Đừng Đánh Giá Thấp Những Lực Lượng, Người Hành Tinh

Mình thực sự háo hức với bộ phim ngoại truyện mới của Star Wars, có tên là The Mandalorian. Điều này không phải là phần của hệ thống Skywalker, vì vậy hầu như mọi thứ có thể xảy ra. Và còn bí ẩn về người Mandalorian mặc áo giáp: Anh ấy là ai? Động cơ của anh ấy là gì? Làm thế nào anh ấy ăn với cái mũ bảo hiểm trên đầu?

Nhưng mình vừa xem trailer cho bộ phim, và hiện tại mình quan tâm đến cảnh đánh nhanh với một nhân vật khác trong một hang động. Trong cảnh này (gần đầu, khoảng 0:20), Mandalorian sử dụng một thứ gì đó sáng lấp lánh ở đầu khẩu súng để đánh vào người khác. Kết quả là tên xấu (phải là xấu, đúng không?) bay lùi qua hang động.

Nó không chỉ trông cool mà còn mang lại cơ hội để thực hiện một số vật lý. Bạn biết rằng đó là điều mình thích làm anyway. Vậy nên hãy bắt đầu. Có thể sẽ có một số phân tích video đi kèm.

Bản Chất Của Lực Lượng

Trong lúc xem cảnh đánh, mình nghĩ rằng Mandalorian thực sự đã đánh trúng tên xấu. OK, điều đó có lẽ không đúng. Hóa ra, đó là một khẩu súng Amban phase-pulse. Anh ấy không đánh trúng, chỉ là bắn ở khoảng cách rất gần. À, vậy là được. Vật lý vẫn hoạt động giống nhau.

Có hai ý lớn về vật lý chúng ta cần. Một là bản chất của lực lượng. Một lực lượng (không phải là lực lượng) là cách mô tả sự tương tác giữa hai đối tượng, và lực lượng luôn đi theo cặp. Vì vậy, khi Mandalorian đánh hoặc bắn vào người này, anh ấy tạo ra một lực lượng trên người đó. Nhưng sau đó phải có một lực lượng khác trên Mandalorian.

Đó chỉ là cách nó hoạt động. Nếu bạn đẩy vào một bức tường, bức tường sẽ đẩy lại bạn. Nếu bạn đặt một quả bóng xuống, một lực hấp dẫn từ Trái Đất kéo xuống quả bóng, nhưng cũng có một lực hấp dẫn từ quả bóng kéo lên Trái Đất.

Nói chung, nếu A và B là hai đối tượng tương tác, và A đang đẩy B với một lực F_A-B, thì cũng sẽ có một lực từ B vào A (F_B-A), có cùng độ lớn nhưng ngược hướng. Dưới dạng phương trình, nó trông như thế này:

(Những mũi tên chỉ ra rằng đây là vector. Vector là một đại lượng mà hướng có ý nghĩa cùng với độ lớn. Đó là tất cả những gì bạn thực sự cần biết về vector ở đây.)

Kết luận: Mandalorian đẩy vào gã, gã đẩy lại. Đó là cách mà tất cả lực lượng hoạt động.

Có Được Đà

Ý tưởng quan trọng khác chúng ta cần là nguyên lý đà. Đà là tích của vận tốc và khối lượng của một đối tượng, và thường được biểu diễn (với lí do không rõ) bằng chữ cái p:

Vì vậy, đối tượng càng lớn hoặc di chuyển nhanh, đà càng lớn. Bây giờ, nguyên lý đà nói rằng khi một lực net tác động lên một đối tượng, nó làm thay đổi đà của đối tượng đó. Chúng ta có thể viết nó dưới dạng phương trình:

Ồ, chữ cái Hy Lạp Δ (delta) thường được sử dụng để chỉ “sự thay đổi trong.” Vì vậy, bạn có thể đọc điều này như là nói rằng lực net bằng sự thay đổi đà trên mỗi đơn vị thời gian (ví dụ, mỗi giây). Quan trọng không chỉ là sự thay đổi đà, mà còn là tốc độ nó thay đổi. Thêm nữa: Sử dụng chữ cái Hy Lạp khiến bạn trở nên phong cách.

Những Lực Ở Xung Quanh Bạn

Bây giờ, hãy quay lại cuộc chiến và kết hợp hai ý tưởng này. Đây là biểu đồ lực cho cú bắn ngắn của Mandalorian.

