Kẻ Xấu Có Thể Thoát Khỏi Falcon Trong Bộ Cánh Dơi Cho Hai Người Thực Sự Hay Không?

Tôi tận hưởng Falcon and the Winter Soldier—bộ phim mới nhất của Marvel trên Disney+. Đừng lo, tôi sẽ không làm hỏng bất kỳ điều gì quan trọng. Tôi chỉ muốn nói về bộ cánh dơi trong tập 1. Sam Wilson (Falcon) đang đối mặt với một tình huống con tin trên một máy bay quân sự. Những kẻ xấu nắm giữ con tin và nhảy ra khỏi máy bay trong bộ cánh dơi. Nếu bạn chưa xem, chúng thực sự là trang phục nhảy dù với thêm vật liệu giữa cánh và chân để tạo ra cảm giác như đang bay—vì vậy mới có tên là cánh dơi.

Con tin không có bộ cánh dơi, vì vậy họ buộc anh ta vào lưng của một trong những người nhảy của kẻ xấu. Sau đó, Falcon bay theo và có một số cảnh hành động—thấy không, không có bất kỳ hỏng lời nào cả.

Nhưng thực sự, điều này chỉ là cơ hội để nói về một số vật lý vui nhộn. Vì vậy, hãy xem xét hai câu hỏi sau. Một: Một con người có thể bay nhanh như thế nào với bộ cánh dơi? Hai: Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có một con người extra (một con tin) ở phía sau của một người nhảy có bộ cánh dơi?

Rơi Tự Do

Hãy bắt đầu từ điều đơn giản và sau đó làm nó phức tạp hơn một chút. (Đó là những gì chúng ta thích làm trong vật lý.) Giả sử bạn nhảy ra khỏi một chiếc máy bay và không có bất kỳ khí quyển nào. Vâng, điều đó sẽ rất kỳ quặc—nhưng hãy tưởng tượng thôi. Trong trường hợp này, sẽ chỉ có một lực đang tác động lên bạn—lực hấp dẫn hướng xuống do tương tác giữa bạn và Trái đất. Lực hấp dẫn có thể được tính toán là tích của khối lượng của bạn (bằng kilogram) và trường hấp dẫn (chúng tôi sử dụng g cho điều này). Miễn là bạn ở trong khoảng 100 kilomet so với bề mặt của Trái đất, trường hấp dẫn là khoảng 9.8 newton trên mỗi kilogram.

Lực hấp dẫn hướng xuống này làm gì trong một thế giới không có không khí? Đó là nơi đến lúc đến định luật thứ hai của Newton. Nó cung cấp mối quan hệ giữa lực và gia tốc như sau:

Hai điểm quan trọng. Đầu tiên, cả lực lẫn gia tốc đều là vector. (Đó là lý do họ có một mũi tên trên họ.) Điều này có nghĩa là cả độ lớn và hướng đều quan trọng. Thứ hai, biểu thức này xử lý với lực tác động net (tổng lực). Vì chỉ có lực hấp dẫn, bạn sẽ gia tốc xuống—tốc độ của bạn sẽ tiếp tục tăng lên miễn là bạn đang rơi. Nhưng đó chỉ là việc rơi tự do và không phải là bay bằng bộ cánh dơi.

Hãy thêm một lực khác vào người đang rơi—lực trở khí. Đây là một lực ngược hướng so với hướng chuyển động của vật. Đó là kết quả của các phân tử khí chạm vào bề mặt khi một thứ gì đó di chuyển qua không khí. Giả sử rằng tôi thay thế không khí bằng những quả bóng lớn thay vì—à, và những quả bóng này hoàn toàn đứng yên trước khi tương tác với một vật đang rơi. Khi vật di chuyển xuống, có một va chạm, và sau đó những quả bóng di chuyển với vận tốc khác nhau (nhưng chủ yếu hướng xuống). Đây là một sơ đồ để giúp bạn nhìn thấy điều này:

Mỗi quả bóng sẽ có một sự thay đổi về động lượng khi vật đang rơi va chạm—nơi động lượng là tích của khối lượng và vận tốc. Để thay đổi động lượng của một vật, bạn cần tạo ra một lực tác động lên nó. Độ lớn của lực này phụ thuộc vào cả sự thay đổi về động lượng và thời gian trong đó động lượng thay đổi. Lực này trên "quả bóng không khí" được áp dụng từ vật đang rơi. Nhưng chờ đấy! Tất cả các lực đều xuất phát từ một tương tác—điều này có nghĩa là nếu vật đẩy xuống không khí, không khí phải đẩy lên vật.

Mỗi va chạm giữa vật và quả bóng không khí tạo ra một lực nhỏ đẩy theo hướng ngược lại với hướng chuyển động của thứ đang di chuyển. Vì vậy, bạn có thể thấy rằng lực trở khí tổng cộng có thể phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Diện tích của vật đang di chuyển. Một vật lớn va chạm với nhiều quả bóng không khí hơn.
• Vận tốc của vật. Một lần nữa, càng nhanh nó di chuyển, nhiều va chạm hơn và thay đổi vận tốc của quả bóng không khí đẩy lui càng lớn.
• Mật độ của không khí. Mật độ cao hơn có nghĩa là có nhiều quả bóng không khí để va chạm.

