Максимальная физическая сила гуманоида

Необходимо учитывать множество факторов, чтобы реалистично увеличить эффективную силу человекоподобной формы . Всегда можно масштабировать лишь некоторые из этих факторов и сказать: «Вау, посмотрите, как это будет сильно!», но при применении на практике в реальной ситуации что- то либо не сработает, либо ограничит наивно рассчитанный максимум. усилие. Это проблема техники, а не просто физики и материаловедения, и всегда придется идти на компромиссы.

1. Прочность материалов: более прочные материалы могут выдерживать большее усилие, прежде чем будут повреждены. Любое несоответствие между прочностью привода и скелета увеличивает вероятность механического отказа.

2. Плотность материалов: чем легче материалы, тем меньше силы потребуется для перемещения предметов, сделанных из них.

3. Максимальное усилие, которое может быть приложено исполнительными механизмами к единице массы: чем больше усилие может быть приложено к единице массы, тем меньше потребуется для простого перемещения конечностей человека и тем больше оно может быть приложено к окружающей среде.

4. Внутреннее трение исполнительных механизмов и соединений. Чем выше, тем менее эффективным и медленным будет гуманоид.

5. Максимальная скорость приводов. Дополнительная скорость может быть достигнута за счет последовательного соединения приводов, но для увеличения мощности требуется их параллельное размещение.

6. Рычажное соотношение суставов гуманоида: Чем выше сила, тем ниже скорость.

7. Максимально допустимое время перехода сустава из полностью согнутого в полностью выпрямленное положение: в противном случае гуманоид мог бы быть чрезвычайно сильным, но неспособным опередить улитку.

8. Энергоэффективность приводов. Менее эффективные приводы требуют большего подвода энергии и выделяют больше отработанного тепла, что ограничивает максимальную продолжительность максимальной нагрузки, а также ограничивает максимальное количество приводов для доступной охлаждающей способности и термостойкости. Учитывая, что ни один механизм никогда не бывает на 100% эффективен, по праву, если бы его мышцы были такими же эффективными, как наши, Супермен должен был бы заметно светиться от отработанного тепла, когда он применяет свою суперсилу, хотя, возможно, именно здесь тепло для тепла его глаз лучи исходят от...

9. Термическая устойчивость гуманоида: поднимите температуру человека более чем на несколько градусов, и эффективность и действенность всех видов вещей значительно снизится. То же самое относится к большинству физических систем вне вакуума.

10. Охлаждающая способность гуманоида: люди обладают одной из лучших охлаждающих способностей среди всех видов на Земле, что позволяет достаточно здоровому человеку буквально сбивать представителей большинства других видов наземных животных исключительно на том основании, что человек может поддерживать оптимальную температуру тела при этом. бег в темпе, который вызывает повышение температуры тела почти у всех других видов животных. Продолжайте в том же духе достаточно долго, и повышение температуры тела жертвы в конечном итоге вызовет физический коллапс. Кроме того, при недостаточной способности внутреннего перераспределения тепла локальные перепады температур могут увеличиться до такой степени, что возникнет локальное повреждение.

11. Доступная энергия гуманоида и ее максимальная скорость доставки к исполнительным механизмам: нет смысла иметь исполнительные механизмы, потребляющие огромное количество энергии, если к ним не может быть подведена достаточная мощность или если можно обеспечить достаточную мощность , но не для достаточного количества энергии. время.

12. Требуют ли приводы гуманоида ввода энергии только при изменении положения или требуется энергия для поддержания заданной силы - например, электрический винтовой домкрат против линейного электромагнитного привода с большим ходом; первому требуется сила только для изменения своего положения, в то время как второму требуется (больше) силы для поддержания заданного положения где-то между полностью вытянутым и полностью сжатым, и меньше (или вообще никакой) на пределе своего перемещения: последней категории, увеличивая базовые метаболические затраты на такие простые вещи, как поддержание статической позы стоя, но если бы у гуманоида были приводы, попадающие в первую категорию, только активно движущиеся приводы потребляли бы энергию, хотя поддержание позы стоя может быть гораздо более сложной задачей. активная задача, чем может показаться.

13. Оптимальная рабочая температура гуманоида: если она слишком отличается от температуры окружающей среды, то необходимо затратить энергию для ее поддержания или достижения, иначе гуманоид пострадает от потери эффективности или от механического отказа, если его внутренняя охлаждающая или нагревательная способность не сможет не отставать от скорости теплопередачи, которая увеличивается пропорционально разнице температур.

14. Коэффициент изоляции кожи гуманоида. Уменьшая скорость получения или потери тепла, это может повысить эффективность гуманоида в состоянии покоя, но может затруднить задачу по обращению с отработанным теплом.

