弗雷德·弗林特斯通火焰脚的物理学

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。


我希望这位“现代石器时代家庭”的父亲皮肤厚实,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去上班的事实,因此他实际上并不需要他的轮子(或者他需要像神一样的股四头肌才能让它们动起来)。更有趣的是他停止他的穴居人汽车的方式。弗雷德以脚后跟尖叫和冒烟而闻名,他用自己的脚来阻止前进的势头。就像你汽车的刹车片一样,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大的力,它们又会发生什么呢?


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摩擦力战胜“大脚”

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。它已经被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》中是否有今天这样的铺砌道路,因此,对弗雷德刹车道路的粗糙度的初步猜测会比我们在高速公路上获得的值更高:大约0.7-0.9。

重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车(顺便说一句,复制品正在出售)的重量。

大部分汽车质量将集中在前后巨大的石滚轮中。 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)。但这还不是弗雷德必须停下的道路上所有压力的来源。弗雷德本人是一个魁梧的家伙,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,重量额外增加50公斤(110磅)。因此,总而言之,弗雷德必须用他的脚后跟来阻止一辆865公斤(1910磅)的石车。(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轮子,但我猜他不会走得太快。最快的人力自行车已被测速达到惊人的每小时82英里。一个胖乎乎的穴居人不可能仅凭双腿就让一大块花岗岩跑得那么快,即使是普通的高速公路速度似乎也不可能。石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。我给弗雷德一些宽容,并说他的最高时速是每小时25英里。

既然我们有了所有的数字,我们所要做的就是将它们代入。 假设弗雷德的脚非常粗糙以至于坚不可摧,那么以每小时25英里的速度将他的脚猛踩在崎岖的道路上,将使石车在大约26英尺(8米)内停下来。考虑到他的拇囊炎是刹车片,这还算不错。(如果您想查看停止距离的完整计算,我为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?作用在他脚上的摩擦力将是大型美洲鳄鱼咬合力的两倍,所以我认为他的脚趾不会承受得住。换句话说,这就像站在砂带机上,背上背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遭受轻微的“路面擦伤”——当摩托车手和自行车手在高速地面上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。如果弗雷德将脚按住地面并保持不动,他很可能会失去它们。可悲的是,我们知道这会发生,因为在人们的脚被汽车碾过的不幸案例中(研究链接包含一些图像)。

当一种材料无法承受摩擦时,结果是灾难性的发热和解体。 很可能,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,那么破坏脚的摩擦力问题只会变得更糟,因为石车会重得多。 当然,所有这一切都假设汽车本身能够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如何让一个没有后挡板的后轮保持在原位。

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苛的条件下会失效。 在那些不可用材料的清单中,肯定有人类皮肤。

用你的光脚当刹车绝对不是个好主意。

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

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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