למי שאינו מכיר את גיבורנו או את סדרת הטלוויזיה המכונה משום מה 'היקום הקולנועי של מארוול': טיפול בנסיוב ניסיוני במהלך מלחמת העולם השנייה הפך את סטיב רוג'רס מחנון צנום לחייל־על. הוא נושא מגן אשר משמש גם כנשק התקפי: הקפטן משליך אותו על הנבל, המגן פוגע וחוזר אל בעליו. ננתח את הכימיה שמאחורי הרכב המגן ואת הפיסיקה שמאחורי תנועתו.

נתחיל בכימיה. המגן עשוי מתערובת של ויברניום, פלדה וחומר שלישי בלתי ידוע. תערובת כזו מכונה 'סגסוגת' – שילוב יסודות כימיים שלפחות אחד מהם מתכתי. הסגסוגת משמרת את התכונות המתכתיות, והיא לרוב בעלת תכונות חדשות טובות יותר מאלה של כל רכיב כשלעצמו [2].

הוויברניום הוא יסוד חייזרי שהגיע אל כדור הארץ במטאוריט שהתרסק בוואקאנדה (וד"ש לפנתר השחור), ויש לו יכולת ייחודית של ספיגה, אגירה ושחרור של אנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית). [3] לדוגמה, אם הפטיש של תו'ר שוקל 20 ק"ג ופוגע במגן במהירות 100 קמ"ש, תהיה האנרגיה הקינטית בפגיעה שווה למחצית המסה כפול ריבוע המהירות. אם גיבורנו יחליט לנצל את האנרגיה הזאת (ואם נתעלם לרגע מאיבודי אנרגיות קול, אור וחום), היא תעיף את תו'ר לגובה של כ-10 מטרים.

עובדה מגניבה: לפי הקומיקס, המדען שפיתח את הסגסוגת נרדם בעת הניסוי (למי מאיתנו זה לא קרה...), ולכן אינו יודע מהו הרכיב השלישי שלה. הוא גם לא הצליח לשחזר אותה, אך במהלך ניסיונותיו פיתח את האדמנטיום שבשימוש ידידנו וולברין [4]

כל עוד איננו ביקום של מארוול ואין בידינו ויברניום, ממה נוכל לייצר מגן שכזה, שהוא גם חסין כדורים ובלתי שביר (בתנאי שהוא רחוק מתאנוס)? הבחירה הטריוויאלית תהיה פלדת אל חלד, המסוגלת לספוג אנרגיה מבלי להישבר. אבל הפלדה כבדה, ואנחנו הרי לא חזקים כמו קפטן אמריקה! כפי שראינו עם השלד של וולברין, אפשר להפיק את אותו החוזק בפחות משקל באמצעות טיטניום, מתכת קלה בהרבה וחזקה כפלדה. אפשר גם להשתמש בסגסוגות אלומיניום, שהן קלות וחזקות, או לבקש טובה מאיירון מן ולקחת מסגסוגות הזהב-טיטניום שלו [5].

נוכל גם להחליף חלק מהתערובת המתכתית בגרפן (Graphene, שכבה דו־ממדית של אטומי פחמן) או בננו צינוריות פחמן (CNT, אטומי פחמן הקשורים זה לזה במבנה צינורי) – שניהם יוצרים חומרים קלים, גמישים וחזקים מאוד [6,7]. נוכל אפילו להתבסס על פולימרים דו־ממדיים חדשניים חזקים במיוחד – יותר מפלדה – וקלים כפלסטיק [8]. פולימרים אלו הם חומרים המורכבים מיחידות חוזרות של מולקולות הקשורות זו לזו בשני ממדים, בניגוד לפולימרים החד־ממדיים הקלאסיים או מקביליהם התלת־ממדיים. הקישור הדו־ממדי מאפשר מבנה חזק יותר מאשר הפולימרים האחרים, תוך שימור הקלות והגמישות הנפוצה בפולימרים המורכבים מיסודות קלים יחסית למתכות (לרוב פחמן ומימן) ובעלי עמידות טובה לסיבובים ומתיחות של הקשרים בהם.

יורכב מאיזה חומר שיורכב, המגן לא יהיה בלתי שביר לחלוטין: אחרי שיספוג פגיעות קליעים רבות הוא ייסדק, כנראה. גם איננו מכירים חומר שאוגר ומשחרר אנרגיה קינטית ביעילות הקרובה ל-100% כמו הוויברניום.

