(110 磅)。所以总而言之,弗雷德必须用他的脚后跟来停止一辆 865 公斤(1910 磅)的石轮车。(请注意,由于它们的金属框架、发动机和其他部件,这比今天的汽车轻得多。)

所以我们有了重量,现在我们需要速度。弗雷德用自己的力量移动他的轮子,但我猜他不会走得太快。最快的人力自行车的时速已达到惊人的 82 英里。一个胖乎乎的穴居人不可能只用他的腿就让一大块花岗岩跑得那么快,甚至平均高速公路速度似乎也不可能。石轮车既不是空气动力学也不是工程天才的典范,但作为一种交通工具,它仍然必须比简单地跑步更快才有意义。我会给弗雷德留一些余地,说他的最高时速是 25 英里。

现在我们有了所有的数字,我们所要做的就是把它们代入。假设弗雷德的脚已经磨出了老茧,坚不可摧,以每小时 25 英里的速度将他的脚猛踩在崎岖的道路上,石轮车会在大约 26 英尺(8 米)处停下来。考虑到他的拇囊炎是刹车片,这还算不错。(如果您想查看停车距离的完整计算,我在这里对蝙蝠侠和小丑在地板上滑动做了同样的计算。)

但是如果弗雷德的脚不是坚不可摧的呢?他脚上的摩擦力将是大型美洲鳄鱼咬合力的两倍,所以我不认为他的脚趾会承受得住。换句话说,这就像站在砂带机上,背上驮着一头未成年的非洲象。

对于弗雷德的脚来说,最好的情况是它们会受到轻微的“路面擦伤”——摩托车手和自行车手在高速滑行时会遇到的那种擦伤和烧伤。

最坏的情况更有可能发生。如果弗雷德将脚压在地面上并保持不动,他很可能会失去它们。可悲的是,我们知道这会发生,因为在不幸的案例中,人们的脚被汽车碾过(研究链接包含一些图形图像)。

当一种材料无法承受摩擦时,结果是灾难性的发热和解体。在所有可能性中,弗雷德·弗林特斯通刹车后的脚看起来会像飞机起落架在无法承受摩擦时一样

如果弗雷德决定带全家出去吃雷龙汉堡和看汽车电影,那么破坏脚的摩擦问题只会变得更糟,因为石轮车会重得多。当然,所有这一切都假设汽车本身可以保持在一起超过几英尺。作为一名工程师,我不知道一辆向前行驶的汽车是如何将没有后挡板的后轮保持在原位的。

今天的工程师们开发出了能够承受巨大热量和压力的刹车,正是因为其他材料在如此严酷的条件下会失效。在那些不可用材料的清单中,肯定有人类皮肤。

用你的光脚当刹车是 yabba dabba don’t。

图片:《摩登原始人》片头截图;来自 Airlinesafety.com 的飞机起落架

Kyle Hill is a science communicator who specializes in finding the secret science in your favorite fandom. He has a bachelor's degree in environmental engineering and a master's degree in communication research (with a focus on science, health, and the environment) from Marquette University in Milwaukee, Wisconsin.
Aside from co-hosting Al Jazeera America's science show, TechKnow, Hill is also a freelancer who has contributed to Wired, Nature Education, Popular Science, Slate, io9, Nautilus, and is a columnist for Skeptical Inquirer. He manages Nature Education's Student Voices blog, is a research fellow with the James Randi Educational foundation. Email: sciencebasedlife@gmail.com

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