Usain Bolt có chạy nhanh hơn khủng long?
Bài báo mới “Would Usain Bolt Beat the Dinosaur Dilophosaurus Wetherilli in a 100-Meter Race” (Usain Bolt có thể đánh bại khủng long Dilophosaurus Wetherilli trong cuộc thi 100 m không?) của giáo sư vật lý Scott Lee tại trường đại học Toledo đủ sức gây tò mò cho nhiều người.
T rex là một nhà đi bộ cừ khôi.
Với mỗi học kỳ mới, hàng ngàn sinh viên được giới thiệu môn vật lý. Tuy nhiên có một vấn đề cố hữu là làm sao đủ sức giữ cho sinh viên gắn kết với những giờ học nặng về toán học này. Scott Lee là một giáo sư đã phát triển nhiều cách học để giúp sinh viên hứng thú với chủ đề này. Bài báo mới của ông, được xuất bản trên The Physics Teacher của nhà xuất bản AIP, đã đặt ra câu hỏi: Usain Bolt có chạy nhanh hơn một con khủng long nặng 900-pound? 1
Bài tập này bắt sinh viên phải ứng dụng các khái niệm về chuyển động học một chiều – sự dịch chuyển, tốc độ, vận tốc và gia tốc – để xác định liệu nhà chạy nước rút người Jamaica có thể đánh bại khủng long Dilophosaurus wetherilli trong cuộc đua tốc độ bằng bảng tính. “Một vấn đề lớn trong giảng dạy vật lý là tạo ra cho sinh viên sự hứng thú với giờ giảng”, Lee nói. “Những bài toán khủng long đó thực sự hấp dẫn được rất nhiều sinh viên”.
Sự quan tâm của Lee với các con khủng long bắt đầu từ việc phát hiện ra hóa thạch khủng long từ khi còn nhỏ. Những năm trưởng thành, sau khi khám phá ra một cuốn sách đại chúng về vật lý trong chuyển động của khủng long với con gái mình, ông đã phát triển một khóa học cho những vấn đề phi khoa học dựa trên những con khủng long.
“Có một số các vấn đề vật lý, theo thời gian, có thể đem lại một khóa học chỉ vì người ta thấy những con khủng long thật thú vị”, ông nói. ‘Tôi đã nhận ra là những vấn đề của vật lý có thể tạo hứng thú để tìm hiểu các ví dụ về các nguyên tắc của vật lý liên quan đến khủng long”.
Để tạo ra những bài tập nhập môn vật lý theo cách như vậy, Lee cần tìm được cách “khai thác” khủng long đúng theo yêu cầu của mình. Sinh viên có thể ghi nhận được loài Dilophosaurus từ cuốn tiểu thuyết Công viên Kỷ Jura và cuốn phim cùng tên, nơi mà đã có nhiều chi tiết hư cấu về việc trộm phôi, DNA khủng long.
Các nhà khoa học cũng từng bị thu hút về việc tính tốc độ chạy tối đa của khủng long, cụ thể là Tyrannosaurus rex. Ví dụ năm 2002, họ đã xây dựng một mô hình toán học để đo cơ bắp chân cần thiết để có thể chạy nhanh hơn 40 km/h). Phần lớn nghiên cứu đều áp dụng trên rất nhiều phương pháp, tạo ra một phạm vi tốc độ tối đa có thể cho T. Rex, từ 16-24 km/h cho đến 72 km/h. Tính ra trung bình tốc độ tối đa vào khoảng 32 km/h.
Một nghiên cứu năm 2017 đã đề xuất tốc độ chạy của T. Rex là 27 km/h và kết luận là con vật sẽ bị khai thác cạn kiệt năng lượng khi đạt tới tốc độ tối đa. Một nghiên cứu khác cũng trong năm 2017 cho thấy T. Rex có lẽ không thể lúc nào cũng chạy nhanh, vì bất kỳ tốc độ nào trên 18 km/h cũng có thể làm nó gãy xương chân. Phân tích này có thể loại trừ khả năng chạy của những khủng long khổng lồ như Giganotosaurus và Mapusaurus (không có dấu vết hóa thạch nào cho thấy bằng chứng là loài động vật chân đốt lớn này có thể chạy).
Nhưng thật kỳ lạ là bất chấp kích thước to lớn của mình, T. Rex lại nhanh nhẹn một cách đáng ngạc nhiên, theo một nghiên cứu năm 2019. Nhờ có quán tính quay thấp và các sợi cơ chân lớn, T. Rex có thể có khả năng quay nhanh – có lẽ thực hiện được cả một cú xoay tròn trên một chân như vũ công ba lê.
T. Rex cũng là một tay đi bộ cừ khôi, theo một phân tích năm 2020 về tỉ lệ chân, khối lượng cơ thể và dáng đi của 70 loài chân đốt. Một nghiên cứu năm 2021 ước tính, tốc độ đi bộ của nó là 4,6 km/h.
Do có vấn đề về xương nên T. Rex không có lợi thế khi chạy. Và khi ước tính tốc độ cao nhất của nó khi chạy là 18 km/h cũng sẽ thấp hơn so với 43 km/h mà Bolt đạt được trong cuộc đua đạt tốc độ cao nhất của mình. Đây là lý do vì sao Lee lại chọn Dilophosaurus cho cuộc chạy đua tưởng tượng của mình. “Tốc độ chạy tối đa của các con khủng long khác biệt một cách đáng kể với tốc độ trung bình của Usain Bolt nên do đó không thể tạo ra một cuộc chạy thi thú vị”, ông nói. “Thật đáng buồn là con khủng long Tyrannosaurus rex nổi tiếng được tin là chậm hơn cả Usain Bolt”.
Trong bộ phim Công viên kỷ Jura, Dilophosaurus cao 1,2 mét còn trên thực tế, nó có thể cao tới 3 mét. Dù trên màn ảnh, nó có cả diềm cổ mở rộng, tạo cảm giác đáng sợ khi tấn công nhưng trên thực tế, nó có hai cái mào trên đỉnh đầu – tên của loài này có nghĩa là “thằn lằn hai mào”. Các nhà cổ sinh vật học tin là Dilophosaurus dài 7 mét và nặng 400 kg.
Để giải quyết bài toán này, phải thảo luận về định luật thứ hai của Newton, nơi gia tốc được xác định bằng việc kết hợp khối lượng và lực. Việc “nhỏ con” hơn so với khủng long mà Bolt có được lợi thế ban đầu. Tính toán của Lee và học trò cho thấy gia tốc ban đầu 4,19m/s2 cho Dilophosaurus, thấp hơn gia tốc ban đầu của Bolt. Do gia tốc được xác định bằng khối lượng và lực nên việc nhỏ hơn khủng long có thể đem lại lợi thế ban đầu cho Bolt và đảm bảo là Dilophosaurus không thể bắp kịp nhà vô địch tốc độ Jamaca. Phần lớn gia tốc của Bolt xuất hiện ở bốn giây đầu tiên của cuộc đua khi anh đạt đến vận tốc tối đa của mình. Lee phân tích, nó tương đồng với cơ chế sinh học của con sư tử gia tốc để bắt kịp con mồi chạy nhanh hơn.
Và cuối cùng, Bolt đã tận dụng định luật thứ hai của Newton và gia tốc của mình để cho Dilophosaurus “hít bụi” tới hai giây. “Sự thật là vận tốc trung bình của Usain Bolt trong cuộc thi 100 mét đã đạt tới vận tốc tối đa của Dilophosaurus, điều đó có nghĩa là Usain Bolt sẽ giành thắng lơi trong cuộc đua với khủng long”, Lee viết.
Lee hi vọng bài báo của mình sẽ truyền cảm hứng cho các nhà vật lý khác suy nghĩ vượt ngoài khuôn khổ để đón nhận thêm những sinh viên mới thích thú về các bài toán mà vật lý có thể nghĩ đến và giải quyết.
Nhàn Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2022-03-physics-pits-usain-jurassic-dinosaur.html
——————————
1. https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/5.0041057
