10 unverschämte Cartoon-Momente, die echte Physik verwenden

Es mag seltsam erscheinen, in die Welt der Cartoons zu schauen, um mehr über die physikalischen Gesetze zu erfahren, die die reale Welt regieren, aber inmitten all der verrückten Kapriolen, wilden Explosionen , unwahrscheinlichen Verfolgungsjagden und geradezu unmöglichen Actionszenen machen Cartoons manchmal die Physik richtig . Da physische Aktionen in Animationen so oft übertrieben werden, kann es tatsächlich einfacher sein, Kräfte am Werk zu sehen. Natürlich ist es manchmal nur ein wirklich gutes quantenmechanisches Wortspiel.

Diese 10 Beispiele aus unseren Lieblings-Cartoons zeigen Zeiten, in denen verrückte Gesetze des Cartoonlandes den tatsächlichen Gesetzen der Physik Platz machten (aber immer noch verrückt blieben).

1. Der Flash verwendet Quantentunneling
2. Futuramas St. Pauli Exclusion Principle Girl
3. Das Feuerlöscher-Antriebssystem von Wall-E
4. Hitzetod und der Urknall auf Futurama
5. Klassische Superman-Kämpfe auf einer geneigten Ebene
6. Homer, seine Kartoffelchips und unsere neuen Ameisenfürsten erleben die Schwerelosigkeit
7. Venture Brothers: Die geosynchrone Umlaufbahn von Gargantua-1
8. Olaf überlebt einen langen Sturz in "Frozen"
9. Mr. Incredible stoppt Gauners Auto mit einem Baum, Gauner fahren weiter
10. Woody baumelt in „Toy Story 3“ an seiner Zugschnur

Bei mehreren Gelegenheiten hat der Blitz seine Moleküle mit seinen Supergeschwindigkeitskräften zum Vibrieren gebracht und ist dann durch ein scheinbar festes Objekt hindurchgegangen. Was ist denn hier los? Eine ziemlich unwahrscheinliche Extrapolation eines Konzepts, das als Quantentunneln bekannt ist.

Quantentunnelnist das Mittel, mit dem sehr kleine Teilchen, normalerweise Elektronen, sehr dünne Schichten aus undurchdringlichem Material passieren können. Es hängt von der Quantenmechanik ab, der Art und Weise, wie Teilchen auf sehr kleinen Skalen agieren. Insbesondere hängt es von der Teilchen/Wellen-Dualität ab – auf Quantenskalen weisen Teilchen Eigenschaften sowohl eines Teilchens als auch einer Welle auf. Es ist unmöglich, die genaue Position eines Partikels zu bestimmen – stattdessen existiert ein Partikel als eine Wolke von Wahrscheinlichkeiten. Wenn ein Teilchen auf eine dünne Barriere trifft, besteht eine winzige Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen auf der anderen Seite der Barriere existiert. Zerschmettere genug Partikel und einige von ihnen werden sich bei der Messung als tatsächlich auf der anderen Seite herausstellen. Trotz des Namens tunneln sie nicht wirklich durch die Barriere. Sie erscheinen einfach auf der anderen Seite. Dies ist n'

Wie funktioniert das für den Flash? Quantum funktioniert nicht auf Makroskalen. Das heißt, ganze Objekte können nicht durch Ziegelwände quantentunneln. Vermutlich vibriert Flash seine Moleküle, um jedem Molekül viele, viele Gelegenheiten zu geben, auf der anderen Seite der Wand zu erscheinen. Obwohl das Konzept realistisch ist, gibt es eigentlich keine Möglichkeit, dass ein großes Objekt durch etwas so Dickes wie eine Wand quantentunneln könnte.

In der Folge „The Route of All Evil“ versucht die Gang „Futurama“, gutes Bier zu finden . Bei ihrer Suche stoßen sie auf St. Pauli Ausschlussprinzip Mädchenbier. Es ist eine Anspielung auf das in Deutschland gebraute St. Pauli Girl Bier, vielleicht am bekanntesten für ihr Logo mit einer blonden Frau in traditioneller Tracht.

Noch wichtiger ist, dass es sich auf das Pauli-Ausschlussprinzip bezieht , ein Gesetz der Quantenphysik, das erstmals 1925 vom Physiker Wolfgang Pauli (der Österreicher, nicht Deutscher war) beschrieben wurde. Das Prinzip erklärt, dass Teilchen mit einer bestimmten Art von Spin (eine intrinsische Eigenschaft von Quantenteilchen) können niemals denselben Quantenzustand einnehmen.

Während die Natur von Quantenzuständen und Teilchenspins schwer zu verstehen sein kann, sind die Ergebnisse des Ausschlussprinzips leicht zu erkennen. Ohne sie hätten wir keine verschiedenen Elemente mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie Sauerstoff, Kupfer, Plutonium, Wasserstoff, Kohlenstoff oder irgendetwas anderes im Periodensystem. Ohne Elemente gäbe es nicht viel im Universum. Dies liegt daran, dass das Pauli-Ausschlussprinzip Elektronen in verschiedene Energieniveaus oder Schalen um den Kern eines Atoms zwingt. Diese unterschiedlichen Elektronenenergieniveaus verleihen den Elementen unterschiedliche Eigenschaften und ermöglichen es ihnen, miteinander zu interagieren und neue Elemente und chemische Reaktionen zu bilden. Danke, St. Pauli Ausschlussprinzip Mädchen!

When Wall-E needs to leave a self-destructing escape pod in a hurry, he uses a fire extinguisher as a propulsion system, rocketing his way to safety. Wall-E was relying in Newton's third law of motion, which is commonly rendered as, "Every action has an equal and opposite reaction." More accurately, all forces result from the interaction between two objects, and when two objects interact, they apply an equal amount of force to each other, with the forces acting in opposite directions. A bat applies force to a baseball, and the baseball applies an equal amount of force to the bat, but in opposite directions. The difference you see in movement is due to Newton 's second law of motion (a=F/m, commonly rendered as F=ma), which shows that objects with a lot of mass don't accelerate as much. When you bounce a tennis ball off a brick wall, the wall does accelerate, but if you plug its mass into the second law equation, the acceleration is so small you don't notice it.

In Wall-E's case, the two objects were Wall-E himself (including the fire extinguisher, which he was holding onto tightly) and the compressed gas inside the extinguisher. When he activates the extinguisher, the gas shoots out with a certain amount of force. An equal amount of force pushes Wall-E in the opposite direction.

Is this plausible? While fire extinguishers vary greatly in the amount of gas they contain and how much pressure they're under, it's definitely within reason that a large extinguisher could propel Wall-E at impressive speeds, especially considering Wall-E's low mass.

In the episode "The Late Philip J. Fry," Fry and friends go billions of years into the future and witness the end of the universe , with all the stars and galaxies exploding and fading into nothing. This roughly jibes with one theory of the end of the universe, in which all matter and energy becomes so uniformly spread out it no longer interacts with itself, creating a stasis known as "heat death." Professor Farnsworth's throwaway line, "There's the last proton decaying," is a little iffy -- in the most common physics models, protons don't decay.

The end of the universe isn't the end for our characters, however. They witness a new Big Bang and the birth of a new universe, which plays out identically to the old universe (even down to Leela waiting for a chronically late Frey in the same restaurant that she did in the old universe). While the concept of the Big Bang is accurate in a very general sense, "Futurama" doesn't depict it accurately. The Big Bang was not an explosion in space; it was an explosion of space. In the Big Bang, space itself expanded from an infinitely small point. You couldn't witness the Big Bang from an external location unless you were outside the universe (and because they eventually return home we know that Frey, Farnsworth and Bender are still inside the universe).

The repeated death and rebirth of the universe is conceptually accurate in some cosmological models, although it could happen by many different mechanisms. Most commonly, the universe could shrink back down to a point instead of experiencing heat death. That point (a singularity) would eventually undergo another Big Bang and restart the process.

The classic 1940s Superman cartoons from Fleischer Studios laid the cornerstones of Supes' pop culture superstardom. "Look! Up in the sky!" A great example of Superman battling the laws of physics is an episode titled "Billion Dollar Limited," in which he must stop a runaway train filled with the largest gold shipment ever transported. The train careens down a slope, and Superman stops it by grabbing the last car and pulling it back up the hill. It's a beautiful illustration of an inclined plane.

When you push on an object or surface (including standing on the ground), a force called the normal force exerts an opposite and equal amount of force. This is actually the force created by the microscopic compression of atoms, and it's what makes solid objects solid. The important thing is that the normal force always acts perpendicular to the surface.

With an inclined plane, like the slope the train is rolling down, the train is pushing down on the slope (due to gravity ) and the normal force pushes back an equal amount. Those forces are balanced. However, gravity is pulling the train straight down, not perpendicular to the surface, so some component of the gravitational force is acting parallel to the slope, pulling the train downhill. The exact amount of that force can be calculated if we measure the angle of the slope and know the weight of the train. This calculation is expressed through the equation F = mg*sin Ɵ.

There are two things counteracting that downward force -- friction and Superman. Figuring out exactly how much force he needs to pull the train up the hill is complicated and beyond our scope here (there are different kinds of friction involved, we don't know how much the train cars weigh, and so on). One thing's for certain: The narrator isn't kidding when he says Superman is, "more powerful than a locomotive."

In the classic Simpsons episode "Deep Space Homer," Homer goes to space aboard the space shuttle . While in orbit, Homer experiences realistic weightlessness. While Homer's flight (and the flight of his potato chips and ant overlords) is accurate, your ideas about why Homer and real astronauts are weightless in orbit might not be.

The farther you get from Earth, the less gravity affects you. However, in an Earth orbit, this reduction of gravity is minimal, reducing gravitational force by roughly 10 percent. So an absence of gravity can't explain astronauts and Homer floating around, seemingly weightless.

So what makes Homer float? Free fall. When you're on Earth, you never experience gravity directly. It is a force that acts at a distance, and it's impossible to feel. You only feel contact forces, like a dodgeball hitting you in the shoulder, or the ground pushing up against your feet (which we've learned is called the normal force). If you could somehow eliminate all the contact force, you would experience a feeling of weightlessness, even though your actual weight and the actual gravitational force acting on you remain the same. You get a glimpse of this on a roller coaster as it goes over a sharp rise. In an orbital vehicle, it's as if the astronauts are constantly going over the top of that roller coaster. They're falling, but the space shuttle is also falling away from them, in a constant perpetual free fall around Earth. With no contact forces, they don't experience their own weight. They feel (and appear) weightless.

In the episode "Careers in Science," Gargantua-1 is a massive space station that has seen better days. It's described as having a geosynchronous orbit, although it isn't clear if it's also geostationary. A geosynchronous orbit means the satellite has the same orbital period as Earth. Therefore the satellite will cross the same spot in the sky (relative to an observer on Earth) at the same time every day. This doesn't mean it will appear to stay in the exact same spot in the sky, since the satellite may be orbiting at an inclination from the equator. To explain that another way: As Earth rotates, a stationary observer on the ground is moving directly from west to east, while the satellite may be moving at some north-south angle (and is not necessarily ever directly overhead). Because the orbital period is the same, the satellite "meets" the same spot in the sky at the same time each day.

A geostationary orbit is a special case in which the satellite orbits along the equator, allowing it to maintain the same relative spot in the sky. This concept is widely credited to science-fiction author Arthur C. Clarke.

In practice, a satellite (or space station) in geosynchronous or geostationary orbit needs to periodically use thrusters to keep itself in the proper orbit. SPOILER ALERT: This may explain why Gargantua-1, in serious disrepair and experiencing a problem that may or may not have been urine-related, eventually drops out of orbit and crashes.

Our favorite confused snowman, Olaf, experiences a lot of physics, with all the falling, tumbling, sliding and crashing into things he does in the course of Disney's "Frozen."

Although Olaf is made of snow , he's mostly treated as a solid object. When Olaf falls off a cliff, he first experiences acceleration due to gravity. The force of Earth's gravity accelerates Olaf toward Earth. We could calculate this with Newton's second law, a=F/m. Since he's made of snow, Olaf is probably not very dense, so you might think he wouldn't accelerate as quickly as if he were made of solid ice. However, all objects in free fall accelerate at the same rate, regardless of their mass. At some point, though, he will reach terminal velocity, the point at which the drag of air pushing on him equals the acceleration due to gravity, and he accelerates no more. This is an important physics concept, because terminal velocity does not depend on Olaf's mass, but rather on his shape. More open or spread out shapes create greater drag, resulting in a lower terminal velocity. This is why a parachute works -- it doesn't make the skydiver any lighter, it just increases her drag.

When Olaf hits the ground at the bottom of the cliff, he experiences deceleration (which is a form of acceleration). Could a living snowman actually survive such a fall? Lucky for Olaf, there's a thick layer of snow on the ground. That means his deceleration is spread out over a few extra fractions of a second, compared to landing on solid concrete . That makes all the difference, because spreading out the force imparted to Olaf over a longer period reduces the damage it will do to him, just like the air bags in your car slow down the deceleration of your body in a crash.

Um eine Gruppe Gauner zu vereiteln, lässt Mr. Incredible einen Baumstamm vor ihrem rasenden Auto fallen. Das Auto kommt mit metallenem Knirschen zum Stehen, aber die bösen Jungs bewegen sich weiter vorwärts, bis sie außer Gefecht gesetzt gegen das Armaturenbrett und die Windschutzscheibe schlagen. Dies ist Newtons erstes Gesetz, das am Werk ist. Es besagt, dass ein Objekt das tut, was es bereits tut, bis eine Kraft es dazu bringt, etwas anderes zu tun. Sie haben vielleicht schon einmal den Satz gehört: „Ein Objekt in Ruhe neigt dazu, in Ruhe zu bleiben; ein Objekt in Bewegung neigt dazu, in Bewegung zu bleiben“, oder einfach nur das Trägheitsgesetz.

Dieses Gesetz mag auf den ersten Blick kontraintuitiv erscheinen, denn hier auf der Erde wirken zu jeder Zeit eine Reihe unsichtbarer Kräfte auf Objekte, die dazu führen, dass sie scheinbar gegen Newtons erstes Gesetz verstoßen. Wenn du einen Ball wirfst, sollte er nicht ewig so weitergehen? Im Weltraum würde es so sein, aber auf der Erde wird der Ball durch Reibung beim Passieren der Luft verlangsamt, und schließlich lässt ihn die Schwerkraft auf den Boden fallen (wo noch mehr Reibung ihn zum Stillstand bringt).

Im Falle der Jungs im Auto bewegen sie sich vorwärts, geschoben von der normalen Kraft ihrer Sitzlehnen. Als Mr. Incredible das Auto plötzlich zum Stehen bringt, bewegen sich die Ganoven gemäß Newtons erstem Gesetz weiter vorwärts. Es ist jedoch nicht der Luftwiderstand oder die Schwerkraft, die sie verlangsamen, sondern die festen Objekte vor ihnen – das Armaturenbrett und die Windschutzscheibe . Diese Objekte üben eine Kraft auf die Bösewichte aus, die dazu führt, dass sie sich nicht mehr bewegen (und wie im Fall des Autos verursacht die plötzliche Verzögerung physischen Schaden).

Diese Szene aus „Toy Story 3“ ist eine großartige Parodie auf den klassischen „Mission Impossible“-Deckenknebel. In der Szene hängt Woody an einem Baum , gefangen von seiner Zugschnur. Dann zieht sich die Schnur zurück und aktiviert seine eingebaute Sprachaufzeichnung. Die Physik hier ist ziemlich einfach – wir messen die Nettokräfte, die auf Woody wirken, um zu sehen, wie und ob er sich bewegt.

Zuerst fällt Woody und wird aufgrund der Schwerkraft in Richtung Boden beschleunigt. Die Schnur bleibt an einem Baum hängen, also gibt es jetzt eine Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt: Die Spannkraft der Schnur zieht Woody nach oben. Für eine Sekunde ist die Spannkraft gleich der Gravitationskraft, sodass Woody bewegungslos hängt. Die auf ihn wirkenden Nettokräfte sind im Gleichgewicht.

Dann wird ein Mechanismus in Woody aktiviert, vermutlich eine Feder, die die Schnur in ihm aufwickelt. Die Feder übt eine zusätzliche Spannkraft auf die Saite aus (wir können die Feder als Teil von Woody behandeln, um zu bestimmen, welche Kräfte auf welche Objekte wirken). Diese Zunahme der Spannkraft übersteigt die Gravitationskraft, sodass Woody beginnt, nach oben zu beschleunigen. Allerdings hört er auf zu beschleunigen und fährt dann mit konstanter Geschwindigkeit nach oben, wodurch sich die Kräfte wieder ausgleichen. Der Frühling hatte am Anfang etwas mehr Schwung, um Woody anscheinend in Bewegung zu bringen.

Anmerkung des Autors: 10 unverschämte Cartoon-Momente, die echte Physik verwenden

Ich lerne immer viel, wenn ich recherchiere und einen Artikel schreibe, aber dieser hier war ein ernsthafter Crashkurs in Physik. Ich hatte viele dieser physikalischen Gesetze auf einer konzeptionellen Ebene verstanden, aber wirklich nach unten zu gehen und mir die Formeln anzusehen, gab mir ein viel tieferes Verständnis. An einem Punkt war ich knietief bei der Berechnung von Supermans Zugkraft auf der schiefen Ebene, musste das aber herausschneiden, weil es zu lang war. Ich bekam viel Hilfe von meiner Frau, die Physiklehrerin an der High School ist.

Zum Thema passende Artikel