Người chạy Giống Như Quả Bóng Nảy Như Thế Nào năm 2025?

Có rất nhiều vấn đề vật lý thực tế liên quan đến việc chạy. Nhiều nhà vật lý đã được truyền cảm hứng, ví dụ như tốc độ điên rồ của Usain Bolt. Hãy xem bài báo này, "Về hiệu suất của Usain Bolt trong cuộc đua 100 m" (Châu Âu Tạp chí Vật lý), trong đó tác giả nghiên cứu về chuyển động của Usain trong một cuộc đua của anh ấy.

Nhưng nếu bạn muốn xem xét nhiều hơn... việc chạy không thực tế? Hoặc mô phỏng việc chạy trong những tình huống bạn không nên thử nghiệm trong đời thực—như chạy bên hồ bơi? Để khám phá những tình huống này, bạn sẽ cần một mô hình vật lý cho việc chạy. Hãy nhớ rằng khoa học là về việc xây dựng mô hình, phải không?

Hãy tưởng tượng rằng tôi muốn xây dựng một mô hình hiển thị các khía cạnh thực tế sau đây của việc chạy:

• Một người chạy đạt đất và sau đó không còn chạm đất trong một phần chuyển động (cả hai chân đều không chạm đất).
• Một người chạy tăng tốc nhưng đạt đến một tốc độ tối đa nào đó.

Việc đặt một phương trình toán học cho chuyển động của người chạy khá dễ dàng. Nhưng nếu bạn muốn đi sâu hơn một chút so với chỉ một phương trình (để chúng ta có thể thay đổi mọi thứ)? Một ý tưởng phổ biến là giả sử có một lực ma sát đẩy con người về phía trước và một lực cản trở phụ thuộc vào vận tốc đẩy ngược lại chuyển động. Khi tốc độ của con người tăng lên, lực cản trở cũng tăng, cho đến khi bạn đạt được "tốc độ cực đại" nơi hai lực này cân bằng nhau.

Tôi không thích cách tiếp cận này (mặc dù bạn có thể làm cho nó phù hợp với dữ liệu khá tốt). Nếu khái niệm lực cản không khí thực sự là thứ giới hạn tốc độ chạy, thì có vẻ như bạn có thể chạy nhanh lên trên máy chạy đứng (không thể). Hơn nữa, gió đuôi sẽ cung cấp một đòn bẩy lớn (nó chỉ mang lại một đòn bẩy nhỏ). Cuối cùng, bạn có thể chạy ở tốc độ điên rồ trong một không khí hút chân không (ai biết về cái này).

Thay vì mô hình lực cản không khí khi chạy, tôi sẽ giữ các giả định sau đây:

• Một con người về cơ bản là một khối điểm chỉ là chuyển động ném đơn giản giữa các điểm tiếp xúc với mặt đất.
• Trong thời gian này nằm ngoài mặt đất, con người phải chuyển đổi vị trí chân (di chuyển chân sau về phía trước), và chuyển động này mất một lượng thời gian tối thiểu.
• Trong lúc tiếp xúc với mặt đất, con người chỉ có thể áp dụng một lực tối đa nào đó. Lưu ý, đây là từ một bài báo xuất sắc, "Giới hạn sinh học của tốc độ chạy được đặt ra từ dưới lên" (Tạp chí Sinh lý ứng dụng).
• Cũng từ cùng một bài báo, thời gian tiếp xúc với mặt đất phụ thuộc vào tốc độ chạy. Bạn chạy nhanh hơn, thời gian tiếp xúc với mặt đất càng ngắn.

Vậy tại sao mô hình này lại hoạt động? Hãy để tôi bắt đầu bằng một biểu đồ. Giả sử một con người đang chạy và tiếp xúc với mặt đất (không phải trong giai đoạn chạy).

Hãy đi qua các phần quan trọng của mô hình quả bóng nảy của một con người đang chạy. Giả sử quả bóng bắt đầu trên mặt đất và đang di chuyển một chút (hoặc chỉ đang rơi xuống—điều này không quan trọng). Khi nó chạm đất, phải có một lực hướng lên để thay đổi moment của quả bóng để nó không tiếp tục di chuyển xuống, mà thay vào đó bắt đầu di chuyển lên và nằm ngoài mặt đất một lần nữa. Tôi biết vận tốc thẳng đứng yêu cầu của quả bóng sau khi nó va chạm mặt đất vì quả bóng phải ở trong không trung trong một khoảng thời gian cố định (thời gian bước) để chân không có thể chuyển từ phía trước sang phía sau.

Có vẻ như tất cả đều tốt đẹp, nhưng đây là nơi mô hình đặt ra. Có một lực tối đa nào đó mà sàn có thể đẩy lên con người-quả bóng này, và có một khoảng thời gian tiếp xúc tối đa nơi lực có thể tác động lên quả bóng. Hãy để tôi nhắc nhở bạn về nguyên lý của động lượng.

Khi tốc độ chạy tăng lên, thời gian tiếp xúc giảm đi, có nghĩa là bạn cần một lực hướng lên lớn hơn để đưa quả bóng lên không. Vì có một lực tiếp xúc tối đa nào đó, lực hướng lên nhiều hơn có nghĩa là lực hướng về phía trước ít hơn để tăng tốc độ. Tại một điểm nào đó, thời gian tiếp xúc trở nên đủ nhỏ để toàn bộ lực phải ở hướng thẳng đứng để có đủ thời gian trong không trung. Sẽ không còn lực đẩy về phía trước nữa, và vận tốc ngang trở nên không đổi.

OK, bây giờ tôi sẽ xây dựng mô hình này. Tuy nhiên, tôi cần một vài dữ liệu. Những con số này có thể là ước lượng xấp xỉ hoặc dựa trên bài báo trong Tạp chí Sinh lý ứng dụng liên kết ở trên.

• Lực tối đa trên quả bóng là giữa 3 và 4 lần trọng lượng của người.
• Thời gian bước là khoảng 0.3 giây (thời gian chân ở trong không trung).
• Thời gian tiếp xúc với mặt đất phụ thuộc vào tốc độ. Tôi có một phương trình dựa trên thời gian tiếp xúc so với tốc độ từ bài báo trên (sử dụng dữ liệu thực).

Để mô hình hoạt động theo cách tôi muốn, tôi phải thêm một khía cạnh nữa vào mô hình của mình. Đối với lực ngang, chỉ có một phần của nó (chỉ 20%—lựa chọn ngẫu nhiên) được sử dụng để tăng tốc độ của con người-quả bóng. Tôi sẽ giả sử phần còn lại của lực ngang này được sử dụng để tăng tốc chân để chúng có thể di chuyển lên và xuống trong một chuyển động mà hầu hết mọi người gọi là "chạy."

Bạn đã đợi đủ lâu; đây là mã nguồn với mô hình chạy con người-quả bóng của tôi. Chỉ cần nhấp Play để chạy nó. Hãy thoải mái chỉnh sửa mã nguồn theo cách bạn muốn.

Đúng, nó không phải là mã nguồn đẹp nhất, nhưng có vẻ như nó hoạt động. Tôi thêm một số chú thích để bạn có thể hiểu cách nó hoạt động. Cũng lưu ý những phần mà bạn có thể thay đổi các tham số (như thời gian bước hoặc lực tối đa) để xem điều gì xảy ra. Chơi với nó—rất vui!

Phim hoạt hình không có gì hữu ích, vậy làm thế nào về một biểu đồ? Đây là đồ thị về tốc độ ngang theo thời gian. Dưới đây là mã nguồn với đồ thị trong trường hợp bạn cần.

Biểu đồ đó khiến tôi hạnh phúc. Tại sao? Đầu tiên, nó cho thấy con người-quả bóng đạt được một tốc độ chạy tối đa nào đó. Với các tham số tôi đang sử dụng, tốc độ chạy là khoảng 9.5 m/s (21 mph). Chỉ để so sánh, tốc độ kỷ lục của con người là 27.8 mph. Thứ hai, bạn có thể nhận thấy rằng tốc độ không tăng liên tục. Làm thế nào bạn có thể tăng tốc độ khi bạn đang ở trong không trung giữa các bước chạy? Bạn không thể. Bạn có thể thấy rõ rằng tốc độ chỉ tăng trong thời gian tiếp xúc.

Vậy, tiếp theo là gì? Tôi tạo mô hình này vì tôi muốn sử dụng nó cho một cái gì đó khác. Trong thời gian chờ đó, bạn có thể sử dụng nó cho bất cứ điều gì bạn muốn.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ blog.mytour.vn

• Bài phóng sự ảnh: Biến silicon thành thành phố mạch màu sắc
• Sức mạnh biến đổi của biểu tượng ngoài hành tinh của Reddit
• Xe ba bánh vô lý này có thể là tương lai của lái xe
• Làm thế nào để giải phóng không gian trên iPhone của bạn
• Chào mừng bạn đến thế giới có thể xảy ra của không chắc chắn
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và xuất sắc nhất của chúng tôi