Thực tế, còn một điều nữa quan trọng: hình dạng. Một vật hình nón sẽ có khả năng đẩy quả bóng không khí sang một bên cho sự thay đổi động lượng nhỏ hơn và do đó một lực trở khí thấp hơn so với một vật phẳng. Chúng tôi gọi đại lượng này dựa trên hình dạng là hệ số trở khí.

Với điều đó, chúng ta có mô hình sau đây cho độ lớn của lực trở khí đối với một vật đang di chuyển:

Trong biểu thức này, chúng ta có các thành phần sau: ρ là mật độ của không khí, A là diện tích của vật, C là hệ số trở khí, và v là vận tốc của vật đang di chuyển so với không khí. Tại sao có một/2 trong đó? Tôi khá chắc rằng đó là do hệ số trở khí được định nghĩa trong một số vấn đề khác với một hệ số 2 và không ai muốn có hai hệ số trở khí khác nhau.

Vậy, điều này có ý nghĩa gì đối với những kẻ xấu đang rơi? Hãy nói rằng họ rơi ra khỏi một máy bay đang bay đứng yên. (Vâng, tôi biết điều đó ngốc nghếch—nhưng nó dễ giải thích hơn.) Vì họ bắt đầu từ yên bình, vận tốc so với không khí là không và lực trở khí là không. Điều đó có nghĩa là họ sẽ tăng tốc khi họ rơi. Nhưng một tăng tốc nhanh có nghĩa là giờ đây có một lực trở khí đẩy lên ngược hướng với chuyển động.

Cuối cùng, những người đang rơi sẽ đạt đến một vận tốc sao cho lực trở khí bằng về độ lớn với trọng lượng của họ. Lực net sẽ là không và con người sẽ ngừng tăng tốc. Điều này có nghĩa là trong phần còn lại của quãng đường rơi, họ sẽ di chuyển với một vận tốc không đổi. Chúng ta gọi điều này là vận tốc cuối cùng. Đối với một con người bình thường (không có bộ cánh dơi) ở tư thế mở ra thông thường, vận tốc cuối cùng là khoảng 120 dặm mỗi giờ (khoảng 54 mét mỗi giây). Với bộ cánh dơi, diện tích tiếp xúc với không khí lớn hơn nhiều. Điều này có nghĩa là bạn có thể có một lực trở khí bằng với trọng lượng ở một vận tốc thấp hơn nhiều. Nhưng vận tốc cuối cùng thấp không phải là lý do tại sao người ta mặc bộ cánh dơi—họ mặc chúng để có thể bay.

Bay (Rơi với Phong Cách)

Nếu bạn lấy chiếc bộ cánh dơi đang rơi và nghiêng nó chỉ một chút, điều gì đó thú vị xảy ra. Sự va chạm giữa không khí và bộ đồ đẩy không khí xuống và sang một bên. Như thế này:

Khi quả bóng không khí (hoặc bạn có thể gọi nó là không khí, nếu bạn thích) được chuyển hướng về bên phải, lực trở khí đối với vật rơi hơi về bên trái. Với lực đẩy về bên trái này, vật rơi sẽ tăng vận tốc ngang của mình. Vì vậy, giờ đây nó sẽ rơi xuống và di chuyển về bên trái. Điều đó tốt hơn so với việc chỉ đơn giản là rơi.

Tất nhiên, bây giờ có một vấn đề khác. Vì vật thể đang di chuyển về bên trái, nó cũng sẽ va chạm với quả bóng không khí ở phía bên trái. Điều này làm cho tình hình lực trở khí trở nên phức tạp hơn một chút. Thực sự, nó dễ dàng hơn khi chia lực trở khí này thành hai phần. Đối với phần hướng ngược hướng với vận tốc của vật, chúng tôi sẽ gọi đó là lực trở khí (như trước). Tuy nhiên, phần còn lại của tương tác với không khí phải vuông góc với lực trở khí—và chúng tôi gọi đó là sức đẩy. Đúng, lực trở khí và sức đẩy là hai phần của cùng một tương tác.

Vậy nên, bây giờ hãy nói rằng chúng ta có người nhảy có bộ cánh dơi di chuyển cả xuống và về phía trước với một vận tốc hằng số góc θ dưới đường chéo. Các lực sẽ trông như sau:

Đối với nhiều trường hợp, tỷ lệ giữa lực đẩy và lực trở khí là không đổi. Đó là lý do tại sao nó được gọi là tỷ lệ lực đẩy và lực trở khí và thường được biểu diễn bằng biến số L/D, nhưng tôi nghĩ đó là một biến số làm rối. Tôi sẽ sử dụng tỷ lệ lực đẩy và lực trở khí là K để tôi có thể viết:

Bây giờ là một chút toán. Nếu con người di chuyển với một vận tốc hằng số, thì lực net cả trong hướng x (ngang) và y (dọc) phải bằng không. Nếu tôi chia nhỏ các lực này thành các thành phần, tôi sẽ có hai phương trình sau đây:

Nếu tôi thay thế lực trở khí (F_D) bằng lực đẩy chia cho K (F_L/K), tôi sẽ có điều sau:

Góc θ này là một cách khác để nghĩ về tỷ lệ lướt. Vì bộ cánh dơi không được cung cấp sức mạnh, nó sẽ phải tiếp tục di chuyển xuống khi nó di chuyển về phía trước (giả sử không có luồng khí phát lên). Tỉ lệ lướt là tỷ lệ giữa khoảng cách mà một vật di chuyển về phía trước so với khoảng cách nó rơi xuống. Một bộ cánh dơi có thể có tỷ lệ lướt khoảng 3:1. Vì vậy, mỗi 3 mét nó di chuyển qua nó sẽ di chuyển xuống 1 mét. Với điều này, tôi có thể có mối quan hệ giữa tỷ lệ lướt, góc lướt và tỷ lệ lực đẩy và lực trở khí.

Nhưng bây giờ đến câu hỏi thực sự: Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn tăng khối lượng của vật thể đang bay? Đặc biệt, điều gì sẽ xảy ra với người nhảy có bộ cánh dơi với một người extra ở trên đầu, thực sự làm tăng tổng khối lượng gấp đôi? Tôi sẽ có cùng tỷ lệ lướt nhưng điều này chỉ đúng nếu tỷ lệ lực đẩy và lực trở khí không thay đổi. Hãy giả sử rằng nó thực sự giống nhau để tạo ra cùng tỷ lệ lướt.

Với một khối lượng lớn hơn, cả lực đẩy và lực trở khí đều phải tăng lên để giữ cho người nhảy ở vận tốc hằng số. Tuy nhiên, nó phải là một vận tốc hằng số lớn hơn đối với người nhảy có bộ cánh dơi không có người extra. Cách duy nhất để tăng lực đẩy là tăng vận tốc. (Nhớ rằng lực đẩy và lực trở khí phụ thuộc vào vận tốc.) Vì vậy, điều này có nghĩa là người nhảy có bộ cánh dơi với con tin ở phía sau sẽ phải di chuyển xuống và về phía trước với một tốc độ lớn hơn so với những người nhảy khác. Điều này sẽ ngăn chặn tất cả những tên xấu xa này từ việc bay theo đội hình—nhưng đó chỉ là điều chúng ta thấy trong tập phim Falcon and the Winter Soldier.

Có cách nào để thực sự làm cho nó hoạt động không? Có một điều: Nếu người nhảy có con tin có một bộ cánh dơi với cánh lớn hơn, có khả năng anh ta vẫn có cùng tỷ lệ lướt. Nhưng phải lớn đến mức nào? Đối với phép tính này, hãy giả sử rằng họ đang rơi thẳng xuống. (Nó sẽ dễ dàng hơn một chút.) Trong trường hợp đó, tôi sẽ có lực hút trọng xuống và lực đẩy lên. Đối với vận tốc cuối cùng, hai lực này phải bằng nhau về độ lớn.

Bạn có thể thấy từ đây rằng nếu bạn làm đôi khối lượng (m) và bạn muốn có cùng vận tốc cuối cùng (v), thì diện tích cũng phải tăng lên theo một hệ số 2. Điều đó sẽ như thế nào? Hãy nói rằng một người nhảy với bộ cánh dơi bình thường là một hình chữ nhật có kích thước 1 mét bởi 2 mét (xấp xỉ). Đó là một diện tích 2 mét vuông. Đối với bộ cánh dơi với con tin, bạn phải có chiều dài là 2,83 mét và chiều rộng là 1,41 mét, tạo ra một diện tích là 4 mét vuông.

Vậy nên, anh chàng sẽ cần một bộ cánh dơi lớn hơn. Có vẻ không quan trọng, đúng không? Nhưng, nếu bạn lên kế hoạch trước khi mang theo một con tin—và có lẽ họ đã làm. Nhưng có một vấn đề lớn hơn với bộ áo lớn hơn này. Nó trông buồn cười. Có lẽ không có gì tồi tệ hơn là một tên xấu có thể làm được ngoại trừ trông kỳ cục trước mặt những tên xấu khác. Nhưng tôi đoán đôi khi bạn chỉ phải làm điều bạn phải làm.

More Great Mytour Stories

• 📩 Tin tức mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi ngay bây giờ!
• Đây là cách sống sót trước một thiên thạch giết người
• Cửa hàng game độc lập đây để ở lại
• Tôi sử dụng chế độ làm mượt chuyển động trên TV của tôi. Có lẽ bạn nên thử nghiệm
• YouTube đang gặp vấn đề rùng rợn với Minecraft
• Mùa hè hậu dịch 2020 đáng sợ tôi
• 👁️ Khám phá Trí tuệ Nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận các mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống tại nhà của bạn với những lựa chọn tốt nhất từ đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến đệm giá rẻ đến loa thông minh