Những ngày qua, chúng ta đã nghe nói quá nhiều về những chiếc iPhone 6 plus dễ bị cong khi có áp lực mạnh. Một số ý kiến còn cho rằng việc cho iPhone 6 plus vào túi quần sẽ khiến nó dễ bị cong hơn. Dưới góc độ khoa học, dĩ nhiên là con người hoàn toàn có thể phá vỡ bất kỳ thiết bị điện tử nào. Mới đây, giáo sư vật lý tại Đại học Đông Nam Louisian, Rhett Allain cũng đã có một bài phân tích khá thú vị, cung cấp cho chúng ta các khái niệm vật lý có liên qua đến việc uốn cong một chiếc điện thoại thông minh.
Đầu tiên, chúng ta hãy xét tới một số khái niệm cơ bản ban đầu.
Áp suất và lực
Vào mùa đông tại một số nước, người ta thường sử dụng các đôi giày chuyên dụng có đế bản to để di chuyển trên bề mặt tuyết. Tại sao vậy? Đơn giản là vì đôi giày đế bản to sẽ giúp chân bạn không bị lún vào lớp tuyết xốp và dày bên dưới. Những đôi giày tuyết với đế to giúp gia tăng diện tích tiếp xúc giữa bàn chân với bề mặt tuyết khi bạn bước đi. Tuy nhiên, hãy chú ý là đôi giày không làm trọng lượng của bạn thay đổi.
Do đó, bề mặt tuyết sẽ bị "phá vỡ" do tác động của một áp suất chứ không phải là tại một lực cụ thể nào đó. Áp lực là lực tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc của một vật hoặc lực ép vuông góc với mặt chịu lực. Đơn vị đo áp suất là Newtons trên mét vuông (theo hệ SI) và còn được viết tắt là N/m2 hoặc ký hiệu là Pascal (P). Một đơn vị khác cũng thường được dùng để đo áp suất là psi (pounds trên 1 inch vuông). Ta có công thức tính áp suất là:
Áp suất = Lực / Diện tích = F / S = P
Do đó trở lại thí dụ về đôi giày tuyết, diện tích tiếp xúc là đế giày được làm to hơn (S tăng), trọng lượng cơ thể người không đổi (F không đổi) sẽ khiến cho áp lực giảm xuống. Do đó, bề mặt tuyết cũng sẽ ít bị phá vỡ khiến chân khó bị lún hơn. Vậy điều gì đã làm cho iPhone 6 plus bị cong ? Ở trường hợp này, diện tích tiếp xúc chỉ là 1 trong số các nhân tố. Rõ ràng là nếu bạn dùng ngón tay ấn vào một bề mặt nhôm (như mặt sau của iPhone ) với diện tích tiếp xúc khá nhỏ, bạn hoàn toàn có thể khiến chiếc nó bị cong. Nhưng đó chỉ là uốn cong một chiếc vỏ nhôm, còn việc uốn cong toàn bộ chiếc iPhone lại hoàn toàn khác. Khi đó, việc chiếc điện thoại bị cong không chỉ phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.
Lực và mô men xoắn
Ở phần trên, chúng ta đã biết được áp suất chưa phải là điều quan trọng nhất khiến chiếc iPhone 6 bị cong. Vậy còn tác động của lực thì sao? Rõ ràng nếu bạn đẩy một chiếc iphone, sẽ có nhiều trường hợp xảy ra tùy vào hướng của lực (vecto lực). Nói cách khác, nếu bạn chỉ tác động một lực duy nhất vào một vật thể sẽ khiến nó chuyển động theo những cách khác nhau. Trường hợp bạn muốn tác động lực vào iphone nhưng vẫn giữ cho nó đứng yên, bạn phải cần thêm 1 lực thứ 2 nữa là phản lực (hình bên dưới).