15. Температура окружающей среды: хотя средняя температура важна при оптимизации реальной механической системы, диапазон изменений также важен. Чем меньше диапазон изменений, тем легче оптимизировать систему для работы в этих условиях. Способность выдерживать более широкий спектр условий может быть полезной для выживания, но также увеличивает стоимость изоляции и охлаждения, а системы, которые принимают более узкий диапазон приемлемых условий, имеют более низкие метаболические потребности, чем те, которые приспосабливаются ко всем возможным условиям . хотя и за счет повышенной вероятности травм или смерти, связанных с воздействием.

16. Масса любого вспомогательного оборудования, необходимого для того, чтобы гуманоид мог функционировать независимо в течение разумного периода времени. Если этот гуманоид не похож на евангелиона с кабелем к источнику питания — у которого были бы свои проблемы — ему придется таскать с собой все, что ему нужно. Если ему нужно много энергии, ему лучше иметь компактный способ хранения этой энергии.

Итак, как видно, это очень сложная задача. Конечно, вы можете хотеть «сверхчеловека», но вы должны ответить на все эти и многие другие вопросы, прежде чем вы сможете хотя бы начать перечислять его реальные возможности.

Однако давайте предположим, что нам нужен «сверхчеловек» примерно с человеческими способностями к продолжительности усилий и с эквивалентными оптимальными условиями окружающей среды. Нам потребуются более прочные материалы, более мощные, легкие и эффективные приводы, а также, вероятно, лучшая охлаждающая способность. Учитывая разумный замысел, а не эволюцию, мы могли бы достичь результатов, которые никогда не могли развиться естественным путем. Однако мы по-прежнему ограничены химией и физикой реального мира.

Нереально дать периоду максимального напряжения всего 10 секунд, если только за это время ваш гуманоид не сможет достичь всего, чего человек может достичь, возможно, за 5 минут . Если бы ваш гуманоид был таким быстрым, ему пришлось бы пожертвовать большой силой — как структурной, так и силой, которую он мог применить к внешним объектам, — чтобы достичь такой скорости.

Для супергероя реальная продолжительность повышенного напряжения составляет от 5 до 10 минут . Как мастер боевых искусств, практикующий карате и хапкидо в своем додзё, экзамен на черный пояс включает в себя десять минут непрерывного боя. Поскольку супергерой может достичь своих результатов немного быстрее, чем простой человек, пять минут могут быть разумным компромиссом.

Если мы построим нашего супергероя из легких и прочных материалов, таких как углеродное волокно (возможно, в 20 раз прочнее человеческой кости), используем сверхсильные искусственные мышцы, которые в сто раз сильнее, чем человеческие мышцы, подобные этим , и обеспечим атомную энергию LENR . запаса, то вполне возможно, что человек размером и телосложением может поднять (в таком событии, как толчок в тяжелой атлетике на Олимпийских играх) не 263 кг (текущий мировой рекорд среди людей), а что-то порядка 10 000 кг.

Однако умение поднимать большие веса — это еще не все, что нужно супергерою. Способность поднять десять тонн с той же скоростью, что и у человека, не означает, что вы будете бить сильнее, если приводы не будут также быстрее — если ваша рука весит столько же, сколько человеческая, и ускоряется так же быстро, тогда сила удара будет одинаковый. Тем не менее, такой супергерой мог просто взять 50-килограммовую штангу в каждую руку и по- прежнему наносить удары так же быстро. Учитывая формулу физики$e= 1/2mv^2$, искусственное увеличение массы руки, возможно, 10 кг, на 50 кг и сохранение той же скорости удара увеличит энергию удара в шесть раз, превратив удар из чего-то, что может сломать кость, если его аккуратно нанести, в что-то гораздо более вероятное. ломать кости каждый раз, когда он приземляется, или смертельно сотрясать человека одним ударом большую часть времени.

Однако, если бы наш разумно спроектированный супергерой делал это в течение какого-то промежутка времени, скажем, в течение пятиминутного тотального боя, то он производил бы гораздо больше отработанного тепла, чем любой человек в той же ситуации. требуя гораздо большей охлаждающей способности, чем может обеспечить даже «просто» развитое человеческое тело. Его дыхание может быть похоже на фен, и/или его кожа может буквально испаряться от количества отработанного тепла, с которым придется иметь дело.

С другой стороны, если бы мы дали нашему искусственному супергерою силу ненамного большую, чем у человека — возможно, максимум в два раза сильнее — но гораздо более высокую скорость , то он мог бы наносить удары со скоростью не ~9 м/с ( 32 км/ч или 20 миль/ч), но со скоростью ~63 м/с (227 км/ч или 140 миль/ч). Это в 7 раз больше скорости, но, потому что$e=1/2mv^2$, означает, что удары будут доставлять в 49 раз больше энергии. В этом разница между ушибом и, возможно, сломанной костью человека-бойца и ударом нашего супергероя, который может почти буквально снести голову другому парню.

Чтобы управлять таким чувствительным телом, нам нужно дать нашему супергерою электрические сигналы со скоростью света вместо совершенно вялой электрохимической системы, которую используют наши собственные нервы. Это также означало бы, что наш искусственный супергерой мог бы буквально наблюдать, как противник-человек наносит ему удар, а затем — до того, как этот удар будет нанесен — нанести шесть ответных ударов, каждый из которых потенциально смертелен или нанесет увечья, прежде чем, наконец, заблокировать входящий удар, предполагая, что передача энергии чтобы его противник не отбросил его так далеко назад, чтобы сделать блокировку первоначального удара совершенно ненужной.

Hard Science Верхняя граница

Как сильно ты мог ударить? Допустим, вам нужно быть в состоянии нанести только один удар, и вы хотите ударить как можно сильнее.

Предположим, что вам нужно взять с собой блок питания (генератор с собой не возьмешь)

Предположим, у вас есть идеальный генератор, который максимально эффективно преобразует массу в энергию.

Предположим, вы потребляете всю имеющуюся у вас массу и энергию за один удар/взрыв. Ударная волна похожа на удар, верно?

Доступная кинетическая энергия будет$m \cdot c^2$; 80-килограммовый гуманоид ударил бы$7 \cdot 10^{18}$Джоули.

Царь-бомба (самая мощная ядерная бомба) была$4.2 \cdot 10^{16}$Джоули.

Итак, наибольшая энергия, которую могла бы выдать человеческая масса, составляет примерно 100 Царь-бомб. Это было бы верно, независимо от того, какие материалы вы используете, ваша ограниченная масса дает вам ограниченный выход.

Поначалу эта верхняя граница кажется бесполезной, но она исключает некоторые вымышленные примеры, такие как уничтожение или перемещение планет гуманоидами. У гуманоида просто не хватает массы/энергии, если у них нет внешнего источника.

Редактировать: Если человек может быть намного плотнее, его разрушительная сила увеличивается линейно с его массой.

Согласно моей ссылке в комментариях к истерической силе ( https://en.wikipedia.org/wiki/Hysterical_strength ), вполне вероятно, что нынешняя человеческая форма на самом деле значительно сильнее, чем мы способны в повседневной жизни. Где-то в процессе человеческого развития мозг начал останавливаться и думать, а не инстинктивно реагировать, и это, похоже, сильно повлияло на его силу. По оценкам, гориллы в 6-15 раз сильнее людей, что показывает, насколько это преувеличение на самом деле. Я также думаю, что существует определенный компромисс между точностью и силой, компромисс, который человечество сделало довольно давно.

Есть также легенды о воинах-берсерках, воинах, известных тем, что у них была пена изо рта, когда они грызли свои железные щиты, которые могли впадать в безумие (читай, как отбрасывание мысли вместо инстинкта) и совершать силовые подвиги, которые были намного выше, чем все, что могли бы другие люди. . Хотя эти подвиги не только трудны для тела, но и наносят ущерб, поскольку сама мышца может разорвать себя, сухожилие и кость на части (височный мозг может понять, что повреждение его тела может иметь краткосрочную выгоду, но тяжелые последствия в будущем и поэтому разрешайте доступ к этой силе только тогда, когда краткосрочный урон считается достойным, независимо от будущих соображений).

Величайший подвиг, который я легко могу найти, связан с истерической связью силы, когда 2 девочки (14 и 16 лет) сумели поднять трактор со своего отца (примерно в 15 раз больше, чем они обычно поднимают). Большинство свидетельств по этому поводу носят анекдотический характер, но их достаточно, чтобы отдать должное теории.

Для жестких цифр я буду использовать становую тягу с мировым рекордом в 500 кг (1100) фунтов, хотя без оборудования это 460 кг. Мировой рекорд в 500 кг установил Эдди Холл, который чуть не погиб от попытки new-deadlift-world-record-of-500kg-a7132306.html ) из-за того, что в результате этой попытки у него лопнули кровеносные сосуды в голове. Также было несколько случаев, когда становые атлеты теряли кишечник (не содержимое кишечника, нижняя часть кишечника буквально выбрасывалась наружу). На самом деле я бы считал это максимальным пределом человеческой формы не из-за верхнего предела человеческих мышц, а из-за верхнего предела давления, которое наши внутренние органы и мозг могут выдержать.

При этом, если Эдди Холл вошел в безумие или истерическую силу, возможно, его верхний предел может быть в 6-15 раз больше, чем его обычная сила ... дает значение от 3000 до 7500 кг в качестве потенциального. Конечно, большой отказ от ответственности говорит о том, что эти мышцы могут справиться с этим, но силы, воздействующие на органы тела и мозг, вероятно, будут намного выше того, что мы можем вынести, что приведет к быстрой смерти. Интересно, что ограничивающим фактором здесь, в конечном счете, являются наши внутренние органы.

Добавлено - я предположил, что большая часть истерической силы носит анекдотический характер. В случае с 14- и 16-летними: http://www.dailymail.co.uk/news/article-2307079/Teen-sisters-lift-3-000lb-tractor-rescue-father-pinned-underneath.html
Им удалось поднять трактор весом 3000 фунтов достаточно высоко, чтобы их отец мог свободно шевелиться. Есть много предположений, что этому способствовало что-то еще (трактор немного наклонился в сторону, и дети его просто наклонили) ... так что трудно сказать, что здесь было сделано, просто потому, что «истерическую силу» чрезвычайно трудно измерить. в контролируемой обстановке.

Некоторые исследователи предположили, что мы можем измерять максимальную силу человека с помощью ударов током (в основном, используя электрический ток, чтобы заставить мышцу сокращаться настолько сильно, насколько это возможно). Но я могу найти только теорию, я нигде не могу найти, что эксперимент действительно был проверен.

Если вы хотите укрепить человека, у которого механика тела, самые сильные части человеческого тела - это кости, и они имеют предел прочности на растяжение около 120 МПа.

источник

Так что, если бы мы взяли что-то в 1000 раз более прочное (углеродные нанотрубки), мы, вероятно, смогли бы сделать гуманоидное тело в 1000 раз прочнее, чем у обычного здорового человека.

Прочность мышц на растяжение варьируется от 3 кПа до 70 кПа для разных видов и условий ( источник ). Где-то в Интернете есть сила человеческих мышц, но из-за платного доступа и нехватки терпения давайте использовать большее доступное число. Цифра определенно показывает, что мышцы можно значительно улучшить.

Таким образом, если мы изменим пропорции, сделав кости толще, а мышцы из тех же материалов с давлением 120 ГПа, мы определенно можем ожидать улучшения более чем в 1000 раз. На мой взгляд, 10000 раз может быть хорошим предположением.

Так что, если вы хотите сохранить человеческую биомеханику, 10 000 сильнее — это хорошее число, однако это не предел человеческой формы.

Твердая наука Нижняя граница

Что вы могли бы сделать сегодня?

В качестве нижней границы, что вы могли бы сделать с материалами, доступными сегодня. Гидролики намного сильнее мышц. Итак, давайте сделаем гуманоида с туловищем, которое представляет собой просто большой гидравлический поршень, который выдвигается вверх и вниз. Робот поднимает туловище На странице вики мы видим, что промышленная гидравлика может иметь системы на 6000 фунтов на квадратный дюйм, но более распространены системы на 2000 фунтов на квадратный дюйм. Вики по гидравлике

Площадь поршня будет равна площади поперечного сечения талии/желудка человека. Предположим, что это толстый человек, поэтому цилиндр будет круглым, талия 40 дюймов имеет радиус 20 и площадь 1256 дюймов ^ 2.

Это дает максимальную подъемную силу 3 768 000 7 536 000 фунтов.

Таким образом, с учетом сегодняшних технологий мы могли бы построить гидравлический поршень в форме человека, который мог бы поднимать 1800–3600 тонн.

Это предполагает, что мы используем остальную часть объема для насоса, запасов топлива и гидравлической жидкости, но это кажется разумным. Мы могли бы сделать уменьшенные версии для других конечностей.

Справедливо предупреждаю, что гуманоид, пытающийся поднять такой большой вес, приложит к земле под собой около 2000 фунтов на квадратный дюйм, что сломает большинство полов и многие дороги.

Изменить: спасибо РонДжону за упоминание этой идеи до того, как я об этом подумал.

Вы можете быть настолько сильными, насколько хотите, если у вас есть инфраструктура для ее поддержки, поэтому, если вы сделаете кости более крепкими, вы сможете увеличить силу до пределов мышечной силы, которая у других приматов намного больше, чем у людей.

Я думаю, что вы могли бы разумно сделать своих людей в 10 раз сильнее, не нарушая никаких законов, с более толстыми костями или другим составом костей, делающим их сильнее, и мышцами типа гориллы.