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【閒聊】人體承受立體機動裝置的加速度

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【閒聊】人體承受立體機動裝置的加速度

動畫專區
岳夏老仁 (IssacYUEH) 2013-05-25 00:24:13
CC
#1
昨夜中等流力作業生不出來...
因而一時興起來算一下(明明就是自己想算 www

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我這篇的用意是在盡量用比較多人還能理解的推導流程,來提供飛行時速度與加速度的理論值可能落在的範圍。
由於不考慮空氣阻力,所以一切理論值都需下修才會接近實際值。
而這些理論值基本上以人體來說我認為是還可以承受的,更何況是實際值呢?(不負責 笑~

正文開始
(點圖皆可另開放大檢視)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

以下理論基礎假設:
1.艾倫腰力夠給力,不會輕易"腰"折 www
2.繩索夠給力,不會輕易斷掉。
3.運動過程中皆假定繩索為緊繃狀態,不考慮繩索可能為非緊繃的情形。
4.不考慮所有空氣阻力。
5.運動為單純的鉛垂面圓周運動。

示意圖:


--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Case1. 單靠繩索擺盪,不使用氣體噴射裝置:

已知艾連質量m,經助跑後斜向上起跳初速v0。經一小段拋物線的飛行後,當速度達v0斜向下時
,恰射出繩索(長度已知R)並沿圓周路徑盪至最低點時,鉛直方向下降高度差為h。
試算:最低點B處的速度v與體感加速度a

根據「力學能守恆」原理:A處力學能=B處力學能
意即:A處動能+A處位能=B處動能+B處位能

過程與結果詳見:

可得v


若當初艾連將繩索已幾乎水平的角度射出,因此幾何尚可將h近似成R

過程與結果詳見:

可得近似的v


又根據曲線運動路徑中,過彎時的向心加速度為:a=v^2/r

過程與結果詳見:

可得a


以上由簡單的假設出發,再以理論的推算得到我們所關切的最大速度v與體感的最大加速度a
再來試著帶入一些實際數字來看看~
設艾連起跳時初速v0=9m/s,繩索長度R=30m

過程與結果詳見:


得 最大速度v=25.9m/s & 最大加速度a=22.3m/s^2 (約為2.28倍的重力加速度)


探討:


原則上艾連助跑後的初速v0以人體來說大約為9m/s,由導出的式子可觀察出v和a都與R有
著較大的關係,R值可任意帶入2~49m試試(牆壁最高就50m了)

若R=3m,v得12m/s,a得46.6m/s^2 (約為4.76倍的重力加速度)
若R=45m,v得31m/s,a得21.4m/s^2 (約為2.18倍的重力加速度)

由以上得結論:
R由小到大,v的變化也是由小到大,範圍約在10~35m/s
R由小到大,a的變化則是由大到小,範圍約在20~48m/s^2 (約為2~4.9倍的重力加速度)

又平時多數飛行於3~4層樓的建築物之間,繩長R約12m已足夠
故R=12m,v得17.78m/s,a得26.4m/s^2 (約為2.69倍的重力加速度)

因而推估飛行時絕大部分的
v範圍為15~25m/s
a範圍為25~30m/s^2 (約為2.5~3.1倍的重力加速度)

*這腰力可真是要練啊*

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Case2. 擺盪期間輔以氣體噴射裝置:

示意圖:


Case1.中的原假設沿用,差異只在於圓周軌跡飛行期間,氣體噴射裝置提供穩定推進力F
,並對艾連持續作功

由A至B處過程中,推進力F作功量W如以下:
W = F.S = ∫F.dS = F.∫dS = F*πR/2 = F*(AB弧長)


再根據「功能原理」:A處動能+A處位能+推進力作功量W=B處動能+B處位能

過程與結果詳見:

可得v


又依據曲線運動路徑中,過彎時的向心加速度為v^2/r
又除了向心速度之外還有由推進力F所造成的切線加速度=F/m

過程與結果詳見:

可得 向心加速度 與 切線加速度


分析B處的力學情形:

示意圖:


可得真正的「體感加速度」等於「[(向心加速度)^2+(切線加速度)^2]再開根號」


探討:
我們直接以較貼近實際情形的數字帶入,並試算推進力F~
艾連質量人設上為63kg,再假設起跳初速v0=9m/s,繩索長R=12m
於上述條件的情況下,再輔以氣體噴射裝置使得艾連承受著3.2倍的重力加速度在運動

過程與結果詳見:

押工程計算機直接求解後...
得推進力F約為100N(牛頓)


又假設噴氣孔截面積為4cm^2,試算瓶內氣壓:

過程與結果詳見:

估計瓦斯瓶內當時氣壓約為2.5倍的大氣壓


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僅靠著小弟去年修習動力學也不過70分的程度,信手拈來的想法與過程

原手稿全貌:







見笑了

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又很多人都問說:我在最底處的加速度是不是少加一個g了?