Như bạn đã thấy, giả sử hình chữ nhật màu xám là chiếc iPhone đặt trên bàn. Khi bạn tác động một lực thẳng đứng hướng từ trên xuống, mặt bàn sẽ tác động một lực cùng phương, ngược chiều với lực ban đầu và giữ cho iPhone đứng yên. Nhưng đó không phải là trường hợp có liên quan đến bài viết này. Trường hợp khác là chúng ta sẽ tác động lên chiếc iPhone trong trạng thái như hình dưới đây:
Trong trường hợp trên, hợp lực vẫn bằng 0, chiếc iPhone vẫn đứng yên nhưng xuất hiện một lực khác: mô men xoắn. Đây là một đại lượng vật lý, còn gọi là ngẫu lực xoắn, thể hiện tác động gây ra bởi sự quay quanh 1 điểm hoặc 1 trục của vật thể. Nói cách khác đơn giản hơn, đây là một lực quay. Bạn có thể hình dung khi bạn mở một cánh cửa, bạn đã nhận được mô men xoắn nhờ sự hỗ trợ của bản lề. Độ lớn của mô men xoắn phụ thuộc vào lực tác động và độ dài của cánh tay đòn (khoảng cách từ điểm tác động lực tới tâm quay). Trong cả 2 trường hợp bên trên, mô men xoắn của chiếc iPhone vẫn có độ lớn bằng 0. Tuy nhiên, mô men xoắn vẫn có vài tác động đến vật thể. Dưới góc độ kỹ thuật cơ khí, đây được gọi là mô măng uốn (Bending Moment). Một cách nôm na, mô măng uốn là mô men xoắn cần thiết đề làm một vật biến dạng. Vậy làm thế nào để một đối tượng vẫn có thể chịu lực mà không bị uốn cong? Trên thực tế, tất cả mọi thứ đều có thể bị uốn cong. Khi chúng ta đề cập đến khái niệm "cong" đồng nghĩa với việc chúng ta ngầm chấp nhận rằng vật thể sẽ bị uốn cong đến mức không thể tự trở lại hình dạng ban đầu. Điều này xảy ra khi một áp lực bên trong vật liệu (ứng suất) vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu. Sau khi đã tìm hiểu các khái niệm có liên quan tới việc làm một vật thể bị cong, chúng ta sẽ trở lại mục đích chính cũng là phần thú vị nhất của bài viết này: Quần jean chật có làm iPhone bị uốn cong?
Bỏ iPhone 6 plus vào một chiếc quần jean chật có làm nó bị uốn cong?
Mặc một chiếc quần jean bó sát (jean skinny) đang là xu hướng thời trang của các bạn trẻ hiện nay. Có thể bạn nghĩ rằng đó là một tình huống hết sức hoàn hảo khiến chiếc iPhone 6 plus bị uốn cong. Chúng ta sẽ giả định tình huống bạn bỏ chiếc điện thoại vào túi trước khá chật chội của 1 chiếc quần jean và sau khi lấy nó ra, bạn nhận thấy nó bị cong. (Xin chú ý, dưới đây chỉ là những giả định với những mô hình và số liệu hết sức đơn giản). Vậy dạng mô men xoắn nào xuất hiện trong túi quần đã làm cho chiếc iPhone 6 yêu quý của bạn bị cong? Hãy thực hiện một vài ước tính thô.
