Xem video giải trí qua con mắt của nhà vật lý khác người thường như thế nào?

Hãy xem video tuyệt vời này. Nó ghi lại khoảnh khắc một con cá mập phóng lên khỏi mặt nước(1:37). Bình thường bạn sẽ thấy nó cũng tương đối thú vị đấy và rồi đóng nó lại. Một nhà sinh vật biển, họ có thể biết được đó là loài cá mập nào. Nếu là một người đam mê vũ khí, bạn sẽ liên tưởng ngay đến những quả tên lửa Poseidon phóng ra từ một tàu ngầm. Thế còn một nhà vật lý, họ sẽ thấy điều gì?

Chuyển động của đạn tử (Projectile motion)

Một nhà vật lý sẽ nhận ra ngay vấn đề chuyển động của đạn tử (Projectile motion). Con cá mập phóng lên khỏi mặt nước và rồi nó chuyển động theo một quỹ đạo cong mà chỉ chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Bất kì một đối tượng nào chuyển động gần bề mặt Trái Đất, mà chỉ chịu tác dụng của trọng lực được coi là chuyển động đạn tử. Trọng lực gây ra một gia tốc âm, và không có một lực nằm ngang nào cần thiết để duy trì chuyển động ngang của chúng, điều này phù hợp với khái niệm của quán tính.

Chuyển động đạn tử của một người lái moto biểu diễn

Con cá mập lớn cỡ nào?

Bạn có thể biết được chiều dài của con cá mập khi xem xong video này không? Có lẽ rất khó. Nếu có một vật nào đó cạnh con cá mập, ít ra bạn cũng có thể ước lượng tương đối chiều dài của nó. Tuy nhiên hãy xem lại khung hình trên, chẳng có điều gì ngoài chính con cá mập, mặt biển và bầu trời. Giờ thì bạn phải cần đến con mắt của một nhà vật lý.

Vẽ trục tọa độ và chọn đơn vị là chiều dài con cá mập

Trước tiên, nhà vật lý sẽ vẽ một trục tọa độ. Lấy mặt biển làm trục hoành và một trục tung vuông góc với mặt biển. Tiếp theo, cần đến một đơn vị đo cho trục tọa độ, nhà vật lý sẽ chọn chính chiều dài con cá mập là 1 đơn vị. Sau đó, hãy ước lượng trọng tâm của con cá, tua chậm từng khung hình để vẽ được một biểu đồ chuyển động của nó. Trên biểu đồ này, bạn hãy nhớ rằng mỗi 1 đơn vị trục tung chính là chiều dài con cá mập. Trục hoành là các khoảng thời gian đều nhau trên khung hình.

Sau khi có một đồ thị từ các điểm rời rạc, nhà vật lý sẽ sử dụng một phần mềm chuyên dụng, trong đó có một thuật toán để đồng nhất các điểm này thành một hàm số. Và trong trường hợp chuyển động đạn tử của con cá mập, chúng ta sẽ thấy một hàm parabol.

Xử lí dữ liệu bằng phần mềm

Vấn đề đã trở nên đơn giản. Bạn có thể thấy phần mềm đã tính ra được các chỉ số A, B và C của hàm parabol. Chuyển động thẳng đứng của con cá chỉ phụ thuộc vào lực hấp dẫn của Trái Đất với gia tốc âm g=-9,8 m/s2 . Vì vậy, để tính chiều dài con cá, nhà vật lý chỉ cần quan tâm đến chỉ số A=-2,1. Chúng ta đồng nhất phương trình có được với phương trình trong lý thuyết của chuyển động đạn tử.

Dễ dàng bạn sẽ thấy chỉ số (1/2)g =A. Do vậy, ta có phương trình sau:

Cuối cùng, nhà vật lý đã có được chiều dài của con cá mập là 2,33 m. Kết quả đúng với tiêu chuẩn của một con cá mập trắng.

Con cá mập đã nhảy cao cỡ nào?

Khi đã có được chiều dài con cá mập. Vấn đề này chỉ là chuyển đổi đơn vị của hệ tọa độ. Trong video, bạn có thể thấy mũi con cá mập đã ở vị trí khoảng 1,07 “đơn vị cá mập”. Nghĩa là khoảng 2,49 m. Trong khi đó, nếu tính ở vị trí trọng tâm con cá như trong đồ thị, nó chỉ nhảy lên khỏi mặt nước cỡ 1,54 m.

Vận tốc bơi của con cá mập là bao nhiêu?

Hãy để ý xem, có thể bạn đã làm bài toán kinh điển này thời phổ thông rồi. Nhưng đó là với một quả bóng được ném thẳng đứng. Rõ ràng là trong trường hợp này bài toán thú vị hơn nhiều khi có một con cá mập trong một video sinh động.

Có hai cách để giải bài toán này. Bạn có thể sử dụng chiều cao tối đa của cú nhảy đã biết hoặc sử dụng thời gian mà con cá đi từ mặt nước tới điểm cao nhất. Với cách thứ nhất, mọi chuyện sẽ tương đối phức tạp. Cách thứ hai sẽ đơn giản hơn nhiều cho nên hãy xem lại video, con cá cần khoảng 0,8 giây để đạt được độ cao tối đa trước khi nó rơi xuống.

Khi có khoảng thời gian rồi, vấn đề đơn giản là hãy hỏi nhà vật lý định nghĩa gia tốc:

Khi mà con cá đạt độ cao lớn nhất, vận tốc của nó bằng 0. Nên bạn có thể dễ dàng suy ra vận tốc ban đầu chính bằng tích của g với khoảng thời gian. Hãy sử dụng máy tính xem kết quả có đúng là 7,84m/s không? Vậy là nó đã bơi nhanh vậy đó.

Bài tập cho bạn

Chưa dừng lại ở đó, một nhà vật lý còn có thể biết nhiều thứ hơn thế nữa chỉ với một đoạn video tiêu khiển. Ví dụ, anh ấy đã có đáp án của một vài câu hỏi sau, nếu bạn tự tin với kiến thức của mình hãy cùng thử sức:

1.    Khối lượng của con cá mập là bao nhiêu?

2.    Để thực hiện cú nhảy này, con cá đã tiêu tốn bao nhiêu năng lượng?

3.    Con cá mập cần ăn bao nhiêu cá để đủ năng lượng cho cú nhảy?

4.    Lực cản của nước tác động vào con cá là bao nhiêu?

Cuối cùng, dù cho bạn có không tìm được đáp án cho những câu hỏi trên, ít nhất bạn cũng đã biết rằng con mắt của một nhà vật lý tuyệt vời cỡ nào. Lần sau, nếu có quay được một video thú vị nào đó, bạn hãy tìm một nhà vật lý và hỏi xem họ đã nhìn thấy những gì.

Tham khảo Wired

Các nhà khoa học phát hiện trạng thái mới của vật chất, tạo ra vật liệu siêu dẫn