Dùng chút kiến thức vật lý đơn giản, chúng ta có thể tính được khiên Captain America nặng bao cân

Ngoài chiếc búa Mjolnir của Thor, chiếc khiên của Captain America có lẽ là món vũ khí nổi tiếng nhất thế giới phim Marvel.

Chiếc khiên cũng thật xứng đang được nhận sự tôn vinh từ fan hâm mộ. Mặc dù là một sản phẩm phát minh ra từ hàng thập kỷ trước, chiếc khiên có khả năng chống chọi với những công nghệ chiến đấu hiện đại như tia năng lượng của Iron Man và thậm chí là những vũ khi phép thuật như chiếc trượng của Loki hay chiếc búa của Thor.

Chiếc khiên dù không kén chọn người sở hữu nó như chiếc búa sấm sét Mjolnir, sử dụng được chiếc khiên cũng đòi hỏi đến một mức độ “xứng đáng” nào đó về thể chất. Vì theo tính toán cụ thể dựa vào cảnh quay, chiếc khiên không nhẹ như thoạt đầu nhìn thấy.

Dựa vào cảnh quay sau cùng với những công thức đơn giản về vận tốc, gia tốc, ma sát và công cụ phân tích video, ta có thể tính được ở một mức độ chính xác nào đấy khối lượng của chiếc khiên.

Captain America chạn trán với Winter Soldier, đối thủ có khả năng sử dụng chiếc khiên không kém gì anh.

Để tính được khối lượng chiếc khiên, ta cần chia công việc ra làm ba phân đoạn.

1. Công thức tính tốc độ dội ngược của Captain America khi bắt được chiếc khiên từ tay Winter Soldier

Trong clip, Bucky (hay Winter Soldier) sau khi tóm được chiếc khiên lập tức phi chiếc khiên tới Captain America. Cú va chạm với chiếc khiên khiến cho Captain America bật ra đằng sau một đoạn. Và vì cảnh quay cho thấy rõ vị trí chân của Captain America khi đó, việc tính ra vận tốc của chủ nhân chiếc khiên sau cú va đập là hoàn toàn có thể.

Xét hình vẽ sau

F_friction là véc-tơ ma sát, x là trục di chuyển của đội trưởng Avengers tiến về phía trước..

Trong đó F_N là là véc-tơ lực đẩy lên và m_g là véc-tơ lực đẩy xuống, bằng với trọng lượng của Captain America. Vì Captain America không di chuyển lên và cũng không di chuyển xuống nên 2 véc-tơ này lớn bằng nhau và có chiều hoàn toàn ngược nhau.

Đặt tổng lực tác động theo chiều dọc là F_net-y ta có:

FN quan trọng vì công thức tính ra lực ma sát F_friction có công thức:

Trong đố μ_k là hệ số ma sát. Hệ số này phụ thuộc vào chất liệu bề mặt của 2 vật trượt trên nhau. Trong trường hợp này vật liệu kể đến có lẽ là đế giày quân sự và mặt đất bám cát bụi.

Một khi có chỉ số lực ma sát này, ta có thể tính ra được chỉ số gia tốc. Ta có v₂ ngược trục x là tốc độ trượt của Captain America sau cuộc va chạm, v₃ là tốc độ của “đội trưởng” sau khi đã trượt xong, nghĩa là khi đó anh đã dừng lại vì vậy v₃ = 0 m/s.

Gọi tổng lực di chuyển của Captain America theo chiều ngang là F_net-x, ta có:

Trong đó a là gia tốc gây ra bởi ma sát.

Sử dụng một trong những công thức cơ năng một chiều trong điều kiện gia tốc giữ nguyên ta có:

Trong công thức trên dấu âm “-” đại diện cho chiều ngược mà gia tốc gây ra trên trục x.

Như vậy ta có được công thức tính tốc độ của Captain America và khiên của anh sau cuộc va chạm.

2. Công thức xác định trọng lượng của chiếc khiên

Đây là bức hình thể hiện 2 véc-tơ ngược chiều nhau:

Vì cuối cùng cả Captain lẫn khiên của anh đều đưng im, ta có thể suy ra tổng lực về hai chiều là bằng nhau. Theo công thức tính động năng ta có:

Với hai lực ngược chiều nhau và xảy ra trong cùng một thời gian, ta có:

Đây là cách mà động năng được bảo toàn sau va chạm (trong một hệ thống kín hoặc những lực tác động bên ngoài không đáng kể):

Ngay trước cuộc va chạm, Captain America đứng hoàn toàn bất động, trong khi chiếc khiên di chuyển với tốc độ v₁. Sau cuộc va chạm, Captain America và chiếc khiên cùng di chuyển theo hướng chiếc khiên với tốc độ v₂. Vậy theo công thức động năng ta có:

Trong đó dĩ nhiên m_s là khối lượng chiếc khiên trong khi m_c là khối lượng Captain America. Vậy từ những công thức này ta có thể suy ra công thức cuối cùng tính khối lượng chiếc khiên:

Vậy ta có đủ công thức rồi, chỉ cần tìm thêm đạn để “nạp” vào rồi dùng máy tính bấm ra kết quả.

3. Truy tìm các giá trị, số liệu cần thiết để áp dụng vào công thức

Trước tiên, theo nguồn truyện tranh, ta có trọng lượng Captain America hay m_c là 100 kg.

Sử dụng phần mềm phân tích khung hình video cùng với thông tin về đường kính chiếc khiên là 0,76 m, ta có tốc độ bay của khiên trước khi va chạm với Captain America là 19,5 m/s.

May mắn đoạn clip cho thấy chân của của Captain America khi anh bị trượt về đằng sau khi đón lại chiếc khiên. Tiếp tục sử dụng bộ phần mềm ta có gia tốc di chuyển mà chiếc khiên gây nên là 3 m/s. Với gia tốc này ta có thể tính ra hệ số ma sát vào khoảng 0,3.

Thời gian trượt lên đến 1,08 giây, khá lâu. Và sử dụng công thức tính tốc độ ở bước 1 ta có:

Đây là tốc độ của cả Captain America và chiếc khiên sau va đập:

Các ẩn số đã được khám phá ra. Sử dụng công thức tại bước hai và các giá trị đã được tìm thấy ta có:

Tham khảo Wired