Bên trên là một sơ đồ các lực tác động vào điện thoại khi nó nằm trong túi quần jean (màu xám là chiếc iPhone, đường màu xanh dương là chiếc quần và vùng màu tím là chân của người mặc.) Tiếp theo, chúng ta sẽ tính toán mô măng uốn. Gọi T là lực căng của quần jean, khoảng cách từ điểm đặt vecto lực căng đến tâm của điện thoại là r và góc của vải jean so với phương ngang là i. Ta có công thức tính độ lớn của mô men xoắn lên 1 mặt của iPhone (M) là:
M = r * T * sin(i)
Trong công thưc trên, chúng ta dễ dàng có được giá trị của đại lượng r, từ kích thước của chiếc iPhone 6 plus, chúng ta sẽ có r = 7,9 cm. Tiếp theo, chúng ta sẽ ước tính góc i có giá trị i = 10 độ (giả sử). Còn đại lượng cuối cùng chưa có giá trị là lực căng của quần jean (T). Giả sử đây là một chiếc quần jean hiệu Levi's và theo thông số từ hãng thì lực căng của quần là 142 pounds. Tuy nhiên, đây là lực căng tối đa mà tại đó chiếc quần sẽ bị xé rách ra. Đồng thời, đây là lực căng của toàn bộ chiếc quần và ở đây chúng ta chỉ cần 1 mẩu vật liệu nhỏ hơn (đủ để phủ lên chiếc iPhone như hình vẽ) nên lực căng ở đây sẽ nhỏ hơn khá nhiều. Quá trình ước tính lực căng của quần jean gặp quá nhiều khó khăn do chúng ta không thể có các số liệu chính xác. Tuy nhiên, rất may là Apple cũng đã mở cửa cho giới truyền thông vào tham quan bộ phận kiểm tra độ bền iPhone 6. Qua đó, bộ phận kỹ thuật cho biết rằng Apple đã dùng 1 lực có độ lớn 250N (tương đương với vật thể 25kg) vào giữa chiếc iPhone và nó vẫn không bị uốn cong? Do đó, trở lại bài toán của chúng ta, loại vải quần jean được dự đoán là sẽ tạo ra một lực căng tương tự.
Đồng thời, từ các hình ảnh chụp từ phòng thí nghiệm Apple, chúng ta cũng đã thấy 2 đầu của chiếc iPhone đã được nâng thẳng lên (tức là góc i=90 độ) trong khi ở thí nghiệm của chúng ta, góc i = 10 độ. Do đó, khi bỏ iPhone vào túi quần jean, để có thể tạo ra một phản lực từ đùi hướng lên có độ lớn 250N, sau khi tính toán, chiếc quần jean cần phải có lực căng là T = 720N (tương đương với 73kg). Hãy giả định trường hợp xấu nhất xảy ra, nghĩa là bạn đang mặc một chiếc quần jean siêu bó. Bấy giờ, chiếc quần sẽ bó đến nỗi khi bạn bỏ chiếc iPhone 6 plus vào túi quần, vải sẽ căng thẳng ra và lực căng sẽ tác động thẳng xuống, vuông góc với chiếc điện thoại. Bấy giờ, bạn cần phải có lực căng với độ lớn là 125N (tương đương với 12kg) như trong thí nghiệm của Apple. Con số này nói lên điều gì? Thứ nhất, chiếc quần jean Levis của chúng ta sẽ bị rách toạc ra trước khi bạn đạt được lực căng nói trên do vải jean không thể chịu nổi độ lớn này. Thứ 2, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Apple cho thấy là iPhone vẫn không bị biến dạng dưới mô men xoắn nói trên.
Nói cách khác, chúng ta sẽ đưa đến kết luận sau đây cho mô hình tính toán ban đầu: chiếc quần jean sẽ bị rách toạc ra trước khi iPhone bị uốn cong.
Chú ý rằng, đây chỉ là kết luận dựa trên những giả định mang tính chất học thuật thuần túy. Phần lớn các thông số đều được giả định theo cách người viết cho là hợp lý và tối ưu. Bài viết chỉ mang tính chất vui vẻ như một cách tiếp cận các khái niệm vật lý và không đưa ra bất cứ kết luận cuối cùng nào có liên quan đến tình hình thực tế. Trong thực tế, việc chiếc iPhone 6 plus bị cong đã diễn ra và điều đó chịu tác động của rất nhiều các điều kiện khác nhau mà mô hình khảo sát trên đây không thể đưa ra hết.