答案是:沒有



「動力學」這個原因,造就了「運動學」這個結果。
但是分析上應先利用「運動學」分析出物體運動的加速度a
再由「動力學」的核心概念:合力F = 質量m x 加速度a ,去作力的分析
而合力即為多個分力所造成,意即:F1+F2+... = m*a

運動學分析:
運動學所分析出的加速度正是我所謂的「體感加速度」
先將加速度a分解成 平行於速度方向的"切線加速度" 與 垂直於速度方向的"向心加速度"



動力學分析:
由力學分析找出艾連身上所有的受力情形,且其總效應必須符合透過運動學所分析出的結果



結論:
真正該多一個G力的對象其實是繩張力,它必須多負擔一個mg才能使其與重力W=mg在鉛直方向上的總效應為 m(2g+v0^2/R+πF/m)向上,如此一來動力學與運動學的結論才有吻合。
對艾連而言他只感受到「合力」對他造成的加速度為以下:





手稿全貌:

         

看較舊的 430 則留言

意嵐: B440 2013-08-12 17:46

結論是士兵腰很好老婆很幸福

卡里貓: B441 2013-08-12 18:59

長篇大論 這和動晝有相關?

海賊王道: B442 2013-08-13 11:53

期待樓主把各式阻力加進去計算WWW(遭踹

蒼雲: B443 2013-08-24 11:59

可以簡單一點說嗎? 好比說想要用立體機動裝置需要什麼樣的肌肉力量或者和什麼動物等同的身體能力才行?

A8502008: B444 2013-08-27 05:32

哪來的耐性....

二月間尺 (Virluna) 2013-05-25 00:29:11
#2
我不忍說我根本就一句都看不明白/w\

看較舊的 23 則留言

FaiCC: B24 2013-06-17 12:54

推爆這篇~ xd

你只是個好人: B25 2013-08-02 15:00

說道心坎裡了

殘月: B26 2013-08-06 10:32

完全看不懂(掩面

歐~lol: B27 2013-08-12 02:17

這根本就不是人類的東西阿 XD

愛莉佳: B28 2013-08-15 18:33

一句都看不明白+1

烽火 (michaek82080) 2013-05-25 02:04:49
CC
#3
※ 引述《IssacYUEH (岳夏老仁 ㍿™)》之銘言
文長恕刪~難得看到一篇認真計算的文章,我的物理魂也跟著跑出來了
雖然很多人說認真就輸了,不過投降可以只算輸一半嗎XD
首先看你的假設,看起來這篇文章應該是給自然組的高中生看的
畢竟在修流力的話,材力和動力應該都是會的(吧XD)
只是要算入空氣阻力,在假設繩索為彈性體一堆哩哩摳摳的東西應該會昏掉
如果以你的結果來看,私以為現實生活中是可行的
1.從你算出來的結果來看2~3G的加速度其實不算很大,因為目前高級的戰鬥飛行員需要承受的加速度為9G(數秒內不昏厥),主要是要看他承受這個加速度的面積,不過似乎整個裝備從腰帶到衣服都有設計過,看起來應該是可以全身平均分擔這個G力,因此說這靠腰力其實也不完全正確,再來是不管從漫畫或動畫來看,是需要用到全身才有辦法完成整個平衡,因此這部分我覺得現實生活中是有可能出現的
2.以承受5G、以及從官網的設定最大體重102KG,加上裝備當150KG來算,每條繩子平均分擔3.7KN,再以電梯的鋼索12mme可承受14KN的情形而言,完全是可以承受的範圍啊!!
3.若以彈性體來看會很麻煩,所以還是假設他為不可拉伸的剛體好了XDD
4.空氣阻力的部分,因為流力我下學期才會上所以跳過空氣阻力的部分(我個人是覺得不能忽略啦,畢竟人體承受風的表面積還滿大的,不過還沒學嘛...)
5.雖然從動畫中來看幾乎都不是鉛錘面的運動,不過以計算來說,鉛錘面的運動會造成最大的張力,因此這個假設其實不錯
最後是鋼瓶的氣壓,要加壓到2.5大氣壓輕而易舉(瓦斯桶最大安全氣壓為10大氣壓左右),因此是相當有餘力的

初評:武器在現實生活有發展潛力

看這情形這裝置可行性頗高
不過會不會撞上東西又是另一回事了...