Đúng, có nhiều lực ở đó—nhưng không quá tồi. Hãy phân tích nó.

Trước hết là kẻ tấn công (từ giờ mình sẽ gọi anh ấy là Bob): Có hai lực đang tác động lên anh ấy, được chỉ ra bởi hai mũi tên. Một là lực hấp dẫn, mg. Còn một là lực đánh của Mandalorian, F_M-B. Điều này làm thay đổi đà của Bob sao cho anh ấy đang di chuyển lùi từ tác động.

Đối với Mandalorian, có bốn lực được hiển thị trong biểu đồ:

• Lực mà Bob tạo ra trên Mandalorian, F_B-M, là phía kia của cặp lực từ cú đánh.

• Lực hấp dẫn đẩy xuống, mg. Điều này phụ thuộc vào khối lượng của anh ấy, m, và trường hấp dẫn địa phương của hành tinh, g.

• Lực nâng từ mặt đất, F_N. Đây là lực ghép cặp với trọng lực—nó ngăn chúng ta từ việc rơi vào trung tâm của hành tinh chúng ta đang đứng trên. Quan trọng bởi vì...

• Lực ma sát trái chiều từ mặt đất, F_f. Điều này phụ thuộc vào vật liệu tiếp xúc (giày của anh ấy và đất) và độ lớn của F_N. Đúng, càng mạnh mặt đất đẩy lên, lực ma sát càng lớn.

Ma sát có thể phức tạp, nhưng chúng ta có thể tạo ra một mô hình đơn giản hoạt động tốt trong hầu hết các trường hợp. Điều này nói rằng độ lớn tối đa của lực ma sát, F_f-max, có thể được tìm thấy với phương trình sau:

Ở đây, 𝛍 (mu) là hệ số ma sát. Đây là một giá trị, thường nằm giữa 0 và 1, được xác định bởi các vật liệu cụ thể liên quan. Giá trị thấp là trơn trượt, giá trị cao là dính. Có bảng thú vị nơi bạn có thể tra cứu các kết hợp vật liệu khác nhau. Thanh trượt thép trên băng đá? 0.05. Lốp cao su trên nhựa đường khô? Lên đến 0.9.

Đây là thỏa thuận: Nếu Mandalorian ở lại chỗ trong khi đánh gã này, lực net tác động lên anh ấy phải là không. Nó phải là không, vì đà của anh ấy không thay đổi. Trong hướng ngang, điều này có nghĩa là lực ma sát phải bằng về độ lớn với lực đối nghịch từ cú đánh, để đối trọng nó.

Dự Đoán Về Ma Sát

Có ổn không? Thực sự ... khá không thể tin được, có lẽ đó là lý do tại sao khi bạn xem nó, nó không cảm giác đúng. Hãy nhớ, lực của cú đánh rất lớn đến nỗi nó đẩy gã kia bay qua không trung. Nhưng hãy thực sự đàm phán với con số.

Trước hết, chúng ta sẽ ước lượng lực mà Mandalorian đặt lên Bob (F_M-B). Theo nguyên lý đà, chúng ta có thể có được điều đó bằng cách xem xét sự thay đổi đà của Bob và khoảng thời gian trong đó nó thay đổi.

Để có được dữ liệu đó, mình sử dụng một công cụ gọi là Tracker. Nó cho phép bạn đánh dấu vị trí của một đối tượng trong mỗi khung hình của video để theo dõi vị trí của nó, và bạn có thể lấy thời gian từ tốc độ khung hình (ở đây là 60 khung hình mỗi giây). Điều đó đưa cho chúng ta một biểu đồ về chuyển động của Bob sau khi anh ấy bị đánh: khoảng cách di chuyển (trục thẳng đứng) so với thời gian (trục ngang):

Độ dốc của đường thích ứng là vận tốc của Bob (hệ số A)—3.89 mét mỗi giây. Sau đó, để có được đà của anh ấy, chúng ta chỉ cần ước lượng khối lượng của anh ấy. Anh ấy trông to lớn, vì vậy hãy nói là 100 kg (220 lbs). Nhân vận tốc và khối lượng, chúng ta có được một đà là 389 kg ⨉ m/s. Và vì anh ấy bắt đầu từ tĩnh lặng, đó cũng là thay đổi đà.

Nhưng thời điểm va chạm là bao lâu? Nhìn vào các khung hình khi tia xanh của vũ khí tiếp xúc với Bob, mình có một khoảng 0.167 giây. Đây chỉ là một ước lượng sơ bộ, vì khó xác định khi nào tiếp xúc bắt đầu và kết thúc.

Chia thay đổi đà cho khoảng thời gian, chúng ta có được lực tác động:

Đó là một lực là 2,329 N (tương đương với 523.6 pounds). Sau đó, chúng ta biết lực ma sát cũng phải là 2,329 N, vì vậy chúng ta có thể sử dụng phương trình ma sát ở trên để tính hệ số ma sát ngụ ý. Chỉ cần một tham số nữa: lực nâng từ mặt đất, F_N.

Vì chỉ có hai lực trong hướng dọc (trọng lực của Mandalorian hướng xuống và mặt đất đẩy lên), hai lực này cũng phải bằng nhau. Hãy nói rằng Mandalorian cũng là 100 kg, và chúng ta sẽ giả sử trọng lực giống như trên Trái Đất. (Thực sự, nó trông có vẻ suspiciously giống trong video). Trường hấp dẫn trên Trái Đất là 9.8 N/kg. Đặt các số vào, chúng ta có một hệ số ma sát ngụ ý:

Ồ. Điều này không tốt. Để gửi cú đánh đó trong khi vẫn đứng yên, có vẻ như Mandalorian sẽ cần một hệ số ma sát là 2.4 giữa giày và mặt đất. Vấn đề là con số đó cao quá biểu đồ. Chưa kể đến việc anh ấy đang đứng trên cát và sỏi trơn trượt.

Mình chỉ có thể nghĩ đến hai giải thích có thể. Hoặc khẩu súng Amban phase-pulse rút năng lượng và đà từ một chiều không gian khác để nó chỉ xuất hiện vi phạm bản chất cơ bản của lực, hoặc Mandalorian có đôi giày thực sự bám chặt. Ngay cả Air Jordans cũng không thể sánh kịp.

Nhưng chờ đã! Có thời gian để quay thêm cảnh trước khi tập phát sóng không? Có thể có cách để sửa cảnh này. Chỉ là đề xuất ý tưởng:

• Thay vì là Bob khổng lồ, sao nếu kẻ tấn công là một Jawa nhỏ bé? Nếu anh ta có khối lượng rất nhỏ, chúng ta có thể đẩy anh ta về phía sau với lực ít hơn, và sẽ có ít giật lại hơn trên Mandalorian. Tất nhiên, điều đó sẽ không trông anh hùng lắm...

• Sao nếu Mandalorian áp dụng lực theo hướng lên trên, thay vì thẳng về phía trước? Sau đó, lực tương tác sẽ đẩy ngược lại và xuống trên Mandalorian. Điều đó, lần lượt, sẽ tăng độ lớn của lực phản ứng từ mặt đất đẩy lên trên, do đó tăng lực ma sát hướng về phía trước để ngăn anh ấy trượt ngược lại. (Thực tế, đây là cách mà tất cả những người siêu năng lực nên đánh.)

Ồ, còn một cách khác để loại bỏ vấn đề: Tuyên bố đó là một tính năng, chứ không phải là lỗi. Sau tất cả, đây là lý do chúng ta có các chương trình giả tưởng và khoa học viễn tưởng—để uốn cong các quy tắc, thoát khỏi hiện thực và tận hưởng một câu chuyện tuyệt vời. Nhưng điều đó không ngăn chúng ta khỏi việc vui vẻ với vật lý một chút.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Ly martini này muốn tiêu diệt biến đổi khí hậu mỗi ngụm một lần
• Sức mạnh bền vững của Asperger's, ngay cả khi không được chẩn đoán
• Bùng nổ của đồng tiền mã hóa bí mật ở lãnh thổ sau Liên Xô
• Hacker có thể sử dụng laser để “nói” với Amazon Echo của bạn
• Xe điện—và sự phi lý—có thể cứu được hộp số bán tự động
• Trường quay rộng lớn của Trung Quốc khiến Hollywood phải xấu hổ
• 👁 Một cách an toàn hơn để bảo vệ dữ liệu của bạn; ngoài ra, hãy kiểm tra tin tức mới nhất về AI của chúng tôi
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Hãy kiểm tra lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho các bộ theo dõi sức khỏe, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất.