Forklarer fyren, der smed en champagneflaske og vendte den til en rakett

Er dette ikke sket for alle? Du er på en vens bryllup, og det er dit job at åbne den festlige flaske Champagne. Det er alt godt og godt, du siger til dig selv, men bare at forkæle det er så passé. I stedet tager du flasken ved halsen og slår den mod en væg. Hvad er det ikke sket med dig? Nå skete det med denne fyr:

Lige i hofte, var det? Måske i bilnøglerne eller iPhone? Det skal være ondt.

Men hvor meget gjorde det ondt? For at få hjælp til det spørgsmål, vendte jeg mig til Dr. Gabriel Xu, en plasmafysiker ved Propulsion Research Center ved University of Alabama i Huntsville. Hvorfor bad jeg en raketforsker til at hjælpe mig med Inverse lektier? Lad os bare sige, at en raketforsker er den rigtige fyr til at vende sig til, når din champagne går fra at være partikelbrændstof til flaske drivmiddel.

Det øjeblik, at flasken rammer muren, bliver den en raket.Det kan lyde grandiose, men det er helt - hvis pedantisk - korrekt. Som NASA forklarer det:

"Raketter arbejder af en videnskabelig regel kaldet Newtons tredje lov om bevægelse. Engelskforsker Sir Isaac Newton opregnede tre love om bevægelse. Han gjorde det mere end 300 år siden. Hans tredje lov siger, at for hver handling er der en lige og modsat reaktion. Raketten skubber på sin udstødning. Udstødningen skubber også raketen. Raketten skubber udstødningen bagud. Udstødningen gør raketbevægelsen fremad."

I vores tilfælde springer en blanding af kuldioxid og flydende mod ud af flasken og skubber flasken fremad. Kraften på flasken og kraften på drivmidlet udarbejder et "action-reaction pair" i fysikparlance. Og i typisk fysisk mode forsømmer vi tyngdekraften og luftmotstanden herfra.

Den involverede matematik er kun lidt mere sofistikeret end dette:

Raketter adlyder Rocket Equation, som ser sådan ud

Hvor F står for kraft v står for hastighed, og dm / dt står for forandringen i masse over tid. Ligningen siger bare, at kraften på raketen er lig med ændringen i masse gange udstødningens hastighed - i vores tilfælde kuldioxid.

Her er hvor jeg fik sig fast. Det var ikke umiddelbart oplagt for mig at beregne v og dm / dt. Men Dr. Xu var på pengene. Vi beregner v med Bernoulli's ligning, som blot udtrykker loven om bevarelse af energi til flydende væsker. Som en side er en af ​​de almindelige anvendelser af Bernoulli ligningen at forklare, hvordan flyvinger arbejder - hvilket har nogle problemer.

Bernoulli-ligningen ser sådan ud, hvor udtryk på venstre side henviser til kuldioxid i flasken, og vilkårene på højre side henviser til alkoholisk raketsauce, der forlader flasken:

Det ser grimt ud, men det er virkelig ret simpelt. Det første udtryk på begge sider er bare trykket. Det andet udtryk er væskens kinetiske energi. På venstre side lader vi dette være nul, da væske i flasken ikke bevæger sig i forhold til flasken. Dette lader os løse udgangshastigheden, v, af vores champagne.

Med v vi kan også beregne dm / dt. Alt, hvad vi behøver at vide, er, hvor meget masse der passerer et punkt ved flaskeens åbning til enhver tid. Det er bare tætheden af ​​gassen gange tværsnitsarealet af flaskehalsetiderne v. Presto.

Hvis vi laver nogle antagelser, kan vi beregne F intet problem. Her er tallene, som Dr. Xu foreslog. Flaske Champagne er under seks atmosfærer af pres, mens atmosfæren er (overraskende) under en atmosfære. Tætheden af ​​Champagne er tæt på vandet - 1.000 kg pr. Kubikmeter. Og flaskehalsen er 25 mm i diameter.

"Ved hjælp af disse antagne tal får jeg en trykstyrke på 15,6 Newton," skrev Xu i en email. Hvis du husker gymnasiefysikken, ved du, at en Newton er den kraft, der kræves for at accelerere 1 kg masse ved 1 meter pr. Sekund pr. Sekund. Men Xu siger, "Det er ikke en rigtig nyttig mængde at tænke på. I stedet kan vi se på det momentum, der bæres af flasken ved indflydelse."

Momentum er en fin og konkret mængde til vores formål, fordi den fanger "oomph" - og "ouch" - af en effekt bedre end kraft. Men i modsætning til kraft har momentum ikke en bekvemt navngivet enhed; Det måles kun i kilogram-meter pr. sekund eller kgm / s. Du kan se fra enhederne, at momentet lige svarer til massetider hastighed.

Flere tal fra Dr. Xu: "En 750 ml vinflaske er ca. 0,9 kg og 750 milliliter vand / Champagne er 0,75 kg." Herfra kan vi udnytte gode ol Newtons anden lov, F = ma, for at beregne accelerationen, som viser sig at være 9,45 meter pr. sekund pr. sekund.

"Fra videoen ser det ud til at flasken rammer fyren ~ 0,5 sekunder efter at have ramt objektet og bliver til en raket," skrev Xu. Forudsat at starthastigheden er nul, "så efter 0,5 sekunder rammer flasken med en hastighed på 4,73 m / s. Lad os sige flasken taber noget væske i den tid og har kun 1,5 kilo tilbage. Kraften ved slag er således … 7,1 kgm / s."

Nå, det er meget godt og godt, du siger, men hvordan har jeg det fornuftigt? Bare rolig, Dr. Xu har din ryg.

"Til sammenligning," skrev han, "et baseball har en masse på 0.145 kg, og en 90 mph fastball er ~ 40 m / s. Så et 90 mph baseball ville ramme med en fart på 5,8 kgm / s. Således ramte flasken fyren som en 110 mph fastball."

Det skal være ondt.

Citater er blevet redigeret for at erstatte forkortede enhedsnavne med deres komplette versioner