Kvant. Нефизический мир
Усольцев А. Наблюдения в «нефизическом» мире //Квант. — 2006. — № 1. — С. 28-30.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Почему взрослые запрещают играть в компьютерные игры столько, сколько хочется? Возможно, из зависти — ведь в их молодые годы солдатики были только пластмассовые или оловянные, они и подумать не могли о том, чтобы управлять почти что живыми армиями, бегать с гравитационной пушкой и «крошить» всякую там нечисть. В общем, реальность никакого сравнения с виртуальным миром не выдерживает.
Но давайте задумаемся: а так ли уж интересно, если при прыжке вниз наш герой ни с того ни с сего вдруг полетит вверх или если выпущенная пуля, вместо того чтобы поразить врага, станет летать по кругу? Наверное, любая самая увлекательная компьютерная игра становится интересной тогда, когда на ее фантастический сюжет накладываются физические закономерности окружающего мира, которые и придают правдоподобность нашим удивительным приключениям. Конечно, монстры чем страшнее, тем лучше, но физика и в игре должна быть физикой.
Попробуем через окно нашего монитора увидеть физические закономерности удивительного электронного мира.
Вот перед нами игра — автосимулятор «Underground 2» (или другая аналогичная игра). В этой игре, как и в реальной жизни, многое зависит от технического совершенства нашего автомобиля, поэтому много усилий и денег мы потратим на «покупку» запчастей. Для начала купим для машины маховик большей массы и установим его. Теперь наш автомобиль меньше трясет, но скорость он набирает медленнее, так как инерционность маховика не позволяет создавать большое ускорение. Установка регуляторов давления позволяет экономить топливо, а значит, экономить деньги и время на заправку. Обязательно покупаем новые шины, что сразу улучшает сцепление с дорогой.
Можно сказать, что мы вошли во вкус. Однако пробежимся по всему перечню товаров: фильтры топлива, новые тормозные колодки,..., недостаток мощности!? Зачем же мне покупать себе своими руками недостаток мощности? Может, это связано с издержками перевода текста игры с английского на русский? Хорошо, пусть это будет избыток мощности, но зачем мне избыток мощности? Вот увеличение мощности автомобиля для гонки нам не помешает. Только в реальности нельзя купить абстрактное увеличение мощности, оно достигается лишь путем материальных изменений машины или топлива к ней.
Тут мы и выявили первое несоответствие игры и реальной жизни. Да, в жизни оказывается все намного сложнее.
Давайте теперь немного постреляем, благо в виртуальной жизни мы не чувствуем боли, да и жизней у нас много... Итак, мы в мире игры «Half Life 2», где помогаем повстанцам победить диктатора и страшных зомби с пауками на голове.
Вот груз, который может качаться на веревке. Толкнем его, измерим время, за которое груз совершит десять колебаний, найдем период колебаний T, затем оценим длину веревки L и по формуле \(~T = 2 \pi \sqrt{\frac Lg}\) подсчитаем ускорение свободного падения g. Получается результат, близкий к величине реального, земного ускорения свободного падения. Надо же, мелочь — а приятно.
Пойдем дальше. Перед нами водоем. Бросим что-нибудь в воду. Видно, что тела, брошенные в воду, ведут себя в соответствии со своими реальными прототипами — деревянные тела «плавают», а стальные «тонут». Тоже неплохо. Что-то, правда, есть в воде странное, нереальное... Ладно, потом разберемся.
Здорово, что мы можем брать разные предметы (банки, коробки), помещать их на любые горизонтальные поверхности (стол, стул, ящик и т.д.), а затем стрелять по ним из различных имеющихся видов оружия. Попробуем использовать это для того, чтобы осуществить виртуальный физический эксперимент по оценке скорости вылета пули из имеющегося у нас пистолета. Для этого мы выстрелим «в упор» из пистолета в ведро, поставленное на некоторой высоте. Измерив высоту ведра над землей и расстояние, на которое отлетает ведро, мы оценим его начальную скорость. Затем, оценив массы ведра и пули, найдем скорость пули.
Первая проблема, с которой мы сталкиваемся в виртуальном компьютерном мире, связана с определением расстояния «на глаз». Для решения этой проблемы необходимо найти эталон длины, имеющий аналоги в реальности. В качестве такого «эталона» мы возьмем высоту бочки, так как в нашей виртуальной среде не составляет труда найти две такие бочки (на одну мы поставим ведро, а второй бочкой будем измерять расстояние).
Вторая проблема возникает тогда, когда мы пытаемся определить место падения ведра, так как ведро отскакивает и катится довольно далеко, а «след» от его первоначального падения на виртуальной «земле» быстро исчезает. Для фиксации точки падения ведра разместим на земле различные предметы, по которым визуально будем определять место удара ведра о поверхность. В качестве таких предметов мы использовали разный подручный «мусор»: пустые коробки, канистры, банки, которые валяются в игре на каждом шагу (что не очень хорошо характеризует обитателей этого мира).
