Я собираюсь рассмотреть немного физики из фильма "Годзилла: Минус Один" (уже доступен на Netflix). Так что, конечно, я должен предупредить вас о СПОЙЛЕРАХ. Если вы еще не видели этот фильм, возможно, стоит вернуться сюда позже. Я расскажу о некотором элементе сюжета, но это не раскроет всю историю. Но в любом случае, вот ваше последнее предупреждение.
План Победить Годзиллу
План выглядит следующим образом:
- Используйте несколько лодок, чтобы обмотать Годзиллу ниткой фреоновых баллонов.
- Как только баллоны будут прикреплены к Годзилле, выпустите фреон. Это заставит его погрузиться на дно океана — идея в том, что он будет уничтожен от интенсивного давления на большой глубине (1500 метров).
- Если это его не убьет, то также будут использованы надувные мешки. В них будет добавлен сжатый воздух, чтобы поднять его на поверхность. Идея в том, что изменение давления его уничтожит.
Теперь к вопросам по физике.
Плавает ли Годзилла или Плывет?
Годзилла явно любит воду. Возможно, вода даже его дом. В обычном движении в воде он выглядит так, как будто он либо под водой, либо на поверхности, как акула.
Здесь вы можете увидеть, как он плывет (я думаю, что он плывет) к лодке.
Быстро напомню, как вещи плавают. Основная идея в том, что когда что-то погружено в воду, вода на это давит. Мы можем рассчитать силу плавучести как вес воды, вытесняемой объектом. Допустим, что Годзилла имеет нейтральную плавучесть с общим объемом (V) и массой m-G в воде с плотностью ρ-w.
Здесь вес вытесненной воды будет равен массе вытесненной воды (ρ-wVg) и это будет равно весу Годзиллы (m-Gg), где g — это гравитационное поле (9,8 Ньютонов на килограмм на поверхности Земли). Если Годзилла имеет плотность ρ-G, то его масса будет ρ-GV. Это значит:
Таким образом, если Годзилла плавает, его плотность будет равна плотности воды (около 1000 килограммов на кубический метр). Это нормально. Люди тоже такие с подобной плотностью.
Но подождите. Когда Годзилла сердится, он делает вот так.
Кажется, что он стоит на дне моря — но мы знаем, что там около 1500 метров глубины, так что… я не знаю. Это нормально. Мы можем это выяснить.
Во-первых, представим, что он плавает на поверхности. В этом случае только часть его тела будет погружена, так что для того, чтобы его плавучесть равнялась его весу (плавание), плотность Годзиллы должна быть МЕНЬШЕ, чем вода. Для веселья, вот диаграмма (да, я представляю Годзиллу в виде коробки, потому что вы не сможете меня остановить).
Здесь V_w — объем воды, вытесняемый плавающим Годзиллой. Поскольку плавучесть равна весу Годзиллы, мы можем решить для его плотности — она будет равна плотности воды, умноженной на соотношение объема ниже воды к общему объему. Если 3/4 его тела под водой, он будет иметь плотность 750 кг/м³. Это нормально (потому что он даже не настоящий), но это будет означать, что ему нужно использовать свои руки, хвост и ноги, чтобы грести и оставаться под водой.
Другой вариант заключается в том, что его плотность равна плотности воды (мне нравится эта версия). Однако, чтобы “стоять” в воде, ему нужно будет плыть вверх и прилагать усилия. У него ДЕЙСТВИТЕЛЬНО есть большой хвост, который можно использовать для движения. На самом деле, крокодилы могут делать что-то подобное. Посмотрите на это.
Хорошо, есть еще один вариант. У Годзиллы может быть нечто вроде плавательного пузыря — способ увеличить объем частей его тела, которые под водой. Это увеличение объема вытеснит больше воды и увеличит силу плавучести, чтобы сбалансировать его вес. Мне все же больше нравится метод плавания хвостом.
Можно ли Утопить Годзиллу с Помощью Фреона?
Таков план. Используйте газовые баллоны для выпуска фреона, и он пойдет ко дну. Вот демонстрация.
Я не уверен, почему это должен быть именно фреон. Может быть, чтобы он оставался в газообразной форме? Я честно не знаю. Но вот теория (я думаю). Когда вы заполняете воду пузырьками (любой газ на самом деле), это уменьшает эффективную плотность, потому что плотность фреона значительно ниже, чем воды. С меньшей плотностью вес вытесненной “воды” будет меньше и уменьшит силу плавучести, чтобы Годзилла утонул. Неплохо.
Но подождите. Я думаю, что здесь есть проблема. Если вы просто прикрепите баллоны к бокам Годзиллы, это его не утопит. Пузырьки должны быть под ним. Почему? Ну, представьте силу плавучести как результат столкновений молекул воды с объектом (я называю монстра объектом). Если вы уменьшите плотность воды, вы уменьшите силу от столкновений — это имеет смысл, верно?
