“钢铁侠”飞行背后的物理原理是啥？

　　美国特效工程师、著名节目《流言终结者》主持人亚当·萨维奇尝试打造了一款真实的钢铁侠战衣，并且真的可以飞行。

　　他用钛制作了钢铁侠战衣的各个部件，然后加上Gravity Industries公司打造的喷射引擎，使其成为一款可以飞的战衣，战衣上安装了多个小型喷射引擎，提供足以让一个人飞起来的推力。

　　理查德·布朗宁成为了这套战衣的“驾驶员”，如在现实世界中见到一位飞翔的“钢铁侠”，这景象简直有如史诗一般。

　　但这套飞行战衣要如何控制呢？

　　战衣背部装有一个主喷射引擎，同时双臂各有两个较小的喷射引擎，这就意味着，穿戴者只需要改变胳膊位置，就能对战衣进行控制了，甚至不需要调整喷射推力，这个设计还蛮酷的。

　　看完了炫酷的战衣飞行，我们想从物理宅的角度来讨论讨论，如何放置胳膊才能做出不同的飞行动作，这可是关乎到你能不能飞起来又快有帅~

　　悬停和垂直运动

　　刚开始时，穿戴者应将双臂伸出，并保持在一定角度。这样一来，人体大致受到四个力：有向下的引力，还有由背后的喷射引擎提供的向上（稍微带一点角度）的力。此外，双臂的喷射引擎还会提供两个倾斜的力。下图为战衣处于悬停（静止离地）状态时的简化版受力图。

　　等一下，在进一步讨论这些力之前，我们先来过一遍一些基本的物理知识。首先是引力，在受力图上标为mg，其中m为穿戴者的质量，g是引力常数，在地球表面，引力常数约等于每千克9.8牛。

　　力究竟有什么作用呢？最基本的力与运动关系指出，作用于一个物体的总向量力（合力）与该物体的加速度成正比，也就是说，穿戴者要想悬停在半空中，受到的合力必须是零，若合力方向朝上，穿戴者就会加速向上运动。

　　既然要用到合力，先给大家看一下合力的等式：

　　而关于这个等式，有几点需要说明。变量上方的箭头代表它们为向量，即带有多个信息的变量，比如说，这些变量既可以表示力的大小，还可以表示力的方向。

　　等式中的mg为什么是正的、而不是负的呢？这是一个学生常犯的错误。这是因为引力常数的矢量方向本身就是朝下的，这一信息已经包含在这个矢量中了，因此不需要再给它加上一个负号，否则整个等式就乱了套了。

　　0上方的箭头又是怎么回事呢？这其实是零向量，和普通的零并不一样。零向量是指在各个方向上大小都为零的力，即在x轴、y轴和z轴上都为零，零向量非常重要，但大多数入门级教科书都对其避而不谈。

　　但如果不改变喷射推力，怎样才能从悬停状态变成加速向上呢？关键就在于双臂的喷射角度。假设穿戴者目前处于悬停状态，那么其y轴上的合力必然为零。这里要注意的是，当我们讨论力的分解时，在各个轴上的分解力都是一维的、并不是向量，因此在悬停状态下，y轴方向上有4个力，除了背部的推力和引力之外，还有从双臂喷射推力分解出的垂直方向上的推力。单臂受力图的分解如下图所示。

　　任何向量力都可以分解为几个不同的力。我们可以将一个力沿x轴和y轴进行分解（在现实生活中还可以加上z轴），由于x轴和y轴相互垂直，分解出的两个力便构成了一个直角三角形，因此你可以用中学所学的三角函数计算出这两个分力的大小，结果取决于喷射引擎的推力角度。

　　这一点很重要。这样一来，你就知道怎样才能加速向上飞行了：需要更多垂直方向上的推力。不需要对喷射引擎本身做任何改变，只需要将双臂更贴近身体就行。这样一来，两侧的力与垂直方向的夹角就会缩小，y轴上的分力就会变大，身体向上的总合力也会随之增加，使你加速向上运动。

　　这个动作还会改变x轴上的分力，使之减小，但这没关系，因为两条胳膊在x轴上的分力可以相互抵消，只要双臂同时做这个动作，就没什么问题。

　　向前运动

　　没人愿意一直悬停在空中。

　　假如你是钢铁侠，你肯定也想到处飞来飞去对不对？要想加速向前运动，你需要将装在双手上的喷射引擎朝向后方——只需要一点点就可以了，幅度不用太大，甚至让双臂竖直垂下也可以让你向前飞。下图是钢铁侠侧面的受力图。

　　这里要注意的是，图中只有一个向前的分力，由背后的喷射引擎提供。假如双臂的喷射引擎没有指向后方，这个分力就是唯一让你向前加速运动的力，如果没有其它力，穿戴者就会维持这一姿势、不断向前加速。

　　一旦达到了你想要的速度，你就可以把胳膊放回悬停时的位置，这样速度就不会继续增加了。匀速运动时并不需要非零合力，只有加速运动时才需要，另外，假如空气阻力很大的话，你受到的力也会稍有变化。

　　在加速过程中，你可能不得不调整一下胳膊的姿势。如果你把胳膊向后伸、身体向前倾，就会改变垂直方向上的分力，没关系，只要把胳膊贴近身体，垂直向上的分力就会随之增加，弥补刚才的变化。

　　那如果想转圈圈、或者侧着身体飞行呢？朝侧面运动和向上运动一样，只要在该方向上的合力不为零，就可以朝你想要的方向飞去了，如果想停下来，只要在反方向上加一个力，便可顺利减速。

　　而如果想做旋转运动，就得考虑一下在扭转方向上的合力，但切勿操之过急，一定要慢慢来。等你掌握了悬停技巧之后，再尝试旋转吧。

　　看到这里，有没有觉得好像回到了高中令人眩晕的物理课堂，还是直接等着这套“钢铁侠”的战衣能真正买到的时候，买一套来玩玩好了。