Người nằm trên bàn đinh là một màn biểu diễn kinh điển thường được các gánh xiếc, lò võ và đôi khi cả quân đội sử dụng để phô trương sức mạnh. Thông thường, màn diễn này được khuyến cáo là rất nguy hiểm, chỉ những người đã tập luyện chuyên nghiệp, đến mức "mình đồng da sắt" mới có thể thực hiện được nó.
Chẳng vậy mà bất cứ khi nào chiếc bàn cắm đầy đinh nhọn được đem ra cho công chúng nhìn tận mắt sờ tận tay, nhạc hiệu hùng hồn lại nổi lên và các võ sư đều ra vẻ mặt nghiêm trọng lắm.
Người biểu diễn sẽ làm các động tác vận công, la hét và lên gân lên cơ trước khi nằm xuống chiếc bàn đinh nhọn. Sau đó, một người trợ diễn sẽ đặt thêm lên ngực anh ta một hòn đá lớn. Để chứng minh cho sức mạnh của người đang nằm trên đinh nhọn, người trợ diễn sẽ lấy ra một cái búa tạ và đập rất dứt khoát vào tảng đá.
Khi tảng đá vỡ tan cũng là lúc các tràng vỗ tay nổi lên. Người nằm trên đinh nhọn lúc này mới có thể thở phào ngồi dậy, rũ bỏ vẻ mặt nghiêm trọng đầy lo lắng trước đó.
Nhưng Rhett Allain, một phó giáo sư vật lý tại Đại học Southeastern Louisiana nghĩ rằng các võ sư không cần thiết phải lo lắng quá. Màn biểu diễn này thực chất không quá nguy hiểm như chúng ta tưởng tượng, bởi luôn có 2 công thức vật lý làm nhiệm vụ chống lưng cho họ.
"Mặc dù tôi không biết nhiều về võ thuật, nhưng tôi biết chút ít về vật lý", ông nói. "Vì vậy tôi sẽ giải thích cách thức hoạt động của nó".
Bàn đinh, áp lực và lực
Ai trong chúng ta cũng biết khi nhấn tay vào một bức tường cứng, tay chúng ta không thể xuyên qua đó. Cùng lắm thì cái tường cũ kỹ sẽ lún vào một chút. Nhưng nếu bạn dùng một chiếc đinh và một chiếc búa, cùng một lực tác động đó và bạn có thể đâm chiếc đinh cắm ngập vào trong.
Điểm khác biệt ở đây không phải là lực, mà là áp lực. Áp lực hay áp suất được tính bằng lực tác động lên một đơn vị diện tích. Nếu lực được đo bằng đơn vị Newton và diện tích bằng mét vuông, thì áp suất sẽ tính bằng N/m2. Chúng ta quy ước với nhau đó là 1 Pa (Pascal).
Bây giờ, hãy xem liệu bạn có thể ước tính sự khác biệt của áp lực đặt lên tường khi tác dụng lực đẩy bằng tay không, so với khi đóng đinh. Tôi đã đo kích thước bàn tay của mình, và nó gần bằng một hình chữ nhật có kích thước khoảng 8 x 15 cm. Tính ra, diện tích tác động là 0,012 m2.
Tiếp đó, hãy giả sử tôi có thể đẩy vào tường với lực 100 N. Theo công thức tính dưới đây, áp lực tôi vừa tác động lên tường qua tiết diện bàn tay sẽ là 8,333 Pa.
Trong trường hợp một chiếc đinh thì sao? Chúng ta đều biết diện tích đầu nhọn của nó rất nhỏ. Cứ thử giả sử đó là một hình tròn bán kính 1 mm. Tính ra, diện tích của một đầu đinh chỉ là 7,85 x 10-7 m2. Vậy thì với cùng một lực đẩy 100 N, nó sẽ tạo ra một áp lực 1,27 x 108 Pa. Đó là một sự chênh lệch tới 650 triệu lần.
Vậy nên, bạn có thể dễ dàng tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc bàn trong màn trình diễn chỉ có 1 cái đinh. Chắc chắn, nó sẽ đâm xuyên qua người bạn.
