@ 2016.08.31 , 23:00

牛顿定律可视化之美

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传说在大概350年前,一个苹果砸在英国物理学家艾萨克·牛顿的身边,埋下了运动定律的种子。如今,在纪念日庆典上,退休数学教师Stan Spencer借用了牛顿学到的东西来创作出源自模拟火箭运动的艺术,使得人们对科学产生兴趣。

“我总是会冒出一个这样疯狂的主意,然后去实现它,”居住于英国诺丁汉郡的Spencer说道。他是科学概念艺术的多位爱好者和研究者之一。

在苹果事件之后,牛顿开始思考物体在宇宙中如何运动。他想出了四条运动和重力的法则,直到今天还在物理课堂上被讲授。它们帮助解释了地球重力如何把苹果拽下地,以及GPS卫星如何进入轨道。

特别地,牛顿发现有质量的物体似乎会互相吸引。这种引力随着质量和加速度增加或距离减少而变强。他对此感到好奇,并写下公式描述了这种不可见的力量。

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牛顿定律在解释接近光速的运动和极大或极小(原子大小)的物体行为时开始失效。“但他已经很了不起了,能让你登上月球并且回来,”Spencer说道。

在他的作品中,Spencer可视化了一枚火箭的运动,这枚火箭可以利用附近行星的引力节省燃料。每颗行星的重力都可以引导飞行器使其相比于单打独斗更快更高效地抵达目的地。

为了实现可视化,Spencer以对称模式设置了虚拟圆环,代表星系中行星环绕恒星的轨道。他使用公式在计算机中模拟圆环的力量如何牵引一组虚拟火箭。

这些设定并没有严格依照牛顿定律在飞行器上的实际应用,Spencer解释道。“不过你懂的,跳出框框可能会让你获得一些有趣的图案。”

在该研究中,屏幕上的每个像素代表一个掠过太空的火箭。行星和恒星的模拟的力量一个接一个地推动火箭,直到最终火箭飞出屏幕外或降落在有质量的物体上。它们的起点会被某种颜色标记,颜色取决于它们击中的质量。

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接着,根据它抵达目标花费了多长时间,颜色会带有不同的阴影。例如,如果耗时很短,那么阴影会是浅绿色。如果耗时长,则会是深绿色。Spencer测试了不同的质量安排和颜色选择,生成了多种围绕圆环的对称、旋转模式。

“这些图案太惊艳了,”他说道,“在它完成前我都没预料到。”他在8月10日芬兰捷瓦斯基拉的数学与艺术跨界年度会议上展示了研究成果

“如果你鼓励了人们提问题,”他说,“那从某种程度上说你就是创造了兴趣。”

本文译自 Inside Science,由译者 卤鸡爪子 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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