דיוק מדעי 6/10

המגן משמש גם כנשק: הוא מפגין אווירודינמיות וגמישות – מתעופף למרחקים, מקפץ אחרי פגיעה בחפצים (או בנבלים) מבלי לאבד אנרגיה וחוזר לידיו המסוקסות של הקפטן כמו בומרנג. צורתו, כשל צלחת מעופפת, מאפשרת מעוף כזה. אולם הוא מעופף מבלי לאבד גובה, כאילו אינו מושפע מכוח הכבידה, ולכן נפחית לו את ניקוד הדיוק.

דיוק מדעי 8/10.

האם המגן יכול לקפץ במציאות כמו בסרטים? ספוילר: כן! כשהוא פוגע בגוף דומם, אזי המהירות לפני הפגיעה זהה למהירות שאחריה, וזווית הפגיעה זהה לזווית ההחזרה (ראו שרטוט). ממש כמו כדור טניס שנזרק על קיר ומנתר בחזרה: צורתו של הכדור משתנה ברגע הפגיעה – האנרגיה הקינטית הופכת לאנרגיה פוטנציאלית אלסטית (כיווץ) – ולאחר מכן האנרגיה האלסטית הופכת לאנרגיה קינטית, והכדור חוזר אלינו. גם המגן מתנגש התנגשות אלסטית, שבה האנרגיה הקינטית הכוללת של הגופים המתנגשים נשמרת. כלומר המגן נדרש להיות אלסטי מספיק כדי שלא להישבר וגם קשיח מספיק לשמור על צורתו, תכונות שיש לוויברניום הבדיוני. במציאות אפשר לבנות את המגן מחומר חזק וקשיח ולהקיף אותו בטבעת של חומר אלסטי, שתאפשר לו לקפץ בחזרה (ראו סרטון ומידע [9]).

דיוק מדעי 10/10

בכל מקרה, בעת הזריקה יש לחשב במדויק את נקודת הפגיעה הראשונית, כך שמבחינת הזוויות והמהירויות המגן ימשיך בתנועה כמבוקש. זו כמובן משימה פשוטה לאדם שנסיוב העניק לו יכולות חישוב מוגברות, וכנראה גם הקשיב היטב בשיעורי הפיזיקה בתיכון.

דיוק מדעי 10/10 (ולקח: שווה להקשיב בשיעורי פיזיקה)

ולבסוף, מידת הנזק: בסרטים המגן גורם לנפגע לנפילה ולזעזוע קל. איזה נזק ייגרם במציאות, בהסתמך על נתוני המגן ועל מהירות מעופו? (החישוב המלא למטה). אנרגטית, פגיעה במהירות כזאת שקולה לנפילה מגובה 13 מטרים (קומה רביעית). הפגיעה גם מתבצעת בשטח חתך קטן בהרבה מזה של גוף הפוגע במדרכה. מכיוון שמדובר בחומר החזק בעולם הפוגע בגוף אנושי במהירות גבוהה, ייגרם נזק רב ואף מוות.

דיוק מדעי 1/10.

נשארה רק שאלה אחת: האם כולם חייבים להיכנע כשקפטן אמריקה זורק את המגן שלו?

עריכה: חגי גלרנטר

מקורות והרחבות:

[1] הציטוט של ספיידרמן

[2] סגסוגת

[3] ויברניום

[4] המדע מאחורי השלד של וולברין

[5] המדע מאחורי החליפה של איירון מן

[6] פוסט על גרפן

[7] פוסט על חומרים מרוכבים, המסביר גם על ננו־צינוריות הפחמן

[8] מאמר על פולמרים דו־ממדיים חדשניים חזקים במיוחד

[9] הכנת מגן מסיבי פחמן עם טבעת סיבי זכוכית, שאפילו קופץ בחזרה ומידע על המגן

חישובים:

חישוב האנרגיה בפגיעת המגן

חישוב גובה נפילה בהשוואה לאנרגיה של המגן (הערה: זוהי רק השוואה של האנרגיה, יש גם הבדל בשטח הפגיעה בין נפילה בגובה לפגיעה מהמגן):

E=mgh

1,045=8*9.81*h

h=13.3 מטר