Nhà vật lý và con mèo ‘tiết lộ’ phương trình chuyển động của mèo

Trong thời đại mạng truyền thông xã hội, người ta vẫn còn nghi hoặc về việc con vật nào là ngôi sao của thế giới loài vật. Những con mèo lấn át trên màn hình hơn các con vật chị em của chúng, sư tử chúa tể của vùng savanna. Nhờ có Erwin Schrödinger, loài mèo có một vị trí danh dự trong lịch sử vật lý. Và Eme, con mèo của nhà vật lý Anxo Biasi, nhà nghiên cứu ở Viện Vật lý năng lượng cao (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías IGFAE), được nghiên cứu và đưa vào một bài báo trên tạp chí American Journal of Physics.

Trong bài báo này, Anxo trình bày phương trình chuyển động của mèo. “Bài báo này nhằm mục đích đem vật lý tới gần hơn những người không chuyên, mở ra một ví dụ thú vị để có thể hiểu được nhiều khái niệm cơ học cổ điển. Để làm được như vậy thì cần xây dựng một phương trình biểu diễn hành vi của một con mèo trước mặt một người, coi mèo như một hạt điểm chuyển động trong trong một điện thế do người tạo ra”, anh kết luận.

Giải thích vật lý với mèo

Anxo gần đây đã tham gia IGFAE, trung tâm hợp tác của trường đại học Santiago de Compostela (USC) và chính quyền vùng Galicia (Tây Ban Nha), thông qua chương trình Nhà nghiên cứu trẻ của La Caixa, từ Khoa Vật lý trường École Normale Supérieure de Paris.

Tại IGFAE, nơi Anxo hoàn thành luận văn tiến sĩ, anh sẽ phá triển tuyến nghiên cứu về các phương trình tiến hóa phi tuyến, tại giao điểm giữa vật lý và toán học, tham gia vào Lý thuyết dây cũng như nhóm nghiên cứu ở lĩnh vực liên quan.

Ý tưởng cho bài báo là do anh muốn “truyền thông vật lý theo một cách thú vị, khiến cho nó trở nên thu hút hơn với sinh viên”. Và vì vậy, ở mức độ nào đó thì cuối cùng nó được mở rộng từ một trò đùa thành một hình thức học thuật.

“Điều này khởi đầu như một ý tưởng khôi hài cho Ngày Cá tháng tư, được truyền cảm hứng từ những bài báo hài hước của một số nhà khoa học. Tuy nhiên, tôi sớm nhận ra là câu chuyện tôi tạo ra có thể hữu dụng vô cùng với sinh viên vật lý. Câu chuyện mang tính khái niệm cao nhưng lại có thể được giới thiệu theo một cách hài hước bằng việc sử dụng một ví dụ làm dấy lên sự tò mò cao độ: một con mèo!”.

Phương trình chuyển động của mèo xây dựng như thế nào?

Anxo khởi động từ bảy động lực, hoặc các mẫu hình, được lấy từ trải nghiệm hằng ngày với Eme, và sử dụng giả thuyết “liệu mèo hành xử như thế nào khi chúng nhận một lực từ người xung quanh”.

Theo cách này, bài báo miêu tả bảy lực đã được mô hình hóa, như một phép tính xấp xỉ thứ nhất, bằng việc xem xét con mèo như một điểm hạt tuân theo cơ học Newton.

Con mèo đón nhận ‘một lực’ liên quan đến một điện thế từ bên ngoài (do sự hiện diện của một người) nơi x(t) ∈ R tái hiện vị trí của con mèo tại thời điểm t với người tại x = 0. Do đó, m > 0 là khối lượng của mèo, và ϵ > 0 là hệ số ma sát để xem xét độ mỏi của mèo. Kết quả là một phương trình:

Khởi động từ công thức này, và thông qua phân tích chuyển động mèo, có thể chứng tỏ cách các phương trình tự đó được cấu trúc.

“Công trình này đã biểu diễn, theo một cách rất vui, quá trình tinh thần theo sau trong cấu trúc các mô hình vật lý, vốn hiếm khi được nêu chi tiết trong các cuốn sách. Ví dụ, các mẫu hình chuyển động (hoặc không chuyển động) được phân tích, khai thác từ sự thật là các con mèo có xu hướng không tiến lại khi được gọi, dễ bị mất tập trung, hoặc có xu hướng ở lâu hơn trong lòng người chúng yêu thích”.

Tất cả các tính toán được tiếp cận theo một cách hài hước. “Chúng ta không phải lúc nào cũng cần giải quyết những vấn đề sâu sắc nhất và những bí ẩn thách thức nhất trong vũ trụ này; thi thoảng chúng ta có thể chỉ cần thư giãn và sử dụng sức mạnh của vật lý để giải thích các vấn đề của cuộc sống hằng ngày – điều đó thật sự vui”, Anxo nói.

Theo cách này, “mô hình tương tác mèo – người đã mang vật lý đến gần hơn với người ngoài lĩnh vực, thể hiện thông qua một tình huống quen thuộc và khơi gợi tò mò về nguyên nhân đằng sau việc xây dựng các mô hình vật lý”, anh kết luận.

Phân tích tiếng gừ gừ và sự bùng nổ năng lượng

Bài báo tập trung phân tích các đặc điểm tiếng gừ gừ của mèo. Anh đề xuất, phản ứng này là một cơ chế có tính bền nhằm phản hồi với sự tương tác giữa mèo và người nó ưa thích.

“Khi một con mèo được vuốt ve và bắt đầu kêu gừ gừ, con người thường có xu hướng nhận thấy sự thôi thúc tiếp tục vuốt ve, do đó tăng cường tính bền của quá trình này”.

Tính bền được củng cố bằng sự thật là sự thay đổi của ảnh hưởng của tiếng gừ gừ và cường độ vuốt ve theo thời gian của sự gắn kết giữa mèo và người.

Nghiên cứu này cũng xem xét các giai đoạn của hành động ngẫu nhiên điên loạn (Frenetic Random Activity Periods FRAPs) hoặc bùng nổ năng lượng đột ngột – mèo chuyển động với tốc độ lớn từ chỗ này sang chỗ khác, thông thường diễn ra trong đêm. Bài báo này đã thảo luận cách phương trình đòi hỏi một thành phần ngẫu nhiên để mô hình hóa các giai đoạn này, xây dựng thành công thức như một “ngoại lực”. Điều này tăng thêm một số ngẫu nhiên cần thiết để mô hình hóa “cơn bùng phát” ở mèo, vốn được mở rộng để chấp nhận đặc tính của mỗi người.

Hữu dụng trong giáo dục

Thêm vào cách tiếp cận hài hước này, Anxo nhấn mạnh rằng bài báo này “có xu hướng được sử dụng trong các chương trình giới thiệu về cơ học cổ điển, để biểu diễn hành vi phức tạp, tưởng chừng không liên quan có thể được giải thích bằng thứ vật lý đơn giản”.

Có thể làm được điều đó bằng “một loạt động lực dễ dàng hình dung, giảm đi sự trừu tượng” và được trình bày qua “một phương trình với những thuật ngữ khác nhau, có thể bao gồm các vấn đề cơ bản của cơ học cổ điển”.

Thanh Hương dịch từ Instituto Galego de Física de Altas Enerxías IGFAE

Nguồn: https://igfae.usc.es/igfae/equation-of-cat-motion/