“Jarno Smeets” 与人类真实飞行的物理学

人像鸟一样飞翔的概念具有普遍而持久的吸引力，因此“Jarno Smeets”的“人鸟翅膀”视频在几天内迅速走红也就不足为奇了。然而，现在它已被揭露是一个精心策划、历时八个月的骗局，我们的梦想也因此破灭，让我们来研究一下视频中的一个科学危险信号，如果继续追查下去，整个幻想前提就会被打破：速度问题。观看视频：当他从地面升起时，他的速度实际上并不是很快，所以看起来不太对劲。让我们来分析一下。

归根结底，问题在于：我们在视频中看到的东西必须遵循基本物理定律才有可能。了解这些基本定律将使我们能够揭穿整个骗局。在评估模拟鸟类飞行的尝试时，将飞鸟的物理学应用到我们的分析中显然是合乎逻辑的。

在模拟鸟类飞行时，我们可以确定作用于系统上的四种相关力：向下作用的重力（重量），它被向上的升力抵消，抑制向前运动的空气阻力，以及向前的推力（或推进力）。

让我们关注一下升力的概念。这引出了关键点：为了向上加速，根据牛顿第二定律，升力必须超过重力。（一旦飞行，为了保持高度，升力必须等于重力。）

从数学上来说：

这意味着，对于体重为 1 牛顿（0.225 磅）的鸟来说，它必须能够产生至少那么大的向上的升力。

如果一个人的体重为 800 牛顿，并且他被连接到另一个（估计）重 300 牛顿的设备，那么我们至少需要 1100 牛顿的升力。

问题是：根据我们在视频中看到的内容，这是否可行？

答案是：不。

使用视频中的动作作为数据，然后应用一些物理学和空气动力学的基本原理，我们可以看到这是不可能的。

为了说明这一点，让我们来看看鸟类（以及飞机）是如何产生升力的。基本上，当机翼在流体中移动时，机翼的形状和迎角共同作用，在机翼顶部和底部之间产生压力差，从而产生向上的升力。（迎角是机翼相对于迎面而来的气流的角度。）虽然细节比通常流行的伯努利方程应用于弯曲机翼上的气流或牛顿第三定律在迎面而来的空气和机翼之间的应用要复杂得多，但这两个原理都涉及并关系到升力的完整解释。

鸟为了产生升力，必须在空气中向前推进，使空气流过其翅膀。尽管鸟会扇动翅膀，而不是像飞机一样保持静止，但鸟的大部分升力是由翅膀向前滑动产生的，而不是由向下推的扇动动作产生的。鸟向前运动的速度越快，升力就越大。

估算机翼表面升力的方法之一是使用以下方程：

其中 L 是升力，ρ 是流体（在本例中为空气）的密度，C 是给定攻角下的升力系数，通常通过实验测量，A 是机翼的表面积，v 是机翼相对于迎面而来的空气的速度。

让我们把这个方程应用到我们的人鸟翅膀上，看看会得到什么。我们将进行以下估算。根据翅膀的静态照片，我估计它们的表面积为 7 平方米。海平面的空气密度约为 1.25 kg/m3。我们可以查阅鸟类飞行的研究，发现鸟类的最大升力系数往往在 0.8 到 1.2 的范围内。我们将慷慨地将机翼的升力系数定为 1.2。最后，我们得到了速度对产生升力的关键影响。在人鸟翅膀网站上，虚构的 Jarno Smeets 声称飞行了大约 100 米。我计时了视频片段，并试图考虑到剪辑等因素。估计行程时间为 25 秒，这相当于速度

将所有这些代入上面的方程式，将得出升力（请击鼓）：

哎呀。

只是为了好玩，让我们反向计算一下，看看他必须移动多快才能产生 1100 N 的升力。解出 v 可得：

现在必须指出的是，CGI 艺术家 Floris Kaayk（又名 Jarno Smeets）投入了大量的时间和精力来实现这一目标。除了每周在博客上“记录”他在几个月内“人类鸟翼”的开发过程外，Kaayk 还不遗余力地展示了他的假机械翅膀如何模仿鸟类的翅膀运动。他含蓄地承认了人类手臂肌肉无法完成这项任务这一显而易见的事实，并向我们展示了他令人惊叹的控制系统，据称该系统可以使用 Wii 控制器远程同步他的手臂运动和电机运动。最后，尽管视频制作的某些方面令人怀疑（正如一些娱乐媒体专家指出的那样），但他是一个相当不错的演员，在“飞行”之后看起来和表现得非常兴奋。

虽然我们的直觉并不总是正确的，但就像这个案例一样，当面对越来越多经过精心编辑的视频时，我们可以使用一些基本的物理学知识来寻找线索，从而在很大程度上确定一个更加相关的问题：它是真的还是假的？