TỪ CÂY GẬY THẦN ACSIMET. phần 2

TỪ CÂY GẬY THẦN
ACSIMET


Tác giả:

Nguyễn Hữu Dy

Nhà xuất bản:

Kim Đồng

Năm xuất bản:

1983

Chương 4:
Từ con cù giải trí đến
con quay cơ học


Lực ly tâm – Người giúp việc đắc lực

“Bơm ly tâm”, “đúc ly tâm”, lọc ly tâm”… Đó là những danh từ kỹ thuật mà đôi khi bạn
nghe thấy. Vậy “ly tâm”, “lực ly tâm” là gì?

Bạn hãy buộc một hòn đá vào đầu một sợi dây và quay tròn thật nhanh. Lúc ấy, đá kéo
căng sợi dây và gây nên ở tay bạn một sức kéo. Đó là lực ly tâm. Lực ly tâm hướng từ
tâm quay ra ngoài, xuất hiện ở một vật khi nó chuyển động theo đường tròn.

Một bà nội trợ đang sàng gạo, bà không biết rằng lực ly tâm đang bí mật giúp bà. Khi cái
sàng đảo tròn giữa đôi cánh tay uyển chuyển thì bao nhiêu vỏ trấu nhẹ hơn sẽ dồn vào
giữa. Thóc gạo nặng hơn sẽ bị lực ly tâm làm văng ra vòng ngoài.

Khi vẩy rau, cái rổ được vung mạnh dăm lần theo một cung lớn mà tâm là vai ta. Cả rau
và nước trong rổ đều chịu tác động của lực ly tâm; nhưng rau được nan rổ giữ lại, còn
nước thì văng qua khe rổ mà biến mất. Nếu bạn có đôi lần vụng tay vẩy rau không kiệt
hay để rau rơi lả tả xuống sân, thì đó là do rổ để lệch hay do bạn không dám vẩy mạnh để
tạo đủ lực ly tâm cần thiết.

Lực ly tâm được ứng dụng trong nhiều loại máy. Ta hãy quan sát chiếc máy đúc ly tâm.
Một chiếc khuôn đang quay tròn đều quanh trục của nó. Người ta từ từ rót kim loại nóng
chảy vào khuôn. Các thành phần khác nhau trong chất lỏng này lần lượt được lực ly tâm
phân bố theo trọng lượng riêng. Kim loại nguyên chất nặng hơn, chảy ra bên ngoài, bám
sát lấy thành khuôn. Còn các chất xỉ, những “túi khí” thì bị dồn vào bên trong. Những sản
phẩm đúc bằng phương pháp này vừa nhanh, vừa rẻ và quan trọng hơn là đã bền lại đẹp,
vì không bị rỗ xỉ, rỗ khí.

Bơm ly tâm dùng trên đồng ruộng hoặc cung cấp nước cho các khu đông dân, quạt thông
gió để bảo vệ sức khỏe công nhân trong nhà máy, máy hút bụi dùng ở những nơi công
cộng… đều là những ứng dụng thông minh của lực ly tâm.

Bạn sẽ còn gặp phương pháp kỹ thuật này trong lọc sữa, vắt mật ong, phân loại các hợp
chất lỏng, sấy quần áo, đường, hóa liệu, dược liệu… Với loại máy siêu ly tâm có vận tốc
quay cực lớn, hàng ngàn vòng/giây, các nhà huyết học còn tách được cả vi trùng và siêu

vi trùng ra khỏi máu.

Thật khó mà liệt kê hết những cống hiến của người giúp việc đắc lực này đối với đời
sống con người.

Nhưng nó cũng là kẻ đã từng gây tai họa

Cách đây chưa đầy một thế kỷ vào năm 1890, một chiếc tàu biển chở 2 nghìn hành khách
từ Anh qua Mỹ băng băng vượt đại dương. Tàu mở hết tốc lực, xé sóng lao đi như một
con cá kình…

Bỗng nhiên một bánh vô lăng máy rít lên từng hồi, rồi bắt đầu lảo đảo như bị say sóng.
Người coi máy chưa kịp hỏi han gì thì trục gãy, vô lăng bật tung. Trong chốc lát chiếc tàu
thủy kiêu hãnh đã trở thành chiếc phao bồng bềnh trên sóng cả. Tai nạn này do đâu mà
ra?

Khi vô lăng quay với một vận tốc quá lớn, lực ly tâm mà nó sinh ra càng lớn gấp bội. Lực
này tăng theo tỷ lệ bình phương của vận tốc. Chất thép của vô lăng không đủ độ bền để
chịu một thử thách quá sức như vậy.