Проблема в том, что создание пузырьков по бокам (и, возможно, сверху) объекта уменьшит боковые силы, которые все равно компенсируются. Если вы не уменьшите силу столкновений снизу объекта, у вас ничего не получится. Никакого уменьшения плавучести.
Хорошо, есть, возможно, один способ, чтобы этот трюк с фреоном сработал. Если у Годзиллы есть какие-либо горизонтальные поверхности над пузырьками, они получат уменьшенную плавучесть. Подводная рука в пузырьке не будет так сильно плавать и может, возможно, привести к утоплению. Это возможно, но гораздо лучше будет разместить эти баллоны с фреоном так, чтобы газ выпускался под ним.
Может ли Давление Воды его Убить?
Вот идея (цитата из фильма).
“Через 25 секунд на каждый квадратный метр будет оказываться давление в 1500 тонн.”
Как преподаватель физики, у меня есть проблемы. Во-первых, давление не является силой, это давление. Помните, что давление = сила/площадь. Да, он сказал “на каждый квадратный метр,” но вы не можете сказать “тонны давления.” Во-вторых, если они используют метрические единицы, то это будет 1500 метрических тонн, где 1 тонна = 1000 килограммов (единица массы, а не силы). Я просто придираюсь (ради забавы, честно).
Все же, давайте проверим некоторые числа. Предположим, что Годзилла опускается на 1500 метров за 25 секунд. Это будет скорость вниз 60 метров в секунду или 134 мили в час (для тех, кто использует имперские единицы). При этой скорости сила сопротивления Годзиллы будет ОГРОМНОЙ. Очень огромной.
Теперь давайте проверим давление. Вода имеет плотность около 1000 кг/м³ (немного выше в соленой воде — но не важно). Давление увеличивается с глубиной по формуле:
где h — глубина (в метрах). Подставив 1500 метров для h, мы получим давление 1.47 x 10⁷ Ньютонов на квадратный метр. Если я разделю это на g, я получу единицы килограммов на квадратный метр (что неверно, но я просто проверяю числа здесь). Это дает 1.5 x 10⁶ кг/м² или 1500 тонн. Это подтверждается.
Но уничтожит ли это давление монстра? Убьет ли это давление человека? Оказывается, люди (и, вероятно, гигантские монстры) хорошо переносят равномерное давление. Проблема возникает только при наличии дифференциального давления (больше с одной стороны, чем с другой). Вы можете почувствовать это дифференциальное давление в ушах, если погрузитесь под воду без выравнивания (трюк для дайвинга). Также могут возникнуть проблемы с воздушным пространством в легких, если вы погрузитесь на такую глубину — если только вы не дышите сжатым воздухом при том же давлении, что и вода (это делает регулятор для дайвинга).
Я не знаю, есть ли у Годзиллы легкие или что-то еще — но это может вызвать проблемы, если он погрузится на такую глубину.
А что насчет Масштабной Декомпрессии?
План Б — использовать сжатый CO2 для наполнения надувных мешков, чтобы быстро поднять Годзиллу на поверхность и вызвать какой-то тип декомпрессионного повреждения.
Могут ли эти гигантские рафты вообще надуться на глубине 1500 метров? Допустим, что баллоны с CO2 похожи на аквалангисты и накачаны до внутреннего давления в 3000 psi (фунтов на квадратный дюйм). Переводя это в метрические единицы, получается 2 x 10⁷ Н/м². Это немного больше, чем окружающее давление на глубине. Если бы давление воды было больше, когда клапаны открыты, вода пошла бы В баллоны вместо того, чтобы CO2 выходил. Но в этом случае CO2 должен выйти и надуть мешки, хотя бы немного. Как только эти мешки увеличат силу плавучести и заставят Годзиллу двигаться ближе к поверхности, давление уменьшится и больше газа выйдет.
Однако, вам может даже не понадобиться этот дополнительный газ. Как только мешки частично надуваются, они будут расширяться по мере приближения Годзиллы к меньшему давлению. Я предполагаю, что у надувных рафтов есть какие-то клапаны для выпуска лишнего газа, чтобы предотвратить их разрыв. Если нет, мешки буквально взорвутся и перестанут работать как плавательные устройства.
Что насчет декомпрессионной болезни, которая может поразить Годзиллу? Ну, кто знает. У людей, дышащих сжатым воздухом под высоким давлением, азот поглощается в ткани. Когда они поднимаются к поверхности (к меньшему давлению), этот азот “выходит” в кровь. Если это происходит слишком быстро, азот может образовывать пузырьки в крови — и это причина декомпрессионной болезни (и других плохих вещей).
Годзилла явно не человек. Я не знаю, как работает его тело и есть ли у него кровь. Так что эта “масштабная декомпрессия” может сработать или не сработать.
Но это не главное. Главное — рассказать историю и повеселиться. Наука не должна быть идеальной, чтобы быть интересной. На самом деле, это может быть даже интереснее, если она не совсем точна. Думаете, Годзилла вообще хоть немного реален? Я так не думаю. Но это все равно забавный фильм.