Перевірка на твердість №4: Як фізики вбила Залізну Людину marvel

Залізна людина — один із тих супергероїв, які на перший погляд здаються майже науковою фантастикою.

Ніякої магії. Просто дуже розумний інженер, реактор, броня, ракети, комп’ютер і двигуни.

Але якщо почати дивитися на костюм Тоні Старка не як на красивий реквізит, а як на реальну машину, дуже швидко з’ясовується: найбільший ворог Iron Man — навіть не Танос.

Його головний противник — термодинаміка.

Почнемо з польоту

У фільмах Iron Man може зависати, літати зі швидкістю літака, різко прискорюватися і навіть короткочасно виходити на надзвук.

Нехай разом із людиною костюм важить приблизно 200 кг.

Щоб просто висіти в повітрі, двигуни повинні постійно створювати тягу близько:

2000 Н.

І тут фізика ставить дуже просте запитання:

> А від чого саме він відштовхується?

Варіантів насправді небагато.

Ракетний принцип

Костюм може викидати робоче тіло назад.

Це чесна реактивна тяга: масу викинули назад — отримали імпульс уперед.

Але якщо швидкість струменя близько 3000 м/с, для тяги у 2 кН потрібно витрачати приблизно:0,7 кг робочого тіла щосекунди.

Хвилина зависання — близько 40 кг.

Десятки хвилин польоту — вже сотні кілограмів палива.

Тобто замість елегантного костюма ми швидко отримуємо маленьку ракету, до якої чомусь прив’язали людину.

Брати робоче тіло з атмосфери

Це вже значно цікавіше.

Костюм може засмоктувати повітря, стискати його, нагрівати й викидати назад. Фактично перетворитися на дуже компактний реактивний літак або набір турбін.

І це, мабуть, найреалістичніший варіант.

Але тут виникає інша проблема.

Вертольоти мають величезні гвинти не тому, що інженери не здогадалися зробити їх меншими. Великий гвинт прискорює велику масу повітря на невелику швидкість, що енергетично вигідно.

У Iron Man площа двигунів маленька.

Отже, щоб отримати ту саму тягу, треба розігнати невелику кількість повітря до величезної швидкості.

Наслідки:

- шалений шум;

- потужний реактивний струмінь;

- пил, каміння й уламки навколо;

- величезне споживання енергії;

- величезне виділення тепла.

Тобто сцена, де Тоні красиво зависає за метр від людей і спокійно розмовляє, мала б виглядати приблизно як спроба провести пресконференцію біля сопла реактивного літака.

А може, «репульсори»?

Третій шлях — електродинамічна тяга.

Наприклад, іонізувати повітря й прискорювати його електричним полем.

Такі двигуни реально існують у лабораторних варіантах.

Проблема лише одна: тяга надто мала.

Можна підняти дуже легкий апарат. Але підняти людину в броні — зовсім інший масштаб.

Відштовхуватися від магнітного поля Землі теж погана ідея: воно надто слабке. Для помітної сили знадобилися б величезні струми, магнітні системи або конструкції, які вже погано поміщаються в долоні.

Тобто якщо «репульсор» не викидає масу й не взаємодіє з якимось зовнішнім полем або середовищем, він просто порушує закон збереження імпульсу.

І тоді це вже не технологія.

Це магія з синім світлодіодом.

Але справжній убивця — тепло

Припустимо, Тоні Старк усе ж вирішив проблему двигуна.

Далі приходить термодинаміка.

Будь-який двигун має втрати.

Припустимо навіть фантастично хороший ККД — 90%.

Якщо силова установка працює на потужності 1 МВт, то 10% втрат — це:

100 кВт тепла.

Для порівняння: людина в спокої виділяє приблизно 100 Вт.

Тобто Тоні сидить в костюмі як індичка в духовці, і все це море тепла треба кудись подіти через маленьку поверхню костюма.

Поруч із живим тілом.

А що зі швидкістю?

Цікаво, що тут фільм навіть частково можна виправдати.

Якщо Iron Man летить приблизно 120 вузлів — близько 220 км/год — аеродинамічний нагрів майже не проблема.(цифри з фільму)

Повітря через гальмування об корпус додасть лише кілька градусів.

Але надзвук усе змінює.

На Mach 1 температура загальмованого повітря зростає приблизно на 60°C.

На Mach 2 — вже приблизно на 240°C.

На Mach 3 — більш ніж на 500°C.

Тобто короткий надзвуковий ривок ще можна уявити за наявності теплоізоляції та теплового буфера.

Але довгий політ на Mach 2–3 означає, що зовнішня оболонка поступово перетворюється на деталь високошвидкісного літака або ракети.

А всередині цієї деталі сидить людина, яку бажано тримати приблизно при 37°C.

Реалістичний Iron Man виглядав би зовсім інакше

Якби спробувати зробити «майже хардовий» варіант, ми отримали б не тонку броню.

Швидше це була б персональна реактивна машина:

- великий основний двигун на спині;

- повітрозабірники;

- баки або запас робочого тіла;

- двигуни на ногах для керування вектором тяги;