Chính vì thế mà tất cả những bộ phận quay tròn như: Cánh quạt, đĩa mài, đĩa cưa, tuabin,
rô to… nhất thiết phải được chế tạo từ những hợp kim có độ bền cao. Mặt khác, trục quay
phải được đặt thật cân xứng để lực xuất hiện về mọi phía được cân bằng. Bất kỳ một sai
sót nào ở đây đều phải trả giá đắt.

Trong lúc sử dụng máy, người thợ có kinh nghiệm thường lắng nghe tiếng nổ động cơ
như nghe tim người bệnh. Mỗi một trục trặc nhỏ hoặc tiếng động lạ tai xen lẫn trong
tiếng hát đều đặn của máy đều làm cho người thợ lo lắng, nghĩ ngay tơi sự mất cân bằng
của lực ly tâm.

Nhân đây tưởng cũng không nên bỏ qua những phiền hà nhỏ do lực ly tâm gây ra hằng
ngày. Chiếc xe đạp của bạn có đôi chắn bùn. Tuy nhiên, gặp những quãng đường lầy, nếu
bạn đạp nhanh, bánh xe trước vẫn hất ngược bùn lên quần và giày của bạn. Việc đắp
thêm một miếng cao su bên dưới chiếc chắn bùn chính là để ngăn cái trò đùa tinh quái
của lực ly tâm…

Ô tô chạy tới quãng đường vòng. Hành khách bám vội lấy thành xe, có cảm giác bị ép
vào đó vá như muốn văng ra ngoài. Xe chạy càng nhanh, sức ép càng lớn. Hàng để trên
mui nếu buộc không chặt cũng sẽ cựa quậy, lăn tuột xuống đường. Vì vậy, khi xe vào
quãng đường vòng, nhất là vòng hẹp, người lái nhất thiết phải giảm vận tốc, không những
để tránh tai nạn do xe có thể bị lật, mà còn để cho hành khách bớt bị “o ép”.




Những cảm giác kỳ lạ trong “quả cầu ma”


Trong một số công viên lớn nước ngoài có một trò vui khá ngộ nghĩnh đó là “quả cầu
ma”, một quả cầu quay lớn, kín mít, mà ai đã có dịp vào chơi đều phải tấm tắc khen.

Đáy của quả cầu là một cái sàn khá lớn, hình lòng chảo. Sàn quay nhanh nhưng rất êm
nhờ một hệ thống máy đặt ở bên dưới. Quả cầu lớn bằng kính mờ quay theo sàn như hình
với bóng làm cho người đứng bên trong cảm thấy đây là một thế giới riêng biệt. Bạn nhìn
thấy rõ sàn có hình lòng chảo nhưng qua “thông báo” của đôi chân thì lại có cảm giác đáy
là một mặt phẳng. Còn khi bạn đi từ mép này sang mép khác thì quả cầu tưởng như cũng
đảo theo, nhẹ nhàng lâng lâng như một cái bọt bóng xà phòng khổng lồ. Nhìn sang phía
anh bạn cùng dạo chơi trong cái thế giới nửa hư nửa thực này, bạn sẽ thấy anh ta đang đi
trên thành chảo như một chú kiến bọ quanh miệng chén.

Giờ ta hãy đổ một xô nước lên sàn. Một hiện tượng kỳ dị: Nước lai láng khắp nơi, trèo
lên mọi phía của lòng chảo tưởng như không còn tuân theo các định luật về trọng lực nữa.

Để hiểu được “quả cầu ma”, mời bạn thử đứng lên một cái sàn tròn quay nhanh. Chuyển
động xoay tròn, như ta đã biết, có xu hướng hất bạn ra ngoài. Nếu bạn không nghiêng
người vào trong hay không bám vào một con vật gỗ trên sàn thì chắc chắn sẽ cưỡng lại
nổi lực ly tâm của vòng đua. Và nếu nhắm mắt bạn sẽ có cảm giác như cái sàn quay
không ngang bằng mà theo một độ nghiêng nào đó. Tại sao như vậy? Vì lực ly tâm đẩy
bạn ra ngoài, còn trọng lực thì lại lôi bạn xuống đất. Hai lực này hợp lại sẽ kéo bạn theo
một hướng chếch mà bạn phải cưỡng lại bằng cách nghiêng mình để giữ thăng bằng.
Nhưng nếu sàn không phẳng mà làm theo hình lòng chảo thì khi quay bạn lại sẽ có cảm
giác như đứng trên một mặt phẳng. Vì lúc này tổng hợp của hai lực trên đã kéo bạn theo
hướng vuông góc với mặt nghiêng của sàn. Người ta đã tính toán và thấy rằng, lòng chảo
này có hình dạng một mặt parabol.