Vật lý thú vị là ở chỗ, nó làm cho một chiếc bàn đinh có nhiều đinh nhọn hơn, trông thì ghê gớm hơn đấy, nhưng thật ra lại an toàn hơn. Nguyên lý làm việc của áp lực là càng có nhiều đinh nhọn, bạn càng có diện tích tiếp xúc lớn hơn và áp lực sẽ giảm đi.
Công việc lúc này là chỉ cần tính toán xem: Bạn cần bao nhiêu chiếc đinh trên đó để đảm bảo an toàn?
Một nghiên cứu trên tạp chí y khoa Hippokratia cho biết: Để có thể làm thủng da người, trung bình, bạn cần sử dụng một áp lực khoảng 100 psi (đổi ra là 689.000 Pa). Giả sử bạn nặng 75 kg, nếu nằm xuống, áp lực bạn đặt lên mặt phẳng sẽ là 750 N.
Bây giờ, mục tiêu của chúng ta là phải giàn đều lực đó lên một số lượng đinh đủ để giảm áp lực xuống dưới 100 psi.
Với diện tích bề mặt tối thiểu là 1,1 x 10-3 m2 và ước tính về diện tích của một đầu đinh phía trên, tôi có thể tính toán số lượng đinh cần thiết cho một chiếc bàn an toàn. (Tôi sẽ sử dụng áp suất theo đơn vị Pascal).
Tính toán cho ra một con số: 1.394 chiếc— con số này thực ra không phải là nhiều. Một ô vuông 40 x 40 cm đã có thể cắm 1.600 chiếc đinh, và chỉ cần thế thôi đã đủ để bạn ngăn chặn vết thủng trên da mình.
Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu bạn thay thế những chiếc đinh bằng một đống kính vỡ? Thực ra chẳng có gì khác nhau cả. Chắc chắn, thủy tinh có thể sắc hơn đinh một chút, nhưng chúng cũng có một số bề mặt phẳng. Miễn là diện tích tiếp xúc đủ lớn, những tấm kính sẽ không làm ai bị thương.
Tóm lại, màn trình diễn này chẳng có gì bí mật. Bạn chẳng cần phải là một người "mình đồng da sắt", chỉ cần những nguyên tắc vật lý còn làm việc trên thế giới này là được.
Màn đập đá, khối lượng và gia tốc
Bây giờ, chúng ta hãy chuyển sang phần kịch tính tiếp theo của cuộc biểu diễn. Khi có thêm một tảng đá được đặt lên người đang nằm trên bàn đinh và rồi một người khác dùng búa đập vỡ nó.
Bài học vật lý quan trọng ở đây liên quan đến định luật thứ hai của Newton: Mối quan hệ giữa lực thuần đặt lên vật thể (Fnet), khối lượng của vật thể (m) và gia tốc của vật thể (a). Chúng ta có thể biểu diễn điều này dưới dạng công thức như sau:
Gia tốc của một vật cho bạn biết vận tốc của vật đó thay đổi như thế nào. Vì vậy, nếu vật chỉ đứng yên, thì vận tốc sẽ luôn bằng 0, gia tốc sẽ bằng 0. Tuy nhiên, ngay cả khi vật thể đang chuyển động, nó vẫn có thể có gia tốc bằng 0, miễn là vận tốc của nó không thay đổi.
Trong trường hợp vật đang tăng tốc độ thì gia tốc của nó sẽ có giá trị dương. Ngược lại khi một vật chuyển động chậm dần đều thì nó có gia tốc âm.
Hãy xét một ví dụ, giả sử có hai người đang đứng trên một tấm ván trượt, một người là người lớn nặng 80 kg, người còn lại là một đứa trẻ nặng 40 kg. Nếu tôi đẩy người lớn với một lực 80 N, nó sẽ tạo ra gia tốc 1m/s2. Nếu tôi đẩy đứa trẻ với cùng một lực đó thì gia tốc sẽ gấp đôi (2 m/s2), vì khối lượng của đứa trẻ chỉ bằng một nửa khối lượng của người lớn.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tôi ấn vào thứ gì đó với một lực siêu lớn, giống như loại mà bạn sẽ nhận được từ tác động của một chiếc búa tạ? Hóa ra, lực lớn bao nhiêu không quan trọng: Các vật có khối lượng lớn hơn sẽ luôn có gia tốc nhỏ hơn (với cùng một lực tác dụng).