看較舊的 18 則留言

Dio: B19 2013-05-26 06:38

要承受到9G要穿特殊服裝了...

おみそしる: B20 2013-05-26 09:37

撞牆重點xD

獨: B21 2013-05-26 22:27

問題是要怎麼把鋼索彈射出去還能嵌在百米外的石牆上?

☆ 熾: B22 2013-05-27 21:05

我也有同樣的疑問,那個矛頭真的承受的了高速擺盪, 瞬間釋放,再次射出並且崁入物體內?...如果鏘......因為矛頭磨損, 沒插住, 主角就要換人做了耶

邊緣中年宅: B23 2013-06-17 10:49

不過會不會撞上東西又是另一回事了 <<有梗

岳夏老仁 (IssacYUEH) 2013-05-25 03:54:46
CC
#4
※ 引述《michaek82080 (烽火百戰天)》之銘言
部分文恕刪

> 只是要算入空氣阻力,在假設繩索為彈性體一堆哩哩摳摳的東西應該會昏掉

所以我才省略www

> 如果以你的結果來看,私以為現實生活中是可行的
我也覺得可行,只是這比駕駛戰鬥機還難www
整個就是跑酷運動加上飛行器具(炸

> 1.從你算出來的結果來看2~3G的加速度其實不算很大,因為目前高級的戰鬥飛行員需要承受的加速度為9G(數秒內不昏厥),主要是要看他承受這個加速度的面積,不過似乎整個裝備從腰帶到衣服都有設計過,看起來應該是可以全身平均分擔這個G力,因此說這靠腰力其實也不完全正確,再來是不管從漫畫或動畫來看,是需要用到全身才有辦法完成整個平衡,因此這部分我覺得現實生活中是有可能出現的
我也覺得理論上辦得到~
照你所說的服裝性能等等,我個人認為頂多能承受到4G多,再者我的計算結論是中
a=2g+v0^2/R
a明顯是單一變數R的函數,而且重點是:「R越大a越小;R越小a越大」範圍也不過2~4.9G
又如果根本沒有初速v0的話,這個結論是會簡化成a=2g,意即鉛垂面圓周運動盪至最低點時,G力只有2G

> 2.以承受5G、以及從官網的設定最大體重102KG,加上裝備當150KG來算,每條繩子平均分擔3.7KN,再以電梯的鋼索12mme可承受14KN的情形而言,完全是可以承受的範圍啊!!
> 3.若以彈性體來看會很麻煩,所以還是假設他為不可拉伸的剛體好了XDD
> 4.空氣阻力的部分,因為流力我下學期才會上所以跳過空氣阻力的部分(我個人是覺得不能忽略啦,畢竟人體承受風的表面積還滿大的,不過還沒學嘛...)
空氣阻力確實不能輕易忽略,但也不能把風阻隨意當作定力作負功。
問題是要考慮下去的話也不知道要假設他與速度的幾次方成正比,畢竟風阻通常是v的函數,這一下去真的會很複雜
但是可以確信的是:風阻一定是作負功,換言之我這些理論計算出的結果若將風阻計入的話,v
和a的大小都必須下修不少
也就是說:理論值>實際值

> 5.雖然從動畫中來看幾乎都不是鉛錘面的運動,不過以計算來說,鉛錘面的運動會造成最大的張力,因此這個假設其實不錯
> 最後是鋼瓶的氣壓,要加壓到2.5大氣壓輕而易舉(瓦斯桶最大安全氣壓為10大氣壓左右),因此是相當有餘力的
鋼瓶的性能與設計等等不是我針對的重點XD
我只是單純理論計算出鋼瓶內(噴氣孔處)的壓力~

> 初評:武器在現實生活有發展潛力
> 看這情形這裝置可行性頗高
> 不過會不會撞上東西又是另一回事了...

看較舊的 10 則留言

靜殺戮之月: B11 2013-05-26 17:37

居然不知道白菓!?

眼眼の下剋上: B12 2013-05-26 23:28

居然知道買醬油!?

鼻屎(BiSHI): B13 2013-05-27 09:24

居然這樣也能接龍!?

法比歐拉夫: B14 2013-05-27 13:21

我想請問一下 再推倒 推進力100N那邊 上面的 體感加速度a 3.2g 這個值是假設出來的嗎? 這部份小弟有點不懂

岳夏老仁: B15 2013-05-27 13:24

對 沒錯~ 我是假設若計入推進力之後產生3.2g的加速度量值,那推進力為多少? 然後開始試算.

岳夏老仁 (IssacYUEH) 2013-05-26 16:13:27
CC
#5
原文:
http://forum.gamer.com.tw/Co.php?bsn=43473&sn=16084

很多人都問說:我在最底處的加速度是不是少加一個g了?