Nếu bạn để một cốc nước quay tít thì mặt nước trong cốc sẽ trũng xuống theo hình
parabol như trong “quả cầu ma”. Giờ ta hãy thay nước bằng một chất xi nóng chảy rồi
quay cốc cho đến lúc xi nguội hẳn và đông lại thì ta sẽ được một “lòng chảo” như ý
muốn. Lúc này, nếu ta bỏ hòn bi lên bất kỳ một điểm nào trên mặt đó thì nó cũng sẽ đứng
yên như ta đặt nó trên sàn nhà vậy. Đây cũng chỉ là một sự đứng yên tương đối so với
mặt xi đang chạy.

Đấy, tất cả những điều trên chính là cái “bí ẩn” của “quả cầu ma”.

Người phi công khi lượn vòng cũng có cảm giác tương tự như người đứng trong quả cầu
bí ẩn trên. Anh ta tưởng như mặt đất bên dưới được nâng lên và nghiêng đi một độ nào
đó.

Do chuyển động tròn có xu hướng hất ta ra ngoài nên đường sắt ở những đoạn lượn vòng
phải được đặt theo nguyên tắc: Thanh ray bên ngoài cao hơn thanh bên trong. Mặt đường

ô tô cũng vậy, tại chỗ ngoặt, mép ngoài phải cao hơn mép trong. Còn cao hơn bao nhiêu
thì cần phải đặt con tính cụ thể, tùy ở độ vòng rộng hẹp và tùy ở vận tốc cho phép ghi
trên bảng chỉ dẫn.

Từ con cù ngoài hè phố…

Kìa, bạn xem! Con cù bằng gỗ chạy loang loáng giữa sân, tung tăng như một con sóc, rồi
chọn chỗ dừng chân, quay tít, kêu o o…

Bạn thử búng nhẹ vào nó… Con cù nghiêng đi một chút rồi lại đứng thẳng lại và tiếp tục
quay như cũ. Tính chất này của các vật thể quay nhanh được ứng dụng rất nhiều vào đời
sống và kỹ thuật.

Nguyên tắc con quay thật không phải đơn giản. Ở đây ta chỉ nhằm rút ra một định luật cơ
học rất cơ bản: Vật thể nào khi quay quanh mình cũng luôn luôn có xu thế giữ trục quay
của nó theo một phương nhất định.

Khi đi xe đạp, nếu ta đi nhanh thì cảm thấy dễ dàng hơn là gò cho xe đi thật chậm. Hai
bánh xe quay quanh trục nằm ngang, luôn luôn giữ cho trục ở mãi tư thế đó. Vì vậy, mỗi
khi bị nghiêng, xe chạy nhanh dễ lập lại tư thế cân bằng hơn xe đi chậm.

Lợi dụng tính chất cơ học trên, các nghệ sĩ tung hứng đã sáng tác ra những tiết mục độc
đáo: ném vòng, quay đĩa, tung mũ từ xa vào đầu chú hề…

Đây, mời bạn hãy đọc một đoạn trích trong cuốn sách “Con cù quay” của giáo sư vật lý
người Đức Giôn Peri:

“… Một hôm tôi trình bày những vấn đề đã nghiên cứu của mình tại một phòng hòa nhạc
ở Luân Đôn. Tôi khẳng định rằng: Nếu bằng cách nào đó ta làm cho cái đĩa quay tít thì có
thể ném nó đúng vào vị trí ta muốn. Với một chiếc mũ bay theo kiểu ấy ta có thể dùng

chiếc gậy để “câu” nó một cách dễ dàng. Tiếp đó tôi lại giải thích một điều quan trọng
nữa: Nếu nòng đại bác mà nhẵn lì thì đạn không bao giờ rơi trúng đích. Do đó, người ta
đã tạo ra những rãnh xoắn gọi là khương tuyến ở mặt trong của nòng súng. Thuốc cháy
tạo nên xung lực đẩy viên đạn đi, và chính nhờ những khương tuyến này viên đại bác khi
ra khỏi nòng súng vừa xoáy tròn và lao về phía trước. Sự xoáy tròn đã giúp cho viên đạn
ổn định đường bay và đảm bảo cho nó độ chính xác cao.

Tôi vừa dứt lời thì trên sân khấu bỗng xuất hiện một đôi nam nữ bận quần áo xiếc gọn
gàng. Chào công chúng xong, họ liền ném cho nhau nào mũ, nào đĩa, nào bát, rồi cả chiếc
ô và giày dép… Những vật này vừa quay vừa bay từ tay người này sang tay người khác,
ngoan ngoãn tuân theo ý định của họ, trông thật vui mắt. Cô gái lại một mình tung thìa,
tung đĩa lên cao, rồi nhẹ nhàng đỡ lấy. Còn chàng trai thì ném xoáy chiếc mũ lên trần nhà
rồi lại đưa đầu ra đón nó, trong lúc tay vẫn điều khiển bốn cái đĩa quay tít trên đám
gậy…”



… Đến con quay trong kỹ thuật


Nhà hàng hải Crixtop Colombo, người tìm ra châu Mỹ, lấy một quả trứng luộc và mời
các khách khứa hãy thử cho quả trứng đứng trên một đầu nhọn của nó. Mọi người loay
hoay mãi vẫn không làm nổi. Colombo bèn khẽ đập giập một đầu trứng và trứng đã đứng
đã đứng được. Nhiều người kêu lên: “Như vậy thì có gì là khó!”. “Tất nhiên!” – Colombo
đáp – Nhưng trước hết là phải nghĩ tới nó!”.

Cái khó của một phát minh nhiều khi chỉ là ở chỗ “nghĩ tới” thôi. Tuy nhiên, cách giải bài
toán quả trứng này chỉ có ý nghĩa minh họa cho một tư tưởng có tính chất triết lý. Cách
giải này không thật làm chúng ta thỏa mãn. Trước hết, về mặt hình học, quả trứng bị đập
giập thì không còn là quả trứng của đề bài, vì nó đã biến dạng, nó đã trở thành một “vật

khác” rồi!

Nếu biết vận dụng bản chất của con quay, bạn có thể làm cho quả trứng đứng được, bằng
cách cho nó quay tròn quanh trục của nó, như một con quay.

Cũng cần chú ý đây là quả trứng luộc. Vì nếu trứng sống thì chất lỏng không ổn định bên
trong, do quán tính sẽ trở thành vật hãm đối với chuyển động quay của nó.

Trên đây chỉ là một đôi lời bàn vui để khẳng định rõ hơn bản chất và những khả năng
chưa khai thác hết của chuyển động quay mà người ta đã và đang tìm cách ứng dụng rộng
rãi trong kỹ thuật hiện đại; những con quay cơ học.

Đáng chú ý nhất là chiếc la bàn hồi chuyển dùng cho tàu biển, máy bay để xác định và
điều chỉnh phương hướng chuyển động. Nó khác hẳn chiếc la bàn thường ở chỗ là dù cho
tàu lắc lư đến mấy thì nó vẫn giữ được thế thăng bằng, chỉ hướng chính xác. Được như
vậy chủ yếu là nhờ ở một con quay cơ học và những thiết bị đặc biệt làm cho trục quay
luôn luôn ở vị trí song song với kinh tuyến địa lý.

Khí cụ giữ thăng bằng hồi chuyển (còn gọi là máy ổn định) nhằm làm giảm sự tròng
trành của tàu biển. Nó gồm những bánh xe đồ sộ, nặng chừng vài tấn, đặt thẳng đứng và
quay đến hàng ngàn vòng phút. Nếu tàu bị sóng đánh thì máy ổn định này sẽ chống lại
những dao động đó. Vì xu thế của nó, như ta đã biết, là giữ trục quay ở tư thế ban đầu.

Các loại con quay khác nhau còn được dùng để xác định phương nằm ngang (trong la bàn
chân trời) giúp cho người phi công lái máy bay trong sương mù dày đặc trong đêm tối.
Con quay hồi chuyển của bộ lái tự động dùng để lái máy bay, tên lửa.

Một chuyên ngành riêng về lý thuyết con quay đang được phát triển nhằm đáp ứng những
nhu cầu của kỹ thuật hiện đại.

Thật không ngờ cái đồ chơi đơn giản này lại có những ứng dụng quan trọng đến thế!



Một cách cân gian mà thật thà (!)


Có một anh chàng tuyên bố rằng, anh ta có cách cân thiếu cho khách hàng mà không cần
gian lận gì cả! Người ta liền hỏi bí quyết của anh.

