Ecuaciones Square-Cube y Kinetic Energy para números relativos (principalmente específicos para proyectos personales) [cerrado]

Esta es una pregunta algo larga y ardua (y es probable que me ayude a mí en particular mucho más de lo que ayudará a cualquier otra persona, ya que es bastante específica de mi propio proyecto), pero espero que me tengan paciencia. Estoy escribiendo una novela de ciencia ficción dura, y dentro de ella hay eventos y batallas masivos que pretendo reflejar la verdadera física en todos los aspectos (al menos en relación con ciertos valores inventados en el universo). Entiendo muchos de los principios físicos que necesito explicar y calcular, pero simplemente carezco de las habilidades matemáticas para calcular algunos de ellos correctamente.

Tengo algunos problemas directamente interrelacionados. 1) está calculando los tamaños y masas precisos de varios objetos según la Ley del cubo cuadrado --- en este caso, proyectiles de cañón de riel. En mi novela hay 25 grados de un tipo particular de cañón de riel, cada grado con su proyectil correspondiente:

1 | 2 | 3| 4 | 5 (1 m/1,0 toneladas) | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 (2m/8,0 toneladas) | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 (4m/64,0 toneladas) | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | [40] (8m/512 toneladas)

Los materiales, la forma y las dimensiones relativas son idénticos de un grado a otro. Ya sé que el grado 5 tiene 1 m de diámetro, con una masa de 1 tonelada (simplemente inventé ese valor y lo usé para extrapolar los siguientes valores), el grado 10 tiene 2 m/8 toneladas y el grado 20 tiene 4 m/ 64 toneladas. Técnicamente, no hay Grado 40 en mi novela, pero como se muestra arriba, hipotéticamente sería de 8 millones/512 toneladas. Mi ley más grande, Gade-25, es de 5 m, pero no he podido calcular su tonelaje exacto. Estoy seguro de que las matemáticas son simples, pero ignoro exactamente qué son esas matemáticas y cómo calcular con precisión las diferencias de tamaño relativo de los tamaños intermedios impares que no son exactamente el doble o la mitad del tamaño de otro valor conocido ---lo que me deja incapaz de aplicarles valores de Square-Cube correctamente modificados para el tonelaje.

2) Que en sí es la segunda parte del problema. Dado que los valores intermedios no son exactamente el doble o la mitad de los valores conocidos, tampoco sé cómo calcular los valores de Square-Cube modificados para multiplicar/dividir para esos tamaños (no puedo multiplicar/dividir por 8 para esos) . Fue fácil para mí calcular los valores conocidos --- simplemente le di al grado 5 el valor de 1,0 toneladas, y dado que el grado 10 tiene el doble de ese tamaño, multipliqué por 8 para obtener 8,0 toneladas, luego por 8 nuevamente para obtener 64,0 toneladas para Grado-20.

3) Una vez logrado eso, la tercera parte relacionada del problema es calcular su energía cinética (el doble de la masa, la energía cinética se duplica, el doble de la velocidad, la energía cinética se cuadriplica). Después de haber calculado con precisión la masa de cada proyectil y suponiendo la misma velocidad para cada uno, necesito aplicar los valores relativos correctos, lo cual actualmente no puedo hacer por las mismas razones que los problemas anteriores. Para extrapolar los números de la energía cinética, le daré al Grado 25 un valor de 1000,0 para la energía cinética, y todos los demás grados serán proporcionalmente menores que eso. ¿Quizás los mismos números que se usaron para calcular el cubo cuadrado para cada Grado se usarán para calcular los valores de energía cinética para los mismos Grados?

Una vez más, sé que esta es una pregunta larga y ardua, pero si alguien pudiera ayudarme a encontrar los valores correctos para cada Grado tanto para el tonelaje como para la energía cinética, y mostrarme las fórmulas apropiadas para ambos (pero también explicarlas para que un laico como yo puede entenderlos, y tal vez incluso ser capaz de aplicarlos a diferentes situaciones), sería realmente muy apreciado. ¡Gracias de antemano!

