Quả cầu tình cờ đã "phá vỡ" các định luật vật lý

Sự thật là, một trong những hiện tượng vật lý hỗn loạn nhất thế kỷ 20 đã bắt đầu tại một văn phòng yên tĩnh ở California vào năm 1964. Nhà hóa học Norman Stingley nhìn chằm chằm vào một quả cầu nhỏ, tối màu nằm trên bàn làm việc của mình. Ông vừa mới ép một loại polyme tổng hợp dưới áp suất lên tới 3500 pound trên mỗi inch vuông.

Khi ông nhẹ nhàng thả quả cầu xuống sàn, nó không chỉ đơn thuần là nảy lên. Nó bắn tung tóe một cách dữ dội lên trần nhà, va vào tường và suýt chút nữa đã làm vỡ một ô cửa sổ.

Stingley đã vô tình tạo ra một loại vật liệu có tỷ lệ nảy lên tới 0,86, một con số chưa từng có tiền lệ. Điều này có nghĩa là nó giữ lại tới 86% động năng sau mỗi lần va chạm. Để dễ hình dung, một quả bóng tennis tiêu chuẩn chỉ trả lại chưa đầy 60% năng lượng. Quả cầu tối màu nhỏ bé này thực tế giống như một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu.

Sai lầm thách thức trọng lực

Trong thế giới vật lý, hệ số phục hồi (coefficient of restitution) đo lường mức độ năng lượng mà một vật thể giữ lại khi va chạm với một bề mặt. Một vật thể có chỉ số 1,0 sẽ nảy mãi mãi trong môi trường chân không. Hầu hết các vật thể rắn đều hấp thụ năng lượng va chạm, chuyển hóa nó thành nhiệt và âm thanh.

Vật liệu của Stingley, sau này được đặt tên là Zectron, đã từ chối hấp thụ năng lượng đó. Thay vào đó, nó phản lực lại mặt đất một cách mạnh mẽ.

Khi Stingley trình bày nguyên mẫu cho cấp trên tại Công ty Cao su Bettis, họ đã hoàn toàn kinh hãi. Họ từ chối sản xuất nó. Họ nhìn thấy ở đó một vật thể ném bị nén cực độ, không thể kiểm soát, có thể dễ dàng làm gãy xương hoặc phá hủy những máy móc đắt tiền.

Nhưng đợi đã - nếu nó chỉ là một quả bóng nảy, tại sao các giám đốc điều hành lại nghĩ rằng nó là một mối nguy hiểm lớn?

Câu trả lời nằm ở độ xoáy không thể đoán trước. Độ ma sát cực lớn của polyme đồng nghĩa với việc bất kỳ độ xoáy nào tác động lên quả cầu cũng sẽ khiến nó bật ngược lại ở những góc độ kỳ dị và bất thường. Bạn không thể kiểm soát được nó sẽ bay đi đâu một khi nó rời khỏi tay bạn.

Một cơn ác mộng toán học

Thả quả cầu này trong một căn phòng kín giống như kích hoạt một quả bom động năng. Chỉ cần một cú ném mạnh, vật thể này có thể nảy liên tục trong hơn một phút. Áp lực vật lý cực lớn từ việc kìm hãm lượng năng lượng đó khiến các nguyên mẫu đầu tiên thường có xu hướng tự “xé xác” mình. Vật liệu sẽ bị rạn nứt từ trong ra ngoài ngay cả khi chỉ đang nằm yên trên bàn.

Chúng ta thường thấy những sai sót nhỏ trong vật lý dẫn đến những hậu quả to lớn như thế nào. Bạn có thể đọc về việc một sơ suất nhỏ dẫn đến Một lỗi toán học trị giá 125 triệu đô la ẩn ngay trước mắt để hiểu các giới hạn kỹ thuật thực sự mong manh đến nhường nào. Quả cầu của Stingley đã chạm đến chính những giới hạn đó.

Vì công ty của chính mình không muốn dính dáng gì đến loại polyme nguy hiểm này, Stingley đã mang hiện tượng nảy 0,86 của mình đến một công ty đồ chơi tên là Wham-O.

Sự ra đời của một cơn sốt

Các giám đốc điều hành tại Wham-O không hề sợ hãi một chút hỗn loạn. Họ không coi những cú nảy dữ dội, điên cuồng là mối nguy hiểm, mà coi đó là một tính năng độc đáo. Họ đặt tên cho phát minh này là Super Ball (Siêu bóng).

Nó ngay lập tức trở thành một hiện tượng toàn cầu. Đến năm 1965, công ty đã sản xuất gần 170.000 quả cầu hỗn loạn này mỗi ngày. Hàng triệu người đột nhiên được tiếp cận với một sản phẩm vật lý cực hạn. Các báo cáo tràn ngập về đèn bị vỡ, xe hơi bị móp và những khuôn mặt bị bầm tím. Đó là một món đồ chơi hành xử như một thiên thạch nhỏ bé và thất thường.

Đôi khi, những đột phá khoa học không diễn ra trong các phòng thí nghiệm vô trùng với kinh phí hàng triệu đô la. Chúng xảy ra vì ai đó đã nén cao su rẻ tiền cho đến khi nó phá vỡ các quy tắc vật lý thông thường. Chúng ta thường thấy tinh thần thực nghiệm thô mộc này, tương tự như câu chuyện về Con tàu tự chế đã phá vỡ bầu trời.

Giới hạn cực độ của tính đàn hồi

Ngày nay, khoa học vật liệu đã tiến xa hơn nhiều so với công thức Zectron ban đầu. Tuy nhiên, tỷ lệ nảy 0,86 đó vẫn là một tiêu chuẩn huyền thoại cho tính đàn hồi cực hạn trong các sản phẩm thương mại.

Các kỹ sư thường dành cả sự nghiệp để cố gắng giảm chấn rung động và hấp thụ va chạm. Stingley đã làm điều ngược lại hoàn toàn. Ông đã nắm bắt động năng thuần túy và giam cầm nó bên trong một nắm cao su tổng hợp.

Nếu một thí nghiệm hóa học đơn giản năm 1964 có thể tạo ra một vật liệu trả lại gần 90% năng lượng, điều gì sẽ xảy ra khi ai đó tạo ra một vật liệu trả lại 99%? Liệu chúng ta có thể cầm nó trên tay một cách an toàn không?