-

Có gì đâu! Anh trả lời – Nơi mua hàng là những nước ở vùng xích đạo, còn nơi bán
ra là ở vùng địa cực. Nhưng muốn thế thì không được dùng loại cân thông thường mà
phải dùng cân lò xo. Hơn nữa, cân này phải được chế tạo ở vùng xích đạo.

Đây chỉ là chuyện bông đùa, nhưng không phải là không có cơ sở khoa học. Thật vậy,
trọng lượng của hàng có tăng lên khi nó xa dần vùng xích đạo. Theo tính toán của các
nhà cơ học thì một tấn gạo chẳng hạn, từ Indonexia chuyển lên Thụy Điển sẽ nặng thêm
3,5kg. Nhưng phải dùng loại cân lò xo chế tạo tại Giacacta mới có “lãi”. Nếu dùng đĩa
hoặc cân treo thì hàng nặng lên bao nhiêu quả cân cũng sẽ nặng thêm bấy nhiêu, hết bớt
xén.

Nếu nắm vững quy luật của chuyển động quay bạn sẽ dễ dàng tìm ra “thủ phạm” của hiện
tượng này.

Thủ phạm chính là do Trái Đất quay quanh trục của nó. Vì vậy, món hàng không chỉ chịu
sức hút của hành tinh mà còn chịu tác động lực ly tâm do sự quay sinh ra. Ở xích đạo, lực
ly tâm lớn nhất và có xu hướng ngược chiều với lực hút, nên đã “cắt xén” một phần sức
hút này (tức là giảm bớt trọng lượng của hàng). Nhưng ở địa cực, nơi trục quay xuyên

qua, lực ly tâm hầu như không có. Do đó, gạo chỉ còn tác động của trọng lực và vì thế mà
trọng lượng tăng lên.

Các nhà khoa học đã xác định rằng, trọng lượng của một vật ở xích đạo giảm 1/290 so
với trọng lượng của chính nó ở địa cực.

Một chiếc tàu tại Bắc Băng Dương nặng 40.000 tấn khi chạy đến thành phố Hồ Chí Minh
sẽ nhẹ đi chừng 140 tấn. Con số này không phải là nhỏ. Thế nhưng ta không cảm giác
được điều này, vì các vật khác cũng giảm trọng lượng tương ứng, kể cả nước biển và
những quả cân.

Tuy vậy, trong kỹ thuật hiện tượng này không thể bỏ qua. Như khi sử dụng máy móc tinh
vi ở những vĩ độ khác nhau, sự thay đổi dầu nhỏ về trọng lượng cũng có thể ảnh hưởng
tới độ chính xác của máy








Nếu Trái Đất quay nhanh hơn!


Trong chương trước, bạn đã có dịp chứng kiến sự dại dột của anh chàng Photorinh khi bắt Trái Đất ngừng
quay. Giờ ngược lại, xin mời bạn nghe câu chuyện của nhà khoa học Đức Otto Uynli Gai đã “khiến” Trái
Đất quay nhanh hơn:

“… Thế là một hiện tượng kỳ quái đã xảy ra. Vận tốc quay của Trái Đất tăng 17 lần,

đồng thời lực ly tâm cũng tăng lên theo tỷ lệ bình phương của vận tốc, tức 289 lần! Ở
xích đạo, lực ly tâm bây giờ xấp xỉ sức hút của hành tinh chúng ta. Vì thế, con người
cũng như mọi vật nơi đây hầu như không có trọng lượng. Trái Đất bây giờ như chẳng
muốn “cưu mang” họ nữa. Một làn gió thoảng qua cũng đủ cuốn họ lên không trung và
đưa họ trôi nổi khắp bốn phương trời. Nếu gió thổi về phương nam hay phương bắc thì
họ sẽ trôi dần về hai cực.

