【物理科普】蜘蛛侠为什么可以靠那么细的蛛丝荡起来？

蜘蛛侠借助蛛丝从一栋建筑物摆荡到另一栋建筑物，他的移动轨迹呈弧形，而不是直线形。因此，即便在他摆荡的过程中速度没有变化，他的运动方向也一直在变，这只能由外力来实现。很显然，这个外力是蛛丝的拉力。所以，蛛丝发挥了两种作用，即提供了两种力：

第一，承担蜘蛛侠体重的力；

第二，让他沿着弧形轨迹运动的力。

如果在摆荡的过程中蛛丝突然断掉，那么蜘蛛侠受到的唯一外力就是重力。此时他会像一个球一样飞出去，他的速度就是蛛丝断开那一刻的速度。

在蜘蛛侠沿弧形轨迹摆荡的过程中，蛛丝的拉力产生的加速度与月球围绕地球转动时的加速度相似。前一个加速度来自蛛丝的拉力， 后一个加速度来自牛顿发现的万有引力，它们的共同之处就在于把直线运动变成了曲线运动。地球的引力就是月球的“蛛丝”，它让月球的运动方向发生改变。如果蛛丝的拉力或者地球的引力突然消失，蜘蛛侠和月球都将偏离原本的运动轨迹，以外力消失那一刻的速度继续运动。我们运用一点儿几何和代数知识就可以知道，以速度v沿着圆周轨迹运动的物体，其加速度为a = （v×v）/R = v2/R，其中R为圆的半径。

蜘蛛侠的蛛丝需要提供一个大小为mg的力，以承受他的体重；还要提供一个大小为mv2/R的力，以改变他的运动方向。他摆荡得越快（速度v越大），或者摆荡的半径R越小，向心加速度v2/R就越大。如果蜘蛛侠用长度为200英尺的蛛丝以50英里/小时的速度摆荡，那么除了重力加速度为32英尺/秒2之外，还会有一个27英尺/秒2的向心加速度。如果在公制计量法下蜘蛛侠的质量大约是73千克，他的重量就是160磅力；而为了让直线运动轨迹变成圆周运动轨迹，蛛丝还需要额外提供135磅力的力。因此，蛛丝的总拉力接近300磅力，如果蜘蛛侠在摆荡的过程中还带着其他人，这个力会更大。

一根细线似乎难以承受300磅力或者更大的力，但如果蜘蛛侠使用的蛛丝跟真正的蛛丝一样，就没什么可担心的了。蜘蛛用来织网和从肉食性鸟类嘴边逃命的蛛丝，每磅的强度是钢筋的5倍，而且比尼龙绳的弹性还要强。蛛丝的这种特性源自上千根十亿分之几米粗的坚韧纤维（纤维的数量很多，任意一根都不会对蛛丝整体造成致命性影响），其间散布的充满液体的导管能够分散整根蛛丝的张力。蜘蛛侠用发射器喷射蛛丝的时候，通过调整其化学成分就可以改变蛛丝的特性。与之类似，蜘蛛也能通过改变结晶蛋白质和非结晶蛋白质的相对含量来调整蛛丝的强度。

图片来源：《蜘蛛侠：英雄归来》剧照

蛛网具有很大的商业应用价值，因此蛛丝的市场需求量非常大。但通过养殖蜘蛛来收集蛛丝的做法不太实际（蜘蛛的领地意识非常强，很难人工养殖），有些基因工程实验将蜘蛛的造丝基因植入山羊体内，通过过滤山羊奶即可得到蛛丝，过程也相对简单。然而，培育这样的山羊还是有些难度的。此外，有一些科学家宣称，他们已经取得了初步成果，在实验室中成功地使蜘蛛细胞感染上基因工程病毒， 这样细胞就可以直接产生蛛网中含有的那种蛋白质。

蜘蛛的这种造丝基因也成功地被注入大肠杆菌和植物细胞中，这类研究具有广阔的商业应用前景。正如吉姆·罗宾斯发表在2002 年7 月的《史密森杂志》（Smithsonian）上的文章《第二个自然》中所说：“从理论上讲，由蛛丝编成的绳子只需要有铅笔那么粗，就可以阻止战斗机在航母上降落。强度和弹性的结合使得它能够承受的冲击力比用于制造防弹背心的凯夫拉纤维还要强4 倍。”

真正的蜘蛛丝能够承受超过每平方厘米20 000 磅力的压强。也就是说，一个直径为1 厘米（略短于半英寸）的蛛丝绳截面最多能承受10 吨的质量。即使直径只有1/4 英寸的蛛丝绳，也可以承受6 000 磅力的重量，远远超过我们刚才估计的300 磅力的数值。所以，就算蜘蛛侠同时带上绿巨人浩克和“肉球”，他的蛛丝也能轻松驾驭。

因此，根据牛顿运动定律，蜘蛛侠凭借蛛丝从一栋建筑物荡到另一栋建筑物、拦下失控的高速列车（出自2004 年的电影《蜘蛛侠2》）、用蛛丝编织成防弹护具都是完全可行的。

本文摘自《魔鬼物理学3：超级英雄故事里的物理学》第7章 蜘蛛侠荡起来

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