¿No entiendes cómo convertir un número al cubo?
¿Quiere que su grado sea directamente proporcional al diámetro en los grados 5, 10, 20 y 40, pero quiere una proporción diferente en el medio? ¿Puede intentar dibujar un gráfico y decirnos cuál cree que debería ser el diámetro/masa de, digamos, grado 8?
Sí, todos son directamente proporcionales a esos diámetros. Mi suposición anterior (probablemente incorrecta) era que el Grado 8 tendría un diámetro de poco menos de 1 metro con 4,8 toneladas, el Grado 9 tendría un poco menos de 2 metros con 6,4 toneladas, etc. Simplemente no sé si esos son valores correctos ( no recuerdo cómo llegué a ellos), y no sé cómo aplicar Square-Cube en relación con los otros valores conocidos. Dado que el grado 10 tiene el doble del tamaño del grado 5, es fácil para mí obtener la masa del grado 10 de 8,0 t. Pero cuanto mayor sea el grado, más incrementos hay entre un tamaño duplicado, lo que me complica las matemáticas.
Si quiere quedarse con 1 tonelada para el grado 5, su fórmula es simple. m = N 3 / 125 (N 3 es un cubo de grado).
¿Por qué no calculas la masa del proyectil y su energía cinética? Ya sabes, desde cero. Una pistola de calibre 10 cm arrojará una bola de hierro de 10 cm de diámetro, con un volumen de 393 cm³; siendo la densidad del hierro 7,87, esa bola pesa alrededor de 3 kg (6,6 libras inglesas). Digamos que el arma tiene un cañón de 1,5 metros de largo y lanza la bola a 400 m/s (alrededor de un 25% más rápido que el sonido), dándole una energía de unos 2,5 MJ. Para obtener aproximadamente la misma velocidad inicial, la longitud de los cañones se escalará linealmente con el calibre.
Alexander---así que elevo Grado-9 al cubo (729), luego divido por 125 para una respuesta de 5.832. El grado 8 sería 4.096. ¿Es esto correcto? ¿Necesitaría otra ecuación similar para el diámetro?
El diámetro es aún más simple: d = N/5. Pero atención al comentario de AlexP. Piensa en la forma y la densidad de tus proyectiles.
AlexP---Gracias por tu ayuda. Me encantaría poder resolver estas cosas desde cero, ya que eso ciertamente daría los mejores resultados para mis problemas, pero parece que no entiendo los conceptos matemáticos lo suficientemente bien como para hacerlo correctamente. Su ejemplo es bastante claro para mí, pero es más fácil cuando los números ya los proporciona alguien como usted que está familiarizado con los conceptos. Si introduzco mis propios números, no podría estar seguro de que estaba haciendo los cálculos correctamente.
¿Haces todos los cálculos a mano o sabes algo de programación básica? No tendría que preocuparse por hacer los cálculos correctamente más de una vez si la computadora lo está haciendo. También sería mucho más rápido. No sé cuánto tiempo pasa con tales cálculos cuando escribe una novela, pero aprender, por ejemplo, Python lo suficientemente bien desde cero para los scripts que tratan con tales cálculos, lleva aproximadamente una semana con ~ 1-3 horas al día de tutoriales.
Lo hago a mano, y solo en la medida de mis limitadas habilidades. No sé programar, pero me ha interesado aprender. Acabo de hacer una búsqueda en 'python'. Parece un poco fuera de mi alcance, pero lo investigaré más a fondo. Gracias por eso.
Parece aterrador al principio, pero se volverá amigable bastante rápido. Si es demasiado aterrador y eres, por ejemplo, un estudiante universitario (a menudo lo obtienen gratis de su universidad) o rico, también puedes comprar Mathematica o un programa similar que viene con una buena interfaz gráfica y botones. Sin embargo, personalmente prefiero algo como Python. Pero para que quede claro, esa fue una pista general ya que sonaba como si lo estuvieras haciendo a mano. Todavía tendrías que descifrar las ecuaciones primero para poder programarlas inicialmente
Si tiene Excel, su cálculo de fórmula probablemente será suficiente.
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Respuestas (1)

1) El tamaño parece ser, por ejemplo, el diámetro es (Grado/5) metros . La longitud sería (Grado/5) * longitud del proyectil de grado 5.

2) Esto es bastante simple. Es (Grado/5) ^ 3 toneladas . Entonces, por ejemplo, un cañón de riel calibre 1 es (1/5) ^ 3 = 1/125 de una tonelada, o 0.008 toneladas.

2) Es un poco molesto que hayas cambiado el estándar a Grado 25, pero como KE = 1/3 mx V^2, y dado que solo m está cambiando, terminas con, como masa, (Grado/25)^3 x 1000.0 . Si quisiera basarlo en el Grado 5, sería (Grado/5)^3 x 8,0 unidades de energía (porque sacamos el 1/125 de la función del cubo y lo aplicamos a la constante)

Dime si hice esto bien. Para calcular KE para el grado 24, dividí 24 por 25 (0,96). Cubicado=0.84934656. Multiplicado por 1000=849.34656. ¿Es esto correcto?
Es correcto, excepto que tengo 0.96^3 = 0.884736. No estoy seguro si estabas elevando al cubo a mano o si lo ingresaste en una calculadora incorrectamente. Entonces, tengo KE = 884.736
Usé una calculadora de Windows. Sin embargo, sigo obteniendo 0.84934656. Aunque es bueno saber que tengo el principio correcto. Gracias.
@Sci-Hard Eso es extraño. 0,96 ^ 3 ciertamente no debería estar cerca de 0,85. Usando tres calculadoras diferentes (la Calculadora GNOME, Perl y mi vieja y confiable calculadora "científica" electrónica de mano que no tiene nada que ver con mi PC, excepto que comparte un escritorio con ella mientras lo intento...) Sigo obteniendo la respuesta 0.884736. Probablemente estés haciendo algo mal en alguna parte si sigues obteniendo 0.84934656.
@ Sci-Hard 0.96 ^ 4 = 0.84934656, no puede simplemente elevar al cuadrado un número dos veces, debe usar el botón del cubo.
Gracias por hacérmelo saber. Como dije, no tengo del todo claro todo lo relacionado con las matemáticas. :)
@Ciencia dura X 4 = X 2 × 2 = X 2 × X 2 = X × X × X × X Recuerda que la exponenciación es básicamente una forma elegante de escribir multiplicaciones repetidas: X y es X multiplicado por sí mismo un total de y veces, con el caso especial de que X 0 = 1 para cualquier X (esto se sigue de aplicar la misma regla a la inversa, básicamente X y = X y + 1 X para cualquier valor de X y y ). Los números complejos con una porción imaginaria complican esto un poco, pero creo que no necesitamos ir allí... :-)