Μια πετώντας Tesla; Σίγουρος! Υπολογίζουμε τις απαιτήσεις ισχύος


Ο Elon Musk δεν φοβάται να παίξει στο Twitter. Σε ένα πρόσφατο tweet, ο Musk πρότεινε ότι ένα μελλοντικό Tesla θα μοιάζει με το αεροπλάνο που πετάει Επιστροφή στο μέλλον.

Χαχα. Αστείος. Αλλά θα μπορούσε πραγματικά να λειτουργήσει; Τι θα χρειαζόταν για να φτιάξετε ένα πετώντας Tesla που μετατρέπεται από την οδήγηση σε κατάσταση πτήσης με την ώθηση που βγαίνει από τους τροχούς; Ώρα για κάποια φυσική.

Μπορώ να σκεφτώ κάποιες εναλλακτικές λύσεις για να πετάξω από την επιφάνεια του Telsa. Η πρώτη μέθοδος θα ήταν η πρόωση με πυραύλους. Αυτό φαίνεται να είναι αυτό που η Elon θέλει να χρησιμοποιήσει (μια φυσική επιλογή λόγω της σύνδεσης με το SpaceX). Στην πραγματικότητα, φαίνεται ότι ούτε καν αστειεύεται.

Δεν είμαι ειδικός πυραύλων, αλλά φαίνεται ότι θα έπρεπε να συνεχίσετε να ανεφοδιάζετε τις ρουκέτες. Θα ήταν ένα ωραίο κόλπο, αλλά όχι για καθημερινή χρήση.

Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τρόπος για να φτιάξετε ένα αυτοκίνητο πετούν – κάποιο είδος αερόσακου. Δεν έχει σημασία αν χρησιμοποιείτε κάποιο τύπο κινητήρα τζετ ή ρότορα, η φυσική είναι κατά βάση η ίδια. Για να αιωρείται, το ιπτάμενο όχημα θα πάρει αέρα από πάνω από το αυτοκίνητο και θα "πετάξει" κάτω. Δεδομένου ότι ο αέρας έχει μάζα, μια αλλαγή στην ταχύτητα αυτού του αέρα θα σήμαινε ότι έχει μια μεταβολή στην ορμή (όπου η ορμή είναι το αποτέλεσμα της μάζας και της ταχύτητας). Σύμφωνα με την αρχή της ορμής, αυτή η αλλαγή στην ορμή απαιτεί μια δύναμη-και είναι αυτή η δύναμη που αντισταθμίζει τη βαρυτική δύναμη για να κάνει το αυτοκίνητο να πετάξει.

Φυσικά, δεν μπορείτε να αιωρούνται δωρεάν. Το ρίχνοντας αυτόν τον αέρα για να παράγει ανελκυστήρες απαιτεί ενέργεια. Για να αιωρείται, πρέπει να συνεχίσετε να χρησιμοποιείτε ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο. Η ενέργεια πηγαίνει στην κινητική ενέργεια του αέρα που εξαρτάται τόσο από τη μάζα όσο και από την ταχύτητα του αέρα. Δεδομένου ότι το αυτοκίνητο συνεχίζει να ρίχνει αέρα προς τα κάτω, θα θέλαμε πραγματικά να δούμε τη δύναμη (σε Watts) που απαιτείται να αιωρούνται.

Εδώ εμφανίζεται το μέγεθος των ρότορων. Εάν έχετε πραγματικά μεγάλους ρότορες, μπορείτε να "ρίξετε" κάτω από ένα μάτσο αέρα. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα του αέρα είναι πραγματικά υψηλή, οπότε δεν χρειάζεται να τον σπρώξετε με τόσο μεγάλη ταχύτητα για να πάρετε μια δύναμη αρκετά μεγάλη ώστε να αιωρείται. Η άλλη επιλογή είναι να έχετε μικρότερους δρομείς με χαμηλότερο αέριο μάζας αλλά να κατεβαίνετε σε πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα. Αλλά ο ταχύτερος αέρας έχει συνέπεια. Αποδεικνύεται ότι η ισχύς που απαιτείται για την επιτάχυνση του αέρα εξαρτάται από την ταχύτητα του αέρα που ανεβαίνει στην τρίτη ισχύ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα ελικοπτέρου που τροφοδοτείται από ανθρώπους (ναι, αυτό είναι πραγματικό) έχει τέτοιους γιγαντιαίους ρότορες.

Στο τέλος, η δύναμη να αιωρείται μπορεί να εκφραστεί ως ο ακόλουθος τύπος (βασισμένος σε θεμελιώδεις αρχές).

Για να είμαστε ξεκάθαροι, το σύμβολο ρ αντιπροσωπεύει την πυκνότητα του αέρα (περίπου 1,2 κιλά ανά κυβικό μέτρο) και το Α είναι η συνολική επιφάνεια εγκάρσιας διατομής των δρομέων (ή αεριωθούμενων αεροσκαφών ή οτιδήποτε άλλο). Υποθέτω ότι είμαστε έτοιμοι να κάνουμε μια εκτίμηση της ισχύος που απαιτείται για αυτήν την αιωρούμενη Tesla. Ίσως πρέπει πρώτα να προσεγγίσουμε ορισμένες τιμές. Αν δεν σας αρέσουν οι εκτιμήσεις μου, θα έχετε την ευκαιρία να κάνετε τις δικές σας κάτω κάτω.

  • Μάζα αυτοκινήτου = 1800 kg (βάσει του μοντέλου 3).
  • Περιοχή ρότορα = 4 * π * (0.254)2 = 0,81 τετραγωνικά μέτρα (με βάση διάμετρο ζάντας 20 ιντσών).

Πραγματικά, αυτές είναι οι μοναδικές δύο εκτιμήσεις. Τώρα για τον υπολογισμό. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνω είναι να χρησιμοποιήσω τη μάζα του αυτοκινήτου και το μέγεθος του ρότορα για να υπολογίσω την ταχύτητα του αέρα που βγαίνει από τα πράγματα των ελαστικών. Μετά από αυτό, μπορώ να χρησιμοποιήσω την ταχύτητα του αέρα για να υπολογίσω την ισχύ.

Δεδομένου ότι το python κάνει μια εκπληκτική αριθμομηχανή, θα το κάνω με κωδικό (και στη συνέχεια μπορείτε να αλλάξετε οι ίδιοι τις αξίες των στοιχείων). Απλά κάντε κλικ στο "play" για να εκτελέσετε τον κώδικα και το "μολύβι" για να το επεξεργαστείτε.

Ακριβώς για να είναι σαφές, δηλαδή 1,7 megawatts, που είναι αρκετά μικρότερο από τα 1,21 jigawatts (ναι, είναι πραγματικά gigawatts) που απαιτούνται για να κάνουν ένα αυτοκίνητο ταξίδι πίσω στο χρόνο.

Έτσι, εάν το αυτοκίνητο χρησιμοποιεί αυτή την πολύ δύναμη να αιωρείται, τότε πόσο καιρό θα μπορούσε να μείνει μακριά από το έδαφος; Σύμφωνα με τη Wikipedia, η μεγαλύτερη μπαταρία Μοντέλου 3 είναι 75 kWh (κιλοβατώρες). Ίσως θα ήταν καλύτερο να γράψουμε αυτό ως 0,075 μεγαβάτ-ώρες. Έτσι, εάν η αιώρηση παίρνει 1,7 MW τότε θα μπορούσε να πετάξει για 0,04 ώρες ή 2,64 λεπτά. Αυτό δεν είναι πολύ μεγάλο. Αλλά ίσως είναι αρκετό χρόνο να ταξιδέψει πίσω στο χρόνο.


Περισσότερες μεγάλες ιστορίες WIRED