Nhưng khi đến vùng chúng ta (nước Đức), ảnh hưởng của lực ly tâm chỉ còn bằng một
nửa so với vùng xích đạo; và những người từ nơi đó bay tới lẫn trong mây sẽ bắt đầu tụt
xuống. Ho đã được trả lại một phần trọng lượng, do đó không bị trôi giạt nữa. Tuy nhiên,
những vị khách từ nơi đầy ánh mặt trời tới địa phương ta cũng không cảm thấy dễ chịu
hơn bao nhiêu. Một số vốn thích ngao du cho rằng cứ trôi nổi bồng bềnh trong bầu trời lại
thú vị hơn. Vì ở đây có một điều khó chịu hơn là hướng của trọng lượng cơ thể ta không
còn thẳng đứng nữa (không vuông góc vói mặt đất). Thật vậy, trọng lượng con người lúc
này chính là hợp lực của sức hút về tâm Trái Đất và lực ly tâm. Hợp lực này rõ ràng lệch
với phương thẳng đứng. Ở bán cầu bắc thì nó lệch về phía nam, còn ở bán cầu nam thì lại
lệch về bắc. Vì thế, trừ ở vùng xích đạo và địa cực, ở đâu người ta cũng có cảm giác như
đang đứng ở sườn đồi và khi đi về phía cực, ta cảm thấy như đang leo đồi.

Duy chỉ có ở hai cực của Trái Đất là không bị ảnh hưởng của lực ly tâm. Gấu ở Bắc cực
có thể vẫn nô giỡn bình thường trên tuyết, chỉ có điều là nhìn thấy cảnh sáng tối đuổi
nhau mà lòng ngao ngán
(1)
. Nếu gấu ta muốn rời bỏ quê hương băng giá của mình thì
chúng sẽ cảm thấy như đi từ đỉnh đổi xuống.

Lực ly tâm không chỉ tác động đến người và động vật mà còn cả không khí nữa. Không
khí do mất trọng lượng từ miền xích đạo bốc lên và kết quả là sẽ tạo ra ở đó một vùng
chân không. Không khí ở những miền lân cận, từ bắc và nam, sẽ ập lại. Thế là trên tầng
cao của miền xích đạo nóng bỏng, sẽ nổi lên những cơn bão khủng khiếp tỏa về hai cực.

còn ở tầng dưới cũng nổi lên những trận gió điên cuồng từ hai cực thổi ngược về. Và,
nước dâng, nhà bay…”.

Hậu quả của lực ly tâm được nhân lên gấp bội cũng sẽ diễn ra tai quái, rùng rợn, không
thua gì cảnh phá phách cảu lực quán tính khi Photorinh lệnh cho Trái Đất ngừng quay.

Ngày nay có một số nhà khoa học cho rằng Mặt Trăng được hình thành là nhờ ở lực ly
tâm của Trái Đất. Người ta đã chứng minh rằng, trước đây Trái Đất tự quay quanh nó
nhanh hơn bây giờ. Cách đây 500 triệu năm, một ngày đêm không phải là 24h, mà chỉ có
20h. Và trước nữa, nó quay còn nhanh hơn, nhanh hơn cả trong câu chuyện tưởng tượng
của Giáo sư Gai! Như vậy, hàng tỉ tỉ năm về trước chị Hằng còn là bào thai của người mẹ
Trái Đất. Cho đến một ngày nào đó, khi đã đủ ngày đủ tháng, Hằng Nga liền thoát khỏi
sức hút của Trái Đất để ra chào… Vũ Trụ. Trái Đất thân yêu của chúng ta đã sinh ra
Hằng Nga kiều diễm bằng lực ly tâm của mình. Thế nhưng nhờ lực hấp dẫn mà Hằng
Nga vẫn bám quanh Trái Đất như một con bê nhỏ bên mẹ!

(1) Vì Trái Đất quay nhanh hơn trước 17 lần nên ngày, đêm cũng ngắn lại 17 lần.

Chương 5:
Những lực sĩ “mềm”
và “vô hình”


Lực sĩ vô hình

Không khí bao bọc quanh ta nhưng nào có ai nhìn thấy! Nó không có màu sắc, không có
hình dáng, không có mùi vị, và cũng chẳng ai cảm thấy nó.

Ngày xưa người ta tưởng không khí là “không có gì cả”. Nhưng rồi khoa học không
những đã chứng minh được sự có mặt của nó ở khắp nơi trên Trái Đất mà còn có thể cân
đong được nó, tính toán được sức mạnh phi thường của nó.

Năm 1654, nhân dân thành Reghenbua đã chứng kiến một sự việc kỳ lạ: Mười sáu con
ngựa chia hai phe, ra sức kéo để tách hai bán cầu rỗng bằng đồng úp khít vào nhau.
Người ta hò hét náo nhiệt, nhưng đám ngựa đẫm mồ hôi vẫn không đủ sức tách đôi quả
cầu không lớn hơn một quả bí đỏ!

Sức mạnh nào đã cưỡng lại đàn tuấn mã?

- -

Không khí!

Bằng thí nghiệm này, ông thị trưