10 momentos ultrajantes de desenhos animados que usam física real

Pode parecer estranho olhar para o mundo dos desenhos animados para aprender sobre as leis físicas que governam o mundo real, mas no meio de todas as loucuras, explosões selvagens , sequências de perseguição improváveis ​​e cenas de ação absolutamente impossíveis, às vezes os desenhos animados acertam a física . Como as ações físicas costumam ser exageradas na animação, pode ser mais fácil ver as forças em ação. Claro, às vezes é apenas um bom trocadilho de mecânica quântica.

Esses 10 exemplos de nossos desenhos animados favoritos mostram momentos em que as leis malucas da terra dos desenhos animados deram lugar às leis reais da física (mas ainda assim permaneceram malucas).

1. The Flash usa tunelamento quântico
2. Garota do Princípio de Exclusão de St. Pauli da Futurama
3. Sistema de propulsão do extintor de incêndio Wall-E
4. Heat Death e o Big Bang em Futurama
5. Batalhas clássicas do Superman em um plano inclinado
6. Homer, suas batatas fritas e nossos novos senhores das formigas experimentam a ausência de peso
7. Venture Brothers: Órbita Geossíncrona de Gargantua-1
8. Olaf sobrevive a uma longa queda em 'Frozen'
9. Sr. Incrível para o carro dos bandidos com uma árvore, bandidos continuam indo
10. Woody pendurada em sua corda em 'Toy Story 3'

Em várias ocasiões, o Flash vibrou suas moléculas usando seus poderes de supervelocidade, depois passou por um objeto aparentemente sólido. O que está acontecendo aqui? Uma extrapolação bastante improvável de um conceito conhecido como tunelamento quântico.

Tunelamento quânticoé o meio pelo qual partículas muito pequenas, geralmente elétrons, são capazes de passar por camadas muito finas de materiais intransitáveis. Depende da mecânica quântica, a maneira como as partículas agem em escalas muito pequenas. Especificamente, depende da dualidade partícula/onda - em escalas quânticas, as partículas exibem propriedades tanto de uma partícula quanto de uma onda. É impossível determinar a posição exata de uma partícula - em vez disso, uma partícula existe como uma nuvem de probabilidades. Quando uma partícula colide com uma barreira fina, há uma pequena probabilidade de que a partícula exista do outro lado da barreira. Bata partículas suficientes e algumas delas acabarão realmente do outro lado quando medidas. Apesar do nome, eles não passam pela barreira. Eles simplesmente aparecem do outro lado. Isto é n'

Como isso funciona para o Flash? Quantum não funciona em escalas macro. Ou seja, objetos inteiros não podem fazer túnel quântico através de paredes de tijolos. Presumivelmente, Flash está vibrando suas moléculas para dar a cada molécula muitas, muitas oportunidades de aparecer do outro lado da parede. Embora o conceito seja realista, na verdade não há como um objeto grande fazer um túnel quântico através de algo tão grosso quanto uma parede.

No episódio "A Rota de Todo Mal", a turma do "Futurama" tenta encontrar uma boa cerveja . Em sua busca, eles se deparam com a cerveja St. Pauli Exclusion Principle Girl. É uma referência à cerveja alemã St. Pauli Girl, talvez mais conhecida por seu logotipo com uma mulher loira em trajes tradicionais.

Mais importante, é uma referência ao Princípio de Exclusão de Pauli , uma lei da física quântica descrita pela primeira vez pelo físico Wolfgang Pauli (que era austríaco, não alemão) em 1925. O princípio explica que partículas com um certo tipo de spin (uma propriedade intrínseca de partículas quânticas) nunca podem ocupar o mesmo estado quântico.

Embora a natureza dos estados quânticos e do spin das partículas possa ser difícil de entender, os resultados do princípio de exclusão são fáceis de ver. Sem ele, não teríamos elementos diferentes com propriedades diferentes, como oxigênio, cobre, plutônio, hidrogênio, carbono ou qualquer outra coisa da tabela periódica. Sem elementos, não haveria muita coisa no universo. Isso ocorre porque o Princípio de Exclusão de Pauli é o que força os elétrons em diferentes níveis de energia, ou camadas, ao redor do núcleo de um átomo. Esses diferentes níveis de energia eletrônica são o que conferem aos elementos propriedades diferentes e permitem que eles interajam e formem novos elementos e reações químicas. Obrigado, Garota do Princípio de Exclusão de St. Pauli!

Quando Wall-E precisa deixar uma cápsula de fuga autodestrutiva com pressa, ele usa um extintor de incêndio como sistema de propulsão , disparando seu caminho para a segurança. Wall-E estava confiando na terceira lei do movimento de Newton, que é comumente traduzida como "Toda ação tem uma reação igual e oposta". Mais precisamente, todas as forças resultam da interação entre dois objetos e, quando dois objetos interagem, eles aplicam uma quantidade igual de força um ao outro, com as forças atuando em direções opostas. Um taco aplica força a uma bola de beisebol, e a bola de beisebol aplica uma quantidade igual de força ao taco, mas em direções opostas. A diferença que você vê no movimento é devido a Newtona segunda lei do movimento de (a=F/m, comumente traduzida como F=ma), que mostra que objetos com muita massa não aceleram tanto. Quando você bate uma bola de tênis em uma parede de tijolos, a parede acelera, mas se você inserir sua massa na equação da segunda lei, a aceleração é tão pequena que você não percebe.

No caso de Wall-E, os dois objetos eram o próprio Wall-E (incluindo o extintor de incêndio, que ele segurava firmemente) e o gás comprimido dentro do extintor. Quando ele ativa o extintor, o gás dispara com uma certa quantidade de força. Uma quantidade igual de força empurra Wall-E na direção oposta.

Isso é plausível? Embora os extintores de incêndio variem muito na quantidade de gás que contêm e quanta pressão estão sob, é definitivamente razoável que um grande extintor possa impulsionar Wall-E a velocidades impressionantes, especialmente considerando a baixa massa de Wall-E.

No episódio "The Late Philip J. Fry", Fry e seus amigos vão bilhões de anos no futuro e testemunham o fim do universo , com todas as estrelas e galáxias explodindo e desaparecendo no nada. Isso concorda aproximadamente com uma teoria do fim do universo, na qual toda a matéria e energia se tornam tão uniformemente espalhadas que não interagem mais consigo mesmas, criando uma estase conhecida como "morte por calor". A frase descartável do professor Farnsworth, "Há o último próton decaindo", é um pouco duvidosa - nos modelos físicos mais comuns, os prótons não decaem.

O fim do universo não é o fim para nossos personagens, no entanto. Eles testemunham um novo Big Bang e o nascimento de um novo universo, que se desenrola de forma idêntica ao antigo universo (até Leela esperando por um Frey cronicamente atrasado no mesmo restaurante que ela fez no antigo universo). Embora o conceito do Big Bang seja preciso em um sentido muito geral, "Futurama" não o descreve com precisão. O Big Bang não foi uma explosão no espaço; foi uma explosão de espaço. No Big Bang, o próprio espaço se expandiu de um ponto infinitamente pequeno. Você não poderia testemunhar o Big Bang de um local externo a menos que estivesse fora do universo (e porque eles eventualmente voltam para casa, sabemos que Frey, Farnsworth e Bender ainda estão dentro do universo).

A morte e o renascimento repetidos do universo são conceitualmente precisos em alguns modelos cosmológicos, embora possam acontecer por muitos mecanismos diferentes. Mais comumente, o universo pode encolher até um ponto em vez de experimentar a morte pelo calor. Esse ponto (uma singularidade) acabaria por sofrer outro Big Bang e reiniciaria o processo.

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.

Uma órbita geoestacionária é um caso especial em que o satélite orbita ao longo do equador, permitindo que ele mantenha o mesmo ponto relativo no céu. Este conceito é amplamente creditado ao autor de ficção científica Arthur C. Clarke.

Na prática, um satélite (ou estação espacial) em órbita geossíncrona ou geoestacionária precisa usar propulsores periodicamente para se manter na órbita adequada. ALERTA DE SPOILER: Isso pode explicar por que o Gargantua-1, em sério estado de conservação e passando por um problema que pode ou não estar relacionado à urina, eventualmente sai de órbita e cai.

Nosso boneco de neve confuso favorito, Olaf, experimenta muita física, com todas as quedas, tombos, deslizamentos e colisões que ele faz no decorrer de "Frozen", da Disney.

Embora Olaf seja feito de neve, ele é tratado principalmente como um objeto sólido. Quando Olaf cai de um penhasco, ele primeiro experimenta a aceleração devido à gravidade. A força da gravidade da Terra acelera Olaf em direção à Terra. Podemos calcular isso com a segunda lei de Newton, a = F/m. Como ele é feito de neve, Olaf provavelmente não é muito denso, então você pode pensar que ele não aceleraria tão rápido quanto se fosse feito de gelo sólido. No entanto, todos os objetos em queda livre aceleram na mesma taxa, independentemente de sua massa. Em algum ponto, porém, ele atingirá a velocidade terminal, o ponto em que o arrasto do ar que o empurra é igual à aceleração da gravidade, e ele não acelera mais. Este é um conceito de física importante, porque a velocidade terminal não depende da massa de Olaf, mas sim de sua forma. Formas mais abertas ou espalhadas criam maior arrasto, resultando em uma velocidade terminal mais baixa. É por isso que um pára-quedas funciona - ele não torna o paraquedista mais leve, apenas aumenta seu arrasto.

Quando Olaf atinge o solo na parte inferior do penhasco, ele experimenta desaceleração (que é uma forma de aceleração). Poderia um boneco de neve vivo sobreviver a uma queda dessas? Para a sorte de Olaf, há uma espessa camada de neve no chão. Isso significa que sua desaceleração está espalhada por algumas frações extras de segundo, em comparação com o pouso em concreto sólido . Isso faz toda a diferença, porque espalhar a força transmitida a Olaf por um período mais longo reduz o dano que causará a ele, assim como os airbags do seu carro diminuem a desaceleração do seu corpo em um acidente.

Para frustrar um grupo de bandidos, o Sr. Incrível deixa cair um tronco de árvore na frente de seu carro em alta velocidade. O carro para, esmagando o metal, mas os bandidos continuam avançando até bater no painel e no para-brisa, incapacitados. Esta é a primeira lei de Newton em ação. Diz que um objeto continuará fazendo o que já está fazendo até que alguma força o faça fazer outra coisa. Você pode ter ouvido a frase: "Um objeto em repouso tende a permanecer em repouso; um objeto em movimento tende a permanecer em movimento", ou apenas a lei da inércia.

Essa lei pode parecer contra-intuitiva no início, porque aqui na Terra há um monte de forças invisíveis agindo em objetos o tempo todo que os fazem aparentemente violar a primeira lei de Newton. Se você joga uma bola, ela não deveria continuar para sempre? Seria no espaço, mas na Terra a bola é retardada pelo atrito ao passar pelo ar e, eventualmente, a gravidade a faz cair no chão (onde ainda mais atrito a faz parar).

No caso dos caras no carro, eles estão avançando, empurrados pela força normal de seus encostos. Quando o Sr. Incrível para o carro de repente, os bandidos continuam avançando, de acordo com a primeira lei de Newton. No entanto, não é a resistência do ar ou a gravidade que os desacelera, são os objetos sólidos na frente deles - o painel e o pára- brisa . Esses objetos impõem uma força aos bandidos, fazendo com que eles parem de se mover (e, como é o caso do carro, a desaceleração repentina causa alguns danos físicos).

Esta cena de "Toy Story 3" é uma ótima paródia da clássica mordaça de teto "Missão Impossível". Na cena, Woody está pendurado em uma árvore , preso por sua corda de puxar. Em seguida, a corda se retrai, ativando sua gravação de voz embutida. A física aqui é bastante direta - estamos medindo as forças líquidas em ação em Woody para ver como e se ele se move.

A princípio, Woody está caindo, acelerando em direção ao solo devido à gravidade. A corda fica presa em uma árvore, então agora há uma força que contraria a gravidade: a força de tensão da corda está puxando Woody para cima. Por um segundo, a força de tensão é igual à força gravitacional, então Woody fica pendurado imóvel. As forças resultantes que atuam sobre ele estão em equilíbrio.

Então algum mecanismo em Woody é ativado, presumivelmente uma mola que enrola a corda dentro dele. A mola aplica uma força de tensão extra à corda (podemos tratar a mola como parte de Woody, em termos de determinar quais forças estão agindo em quais objetos). Esse aumento na força de tensão excede a força gravitacional, então Woody começa a acelerar para cima. No entanto, ele para de acelerar e depois sobe em um ritmo constante, o que significa que as forças se equilibram novamente. A mola teve um pouco de força extra no início para fazer Woody se mover, aparentemente.

Nota do autor: 10 momentos ultrajantes de desenhos animados que usam física real

Sempre aprendo muito quando pesquiso e escrevo um artigo, mas este foi um curso intensivo de física. Eu tinha entendido muitas dessas leis físicas em um nível conceitual, mas realmente aprofundar e examinar as fórmulas me deu uma compreensão muito mais profunda. Eu estava até os joelhos no cálculo da força de tração do Superman no plano inclinado em um ponto, mas tive que cortar isso porque era muito longo. Recebi muita ajuda da minha esposa, que é professora de física do ensino médio.

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