Một Chiếc Drone Có Thể Mang Theo Người Lớn Trong Nệm?

Tôi có nhiều công việc, nhưng một trong những công việc yêu thích của tôi là tìm những điều kỳ lạ trên internet và sử dụng vật lý để xem xét xem nó có thật hay giả mạo. Trong trường hợp này, chúng ta có một video cho thấy một chiếc drone đang mang theo một người lớn trong một chiếc võng. Tôi sẽ nói ngay điều này - có lẽ đây là giả mạo.

Vật Lý Của Drone

Bạn không thể nói liệu video có thật hay giả mạo mà không hiểu cơ bản về chuyến bay của drone. Đặc biệt, chúng ta cần xem xét vật lý làm cho một chiếc drone nổi. Khi bạn nghĩ về một chiếc drone, hầu hết mọi người tưởng tượng một trong những phương tiện điều khiển từ xa này với bốn hoặc nhiều hơn cánh quạt (một quadcopter). Kỹ thuật, một chiếc drone có thể có bất kỳ số cánh quạt chẵn nào thay vì chỉ bốn (bạn cần một số chẵn để dễ dàng điều khiển). Cũng có drone có cánh cố định, nhưng chúng không được phổ biến lắm.

Hãy tập trung vào những chiếc drone dựa trên cánh quạt. Chìa khóa để nâng lên chính là lực đẩy của cánh quạt: Nhiệm vụ chính của một cánh quạt là lấy không khí từ phía trên máy bay và đẩy nó xuống với một tốc độ nào đó. Hãy tưởng tượng rằng trong một khoảng thời gian ngắn nào đó, cánh quạt lấy một hình trụ không khí ở phía trên (ban đầu ở trạng thái nghỉ) và đưa nó với một vận tốc cuối cùng di chuyển xuống.

Khối lượng không khí này phụ thuộc vào cả mật độ của không khí và kích thước của cánh quạt. Cánh quạt lớn hơn có nghĩa là khối lượng không khí lớn hơn. Khi không khí bị đẩy xuống với một vận tốc nào đó, nó tăng động lượng - động lượng là khối lượng nhân với vận tốc. Theo nguyên lý động lượng, bạn cần một lực để thay đổi động lượng của một đối tượng. Vì vậy, có một lực đẩy xuống trên không khí để "ném" nó xuống. Vì lực là sự tương tác giữa hai đối tượng, cánh quạt đẩy xuống trên không khí có nghĩa là không khí đẩy lên trên cánh quạt. Nếu lực đẩy lên này bằng trọng lượng của drone, thì nó sẽ nổi. Đó là vật lý đơn giản làm phức tạp.

Cuối cùng, diện tích tổng của cánh quạt là rất quan trọng. Đối với trọng lượng drone nhất định, bạn có thể làm cánh quạt lớn hơn (hoặc nhiều hơn) và đẩy không khí xuống với tốc độ chậm, hoặc bạn có thể làm cánh quạt nhỏ và đẩy không khí xuống với tốc độ nhanh. Dường như bạn có thể sử dụng bất kỳ kích thước cánh quạt nào bạn thích - nhưng điều đó không thực sự đúng.

Rõ ràng bạn cần một lực cụ thể để nổi. Nhưng không chỉ là lực quan trọng - nó còn liên quan đến công suất. Ở đây, tôi đang sử dụng định nghĩa vật lý của công suất, đó là tỷ lệ mà năng lượng được sử dụng. Đúng, cần năng lượng để tăng tốc không khí này. Không khí bắt đầu từ trạng thái nghỉ phía trên cánh quạt nhưng sau đó có năng lượng động. Năng lượng này phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc của không khí. Tôi sẽ bỏ qua tất cả các chi tiết và chỉ chia sẻ biểu thức này cho công suất cần thiết để nổi dựa trên những ý tưởng cơ bản như động lượng và năng lượng.

Trong biểu thức này, công suất (P) phụ thuộc vào mật độ không khí (ρ), diện tích cánh quạt (A) và tốc độ không khí (v). Nếu máy bay đang nổi, thì có một mối quan hệ giữa diện tích và tốc độ không khí sao cho tôi có thể tính công suất cần để nổi. OK, tôi thừa nhận rằng biểu thức này có vẻ kỳ lạ vì thực sự tôi không biết nhiều về máy bay trực thăng và động học của những vật bay. Tuy nhiên, tôi có truy cập vào Wikipedia có liệt kê nhiều loại trực thăng khác nhau mà có vẻ có thể nổi. Nó cũng liệt kê kích thước cánh quạt, công suất động cơ và trọng lượng. Điều đó có nghĩa là tôi có thể tính công suất lý thuyết dựa trên nguyên lý vật lý cơ bản của tôi cũng như công suất đã được liệt kê. Dưới đây là kết quả tôi đạt được.

Đồ thị này nói gì? Nó nói rằng có một mối quan hệ giữa công suất tính toán và công suất được liệt kê. Nó nói rằng phép tính công suất của tôi không hoàn toàn là vô nghĩa. Vì vậy hãy sử dụng nó.

Một Chiếc Drone Có Thể Nâng Bao Nhiêu?

Lý thuyết, một chiếc drone có thể nâng bất kỳ khối lượng nào dù có kích thước cánh quạt nhỏ đến đâu. Nhưng ở mức thực tế, có hai hạn chế. Đầu tiên, tốc độ không khí tối đa có lẽ là khoảng 40 m/s (dựa trên tính toán vật lý của trực thăng S.H.I.E.L.D.). Thứ hai, nếu drone có công suất là điều gì đó điên rồ như 1,000 Watts, nó sẽ không thể bay được lâu.

Sử dụng khả năng tìm kiếm của tôi trên Google, có vẻ như chiếc drone trong video này có thể là một DJI-S800. Từ sơ đồ quadcopter, tôi có bán kính cánh quạt là 0.188 mét cho một diện tích cánh quạt tổng cộng (6 cánh quạt) là 0.67 m². Giả sử trọng lượng tổng cộng của drone cộng với người là 70 kg, tôi có thể tính toán tốc độ đẩy cần thiết để nổi. Với những giá trị này, tôi có 43 m/s - đó có vẻ hợp lý. Bây giờ đến công suất, tôi có 14.8 kilowatts (bạn có thể xem tính toán của tôi tại đây). Một công suất 14.8 kilowatts là khá cao. Một ngôi nhà có kích thước bình thường có thể sống sót với dưới 3 kilowatts. Chỉ là nói thôi.

Lưu ý nếu bạn thay thế con người bằng một búp bê có trọng lượng chỉ 5 kg, thì công suất giảm xuống còn 280 Watts - đó là một con số hợp lý hơn nhiều. Video dường như rõ ràng là một búp bê thay vì một người, nhưng lựa chọn khác có thể là một chiếc drone hoàn toàn số hóa được thêm vào một video thực. Nhưng cuối cùng, việc tính toán số liệu công suất cho các khối lượng khác nhau khá dễ dàng vì tôi đã sử dụng một chương trình Python cho các tính toán. Máy tính đơn giản thì ngốc ngếch.

Có lẽ Chiếc Drone Này Là Thật

Đây là một chiếc drone khác có người (nhưng không phải trong một chiếc võng). Cái này có lẽ là thật.

Khác biệt giữa chiếc drone trong chiếc võng và chiếc drone này là gì - ngoại trừ chiếc võng? Có, chiếc drone bay thứ hai này có một diện tích cánh quạt lớn hơn nhiều. Tôi sẽ không tính toán, nhưng tôi sẽ không ngạc nhiên nếu nó xấp xỉ 4 m². Một diện tích cánh quạt lớn hơn có nghĩa là tốc độ đẩy thấp hơn, điều này đồng nghĩa với việc tiêu thụ công suất thấp hơn. Trong thực tế, nếu tôi thay đổi tính toán ở trên để bao gồm diện tích cánh quạt này, tôi có một tốc độ đẩy là 16.9 m/s và một công suất là 5.8 kilowatts. Vâng, đó vẫn là một công suất lớn - nhưng đáng kể thấp hơn so với chiếc drone trong chiếc võng. Càng to cánh quạt, càng tốt.