Bị vợ hỏi khó: Vì sao bao cát lại chặn được viên đạn đang bay?

Bao cát là một trong những thành phần thiết yếu phải có khi xây dựng công sự, hầm hào quân sự hoặc làm những bức tường ngăn nước, chống sạt lở. Những bao cát khi được xếp hợp lý, đúng kỹ thuật sẽ tạo thành nơi trú ẩn rất vững chắc, thậm chí có thể bảo vệ con người khỏi bức xạ. Từ trước thế kỷ thứ 18, lịch sử quân sự thế giới đã ghi nhận về việc sử dụng bao cát trong công sự để chắn đạn, thế nhưng thật ngạc nhiên là tới nay lại có không nhiều thông tin giải thích về khả năng chống đạn kỳ diệu của bao cát.

Cát là vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền và vô cùng hữu dụng trong quân sự

Có lẽ mọi người đều thấy việc dùng bao cát để chắn đạn là điều quá ư hiển nhiên, chẳng có gì lạ cả. Thế nhưng một lần khi mình đang xem tivi thì vợ hỏi: "Tại sao viên đạn có thể phá được bê tông, đá, thép mà lại không đâm được qua bao cát? Vì sao khi dùng ngón tay ấn vào cát thì thấy rất dễ dàng, còn viên đạn đâm vào cát thì lại chẳng thể xuyên nổi?". Ừ, quả thật ngay lúc đó mình cũng chưa thể nào trả lời ngay để làm cho vợ thấy thuyết phục được, vì xưa nay vốn chẳng bao giờ thắc mắc "vì sao cát nó lại giỏi thế".

Xe tăng M4A3 Sherman với lớp chống đạn bằng những bao cát xếp quanh

Và bây giờ thì hy vọng lời giải thích như thế này sẽ là hợp lý:

Cát là một loại vật liệu đặc biệt mà người ta vẫn gọi là "phi Newton" (Non-Newtonian fluid). Thuộc tính của nó thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm của lực tác dụng lên nó. Khi ta tác động một lực nhỏ, ví dụ như ấn ngón tay vào cát thì cát lúc này sẽ giống như một chất rắn có mật độ thấp (hoặc chất lỏng) và từng hạt cát nhỏ bé sẽ từ từ nhích ra để “nhường đường” cho ngón tay đi qua. Thế nhưng nếu lực tác động có độ lớn và gia tốc đáng kể (viên đạn đang bay) thì các hạt cát không xô nhau ra kịp khiến cát bị nén lại. Khi đó cát lại phản ứng như một chất rắn – cản trở chuyển động của viên đạn và giữ nó lại.

Cát và bột ngô cùng phản ứng với lực tác động theo cách đặc biệt

Một thí nghiệm đơn giản mà các bạn có thể tự làm tại nhà: đổ bột ngô vào nước và khuấy lên. Nếu chỉ khuấy nhẹ, bột ngô và nước sẽ chuyển động giống như chất lỏng bình thường, nhưng khi khuấy mạnh lên thì chất lỏng ấy sẽ đặc sệt lại và mất nhiều sức hơn để khuấy. Thậm chí bạn còn có thể nặn khối dung dịch ấy thành một quả bóng bột ngô nếu tay bạn xoay đủ nhanh.

Chắc hẳn các bạn đã từng nghe qua về áo giáp chống đạn bằng chất lỏng STF – Shear Thickening Fluid? Bản chất của nó cũng giống như cát và dung dịch bột ngô vậy: trong điều kiện thường STF có trạng thái lỏng, thế nhưng khi bị khuấy động hay có lực tác dụng vào thì nó sẽ lập tức trở nên cứng lại chỉ trong vài mili giây.

Các phân tử sẽ liên kết chặt với nhau khi có lực tác động, và tách nhau ra khi ở trạng thái bình thường

Vật lý cấp 3 có nhiều bài về viên đạn bắn bao cát nhưng toàn chỉ hỏi về va chạm mềm như góc lệch, khi nào đứt dây,... còn không thấy lý giải vụ vì sao bao cát chắn được đạn. Hãy cùng nhau nhớ lại định luật 3 Newton: Đối với mỗi lực tác động bao giờ cũng có một phản lực cùng độ lớn, nói cách khác, các lực tương tác giữa hai vật bao giờ cũng là những cặp lực cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều và khác điểm đặt.

Định luật 3 Newton về lực và phản lực

Hiểu một cách nôm na thì khi hai vật, A và B, tương tác, thì lực do A tác dụng lên B bằng về độ lớn với lực do B tác dụng lên A, nhưng hai lực tác dụng ngược chiều nhau. Suy rộng ra: trong tương tác, A làm thay đổi động lượng của B bao nhiêu thì động lượng của A cũng bị thay đổi bấy nhiêu theo chiều ngược lại.

Viên đạn bắn trúng bao cát, và bao cát cũng sinh ra một lực tương đương tác động lên viên đạn để ngăn nó lại. Nếu không có bao bên ngoài thì cát sẽ bay theo mọi hướng. Chính chiếc bao có tác dụng giữ cho cát không bị rời nhau ra, và mỗi khi một viên đạn xuyên vào thì lập tức cát lại lấp luôn lỗ đạn, khiến cho hàng rào bao cát tồn tại được lâu. Và cát đã biến cơ năng của viên đạn gần như hoàn toàn thành nhiệt, đó là lý do tại sao chúng ta thấy những chỗ trúng đạn trên bao cát lại nóng lên.

Thử nghiệm đạn đạo với bao cát

Ngón tay ta có thể đâm qua cát là bởi vì chuyển động của ngón tay không sinh ra nhiều năng lượng, do đó lực phản hồi do cát sinh ra cũng không lớn. Giả thử bạn luyện được thần công Nhất Dương Chỉ như Nhất Đăng Đại Sư chẳng hạn, khi đó hãy thử chọc ngón tay vào bao cát ở vận tốc 300 m/s – lúc này ngón tay của bạn sẽ chẳng thể xuyên qua bao cát được nữa đâu.

Còn nếu ta dùng tay ấn một viên đạn vào bao cát thì liệu nó có xuyên qua không? Có, chắc chắn là có. Bởi vì lực ấn của tay ta cũng không khác nhiều so với khi ta ấn ngón tay, và do đó cát cũng ít gây ra lực cản hơn.

Điều tương tự cũng xảy ra đối với nước. Bạn nhảy xuống nước từ con thuyền hoặc trên thành bể bơi thì cả người sẽ chìm trong nước dễ dàng, và nước sẽ bắn tung tóe lên. Mọi việc sẽ tồi tệ hơn rất nhiều khi bạn rơi xuống nước từ độ cao lớn: nước không kịp xô nhau ra để “tránh” bạn, và bạn sẽ bị thương không khác gì bị rơi lên mặt bê tông cứng.

Từ từ thì đi mới được, còn chạy thục mạng thì không thể thoát khỏi đám đông này đâu

Còn nếu tới đây mà vợ vẫn còn thấy lăn tăn thì xin mạn phép lấy ví dụ: nếu ai đã từng đi xe buýt giờ cao điểm hay ở trong biển người đêm Noel nơi Bờ Hồ Hoàn Kiếm thì cũng dễ hình dung ra: Bạn có thể chầm chậm len lỏi, lách người này, tránh người kia để thoát khỏi đám đông chứ không thể cứ hùng hùng hổ hổ cắm đầu cắm cổ chạy “liều mình như chẳng có”.