答案是:沒有



「動力學」這個原因,造就了「運動學」這個結果。
但是分析上應先利用「運動學」分析出物體運動的加速度a
再由「動力學」的核心概念:合力F = 質量m x 加速度a ,去作力的分析
而合力即為多個分力所造成,意即:F1+F2+... = m*a

運動學分析:
運動學所分析出的加速度正是我所謂的「體感加速度」
先將加速度a分解成 平行於速度方向的"切線加速度" 與 垂直於速度方向的"向心加速度"



動力學分析:
由力學分析找出艾連身上所有的受力情形,且其總效應必須符合透過運動學所分析出的結果



結論:
真正該多一個G力的對象其實是繩張力,它必須多負擔一個mg才能使其與重力W=mg在鉛直方向上的總效應為 m(2g+v0^2/R+πF/m)向上,如此一來動力學與運動學的結論才有吻合。
對艾連而言他只感受到「合力」對他造成的加速度為以下:





手稿全貌:



  
汶問文: B1 2013-05-26 16:21

感謝講解 雖然看不懂

豹紋兄: B2 2013-08-15 19:06

感謝講解 不過有個疑問

豹紋兄: B3 2013-08-15 19:07

台灣人幹嘛寫簡體字= = 我很不解

Adolph (cjwuknight) 2013-07-28 11:56:24
#6
這是我PO在自己的臉書上的
由於某一篇文章
http://m.gamer.com.tw/forum/C.php?bsn=43473&snA=2429&last
對於立體機動裝置的力學稍微描述了一下
這篇所用的方式是以國中就學到的鐘擺運動為基礎去運算的
當擺動的幅度小於5度時,則視為等速圓周運動
再加上力學能守恆,即動能與位能的轉換
⋯⋯ 但是影片中,很明顯的每位士兵都武功高強,顯然不是這篇就能解決的了
於是又找到了這篇
https://app.box.com/s/zyxnubg0pg9gdeelfv9k
這篇僅僅是將擺動的角度加大,無法單純使用以前學到的鐘擺原理
但是計算卻已經不是人類簡單的大腦所能夠應付的了...
都是直接用電腦計算出來的數字
但是這都還只是純理論的結果,連空氣阻力都沒考慮進去
更不用說影片裡的特技動作
http://www.guokr.com/article/437191/
而後又找到了討論相關流體力學的文章
如空氣阻力,噴嘴的排氣,氣瓶的壓力等等
(如果把流力的結果套入上述的力學理論...大概要用超級電腦跑程式了吧...)


不過,看了那麼多,我個人覺得立體機動裝置,似乎不單純靠擺盪或是噴氣來作用
對於立體機動裝置,我的解讀是
將氣瓶裡的高壓氣體,經由葉片轉換成動力帶動絞盤/捲線器,把人拉向目的
http://images.plurk.com/mrv5-7mq1TX9WkjNqSPx83DFM2O.jpg
請見這張圖,臀部上方的那兩個喇叭型狀物體,這兩個應該就是渦輪機
可以把氣瓶裡的氣體轉換成動力輸出,而中間那一個就是排氣孔

先不考慮影片中的科技水準,以目前的科技水準,能夠做出來的立體機動裝置
首先就是動力源,目前的渦輪都是應用在大型機具上,如發電廠,船艦等等
這是單純以氣體驅動的渦輪機
另外也有燃氣渦輪,這是建立在使用燃油的情況下,體積較小,但也是使用在大型車輛
如美軍M1戰車就是使用燃氣渦輪為動力
以上似乎都不適合單兵裝備的東西...
因此,我將動力源修改為內燃機,汽油引擎,也就是一般汽機車常見的汽油引擎
假設以背負式割草機的汽油引擎做為動力源
http://tw.page.bid.yahoo.com/tw/auction/b92986817;_ylt=AlaNxn4emyTcENL9w5M55Y2pFLJ8?u=Y7251182725&actsrch=srp2
這台割草機有2.2 HP,其輸出功率為746*2.2=1641.2 W,每秒輸出1641.2焦耳的能量
割草機重量7.3 kg,如果士兵體重60公斤,假設整個立體機動裝置10公斤的話
以垂直等速上升來說,W=mgh,1641.2=70*9.8*h,h等於2.39 m
換句話說,每秒可以上升2.39米,這樣應該有比人爬樓梯快?

最棘手的就是把繩子固定在牆上,然要又可以隨意的解開...
最普通的就是用鐵釘直接釘進去牆壁
木工用的釘槍是以高壓空氣將釘子打進去木頭,高壓空氣則由空氣壓縮機提供
而能夠釘進去水泥牆的釘子,則使用火藥為動力
但是普通的鐵釘都是不能作為結構固定用,只能作裝潢用,因為鐵釘太細,固定力也不夠
結構用的有另外兩種:膨脹螺栓,化學錨栓
http://img.diytrade.com/cdimg/1155537/12654372/0/1272505316.jpg
這是膨脹螺栓,先在牆上鑽孔,然後把螺栓打進去,螺栓的前頭會膨脹,然後就會牢牢的固定住
http://image.big5.made-in-china.com/2f0j01cBQEMYTquLof/化学锚栓.jpg
這是化學錨栓,一樣要先在牆上鑽孔,然後先把下面那隻玻璃管放進去(管內是黏著劑),再把上面的螺釘打進去洞裡面,等若干小時後,黏著

劑硬化即可(最少約10分鐘就會硬化,要達到最佳強度仍需數小時)
以上的兩種螺栓,固定力很強,都是數百公斤起跳,看你的螺栓直徑與混凝土強度決定
但是,都要事先鑽孔,而且打進去後,幾乎是無法移除
http://www.56.com/u16/v_ODQwNjA4NjE.html
這是流言終結者,某一集檢驗英雄電影裡的科技
其中一個是英雄把繩子打出去固定在牆上,然後迅速升上去
他們將這個道具分成兩部分,絞盤與釘槍,絞盤使用電力馬達,20秒上升27呎(約9米),而節目主持人的體重應該不下70公斤
釘槍則是使用火藥動力的釘槍,並使用射魚叉的工具拋射出去
但是釘子固定不牢固,連體重都無法支撐,遑論做出機動動作
這部分,我想最好的方法就是,在建築上事先做出一堆鉤子,讓後續的士兵可以使用戰鬥
就像是攀岩一樣,事先挖一堆手腳能出力的孔
好處是,建築物不會像影片中被打得千瘡百孔
壞處是,好像沒辦法臨時在沒打釘子的地方戰鬥(如第一次探索的野外...)而且還要增加一個瞄準點的練習

高強度的繩索這應該很容易,現在有的是人造纖維
常見的尼龍,便宜的玻璃纖維,昂貴的碳纖維,可以做防彈衣的Kevlar(克維拉,凱芙拉,凱夫勒,凱庫勒,功夫龍)

撇開上面的固定問題,我想還能夠再加強機動性
如果動力越強的話,機動性就越高
由於繩子是綁在腰部,如果有極大的拉力,那麼士兵很有可能一拉就腰折...
所以,應該再配備外骨骼裝置
http://pansci.tw/archives/15636
輔助士兵承受強大的拉力
另外,由於強大的拉力,也會帶來強大的加速度(高G力)
而人在高G力下,會出現難以控制動作的情況,記得好像到了9G的情況下,連眼皮都無法動作...
高G力也會對體內造成影響,主要是血液不再照著正常的方向流
正G力的情況下,血液會離開腦部,腦部缺氧,眼睛也因為缺氧,而視覺變成黑色,黑視(Blackout)
負G力的話,血液會衝向腦部,造成頭部充血,眼睛也因為充血,而視覺變成色,紅視(Redout)
所以需要穿上戰鬥機飛行員的"抗G衣",以抵抗強大的G力而不昏迷
外骨骼裝置則輔助士兵克服強大G力帶來的重力,在高G力的情況下依然可以控制立體機動系統,執行機動.劈砍攻擊等

大概是這樣子吧,以上講了那麼多,重量應該也增加不少
體重假設60公斤,立體機動裝置以10公斤計,外骨骼+抗G衣應該50公斤跑不掉
士兵整體重量為60+10+50=120公斤!!!

剩下的...就是那兩把美工刀了吧...
以劈砍切割為主的戰術,應該用日本本土的武士刀就很好用了吧...
如果嫌雙手握太麻煩,那麼阿拉伯彎刀或是騎兵軍刀就更好用
騎兵就是趁著交錯而過的一瞬間,用刀子劈砍對方不是嗎?
這跟影片裡的戰術根本就是一樣的...

那兩個大刀鞘...整個立體機動裝置最占空間的部分
帶著一堆刀刃,是因為刀刃很容易斷裂毀損嗎?
既然如此,為何不打造得更堅固?
還故意刻上折刃的凹痕是要?是故意做得更容易斷嗎...= =


另外,再附上很有意思的探討文章
http://www.guokr.com/question/483436/
http://www.guokr.com/question/483366/
上篇是探討為何不以火器等為主力
下篇是探討三層城牆的大小與居住人口的問題

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