Теперь, приступаем к сборке «экспериментальной установки». Найдем ровную горизонтальную площадку и поставим бочку, а на нее осторожно установим ведро. Далее, в направлении предполагаемого отлета ведра выкладываем найденные нами предметы на расстоянии друг от друга в одну «эталонную бочку». В результате проведенной достаточно трудоемкой работы «организованная» нами виртуальная реальность выглядит так, как показано на рисунке 1. Затем мы стреляем в ведро и смотрим, возле какого предмета оно упало. Из-за большой скорости ведра это бывает сделать достаточно сложно. Поэтому фрагмент выстрела и последующего полета целесообразно записать (мы делали это с использованием программы «Fraps»), чтобы иметь возможность неоднократного просмотра. После чего берем реальный прототип виртуального «ведра» и взвешиванием находим его массу, которая оказывается равной M = 1,4 кг. Массу пули оцениваем в 10 г, которые фигурируют в большинстве физических задач про огнестрельное оружие: m = 10 г. Так как ведро упало около коробки, положенной на расстоянии четырех длин бочки, оцениваем дальность его полета: L = nH, где n = 4, а H — высота бочки, которую мы будем считать равной 1,2 м.
Записываем условие задачи и решаем ее. Время свободного падения ведра равно \(~t = \sqrt{\frac{2H}{g}}\), начальная горизонтальная скорость ведра составляет \(~u = \frac Lt = \frac{nH}{t} = n \sqrt{\frac{gH}{2}}\). По закону сохранения импульса находим скорость пули υ:
Полученный результат вызывает сомнения — не слишком ли велика скорость пули?
Проверим, будут ли действовать выявленные нами закономерности для другого тела. Для этого повторим опыт, но вместо ведра возьмем ванночку, которая весьма кстати лежала рядом с найденным нами ведром. Опыт показывает, что ванночка отлетает на расстояние вдвое меньше, чем ведро. Определение массы ванночки при найденном нами значении скорости пули дает результат около 3 кг, близкий к реальному. Это свидетельствует о том, что скорость вылета пули из пистолета является постоянной при взаимодействии пули с любыми другими объектами в игре. Стрельба из разных видов оружия показывает, что скорости вылета пуль из них различны.
Таким образом, можно сказать, что при создании физической модели игры ее разработчики присваивали различным видам оружия различные значения скорости, а разным телам — разные массы, соответствующие массам их реальных прототипов.
Следующее виртуальное исследование свяжем с изучением свойств оружия, не имеющего пока аналогов в реальной действительности, которое мы условно назовем «силовой пушкой» (СП). Такая «пушка» позволяет притягивать к себе любые предметы, а затем «стрелять» этими предметами с достаточно большой скоростью. Попробуем оценить эту скорость.
Для этого будем использовать металлические диски от циркулярной пилы, почему-то в избытке «валяющиеся» во всех зданиях (что еще раз характеризует жителей этого мира, как людей неряшливых и странных). Притянем «пушкой» один из таких дисков, отойдем от деревянной стены на расстояние примерно два метра, а затем выстрелим из пушки в эту стену по возможности в горизонтальном направлении. Диск воткнется в стену. Отойдем еще на два метра от стены (эти точки мы заранее отметили пустыми банками) и выстрелим другим диском тоже горизонтально. Понятно, что второй диск должен воткнуться в стену ниже первого, что мы действительно и наблюдаем (рис.2).
По расстоянию Δy между дисками и расстояниям x1 и x2 до стены при двух выстрелах оценим скорость υ0 вылета дисков из СП:
откуда находим
Подставим оценочные данные виртуального эксперимента: x1 = 2 м, x2 = 4 м, Δy = 0,2 м и получим начальную скорость: υ0 = 17 м/с. Это значение оказывается меньше ожидаемого, так как визуально скорость представляется очень большой. Но если мы выйдем на «улицу» и выстрелим горизонтально, то визуальная оценка дальности полета (не более 20 - 30 м) подтверждает правильность оценки начальной скорости.
В дальнейшем можно оценить высоту зданий, стараясь «забросить» различные предметы на их крышу, или поэкспериментировать с телами разной массы (начальная скорость выстрела которых из СП оказывается постоянной и не зависящей от массы) и так далее.
А мы теперь зайдем в подвал, часть которого залита водой. Вода в подвале достаточно чистая и прозрачная, но что-то кажется в этой картинке неправильным. Точно труба, которая уходит под воду! Луч, идущий из воды, должен испытывать преломление, и поэтому труба должна казаться «кривой». Но искривления не видно. Да, не предусмотрели разработчики игры выполнение законов преломления света.
Вот мы и выявили еще одно несоответствие игры и реальной жизни. Никогда бедные жители этого неряшливого мира не увидят в небе радугу, не полюбуются на лунную дорожку, убегающую в море... В жизни все оказывается не только намного сложнее, чем в игре, но и намного интереснее.