Xét thêm một ví dụ nữa, một thí nghiệm vật lý vui mà bạn có thể làm thử ở nhà (ồ, nó an toàn hơn nhiều so với việc nằm trên bàn đinh với một tảng đá và chiếc búa tạ). Lấy một vật có khối lượng đáng kể — thứ gì đó giống như một chai nước đầy. Bây giờ hãy lấy hai đoạn dây hoặc sợi chỉ, thứ gì đó đủ để bạn có thể dứt đứt nó.
Treo vật thể lên bằng đoạn dây đó, đồng thời buộc một đoạn dây khác phía bên dưới để nó lủng lẳng như thế này:
Bây giờ, hãy kéo đoạn dây ở dưới. (Hãy nhớ rằng loại dây bạn chọn là loại dây khá yếu). Bạn có thể đoán dây nào sẽ đứt khi bạn kéo hay không?
Câu trả lời tùy thuộc vào tốc độ bạn kéo nó.
Nếu bạn kéo dây phía dưới rất chậm, dây phía trên sẽ bị đứt, vì nó phải chịu trọng lượng của vật treo và cả lực kéo xuống của bạn.
Tuy nhiên, nếu bạn kéo dây phía dưới bằng một động tác giật thật nhanh, nó sẽ bị đứt. Điều này là do vật thể đang treo kia có khối lượng – hãy nhớ lại rằng chúng ta rất khó gia tốc một vật có khối lượng.
Điều này có nghĩa là vật nặng không thực sự di chuyển ngay lập tức khi bạn giật mạnh sợi dây, và do đó đoạn dây phía trên trong một khoảnh khắc chưa bị lực giật của bạn tác động tới. Đó là lý do nó không đứt như khi bạn kéo dây từ từ.
Điều này nghe có vẻ điên rồ, nhưng đó là sự thật. Đó là cách kỳ diệu mà vật lý đang hoạt động.
Thú vị là những gì xảy ra đối với lực kéo cũng xảy ra với lực đẩy. Có lẽ bạn cũng đã suy ra được câu chuyện với khối đá giữa ngực người nằm trên bàn đinh rồi. Cứ thử giả sử không có khối đá đó đi, một cú nện búa tạ trực tiếp vào ngực võ sư đang nằm trên bàn đinh có thể khiến anh ấy bị thương nặng.
Nhưng cộng thêm một viên đá thì lại khác. Nó vừa đánh lừa thị giác khiến bạn tưởng chừng màn trình diễn ấn tượng hơn, nhưng hóa ra lực cái búa tác động lên người đàn ông lại bị chính tảng đá đó hấp thụ hết.
Lực này có thể làm vỡ tảng đá nhưng thực ra chính khối lượng của tảng đá lại đóng vai trò làm chậm gia tốc, ngăn không cho chiếc búa tác động được vào ngực người đàn ông. Bây giờ, cũng giống như thí nghiệm với sợi dây và chai nước:
Nếu bạn chỉ đơn thuần đặt búa xuống và nhấn lên tảng đá, đẩy nó từ từ và chầm chậm đè xuống, than ôi, võ sư nằm trên bàn đinh có thể sẽ bị thương. Bởi lúc này cả trọng lượng viên đá và lực tác động thêm từ búa sẽ đè lên anh ta.
Vì vậy, mặc dù chúng ta không thể phủ nhận những võ sư này rất khỏe mạnh và họ đã được đào tạo cũng như luyện tập chăm chỉ, cần phải nói rằng màn trình diễn nằm trên bàn đinh thực sự không quá ấn tượng dưới lăng kính vật lý.
Bất cứ ai trong số chúng ta cũng có thể làm được điều tương tự, chỉ cần một vài công thức và một chút tính toán. Vậy nên, các võ sư cũng không cần quá lo lắng khi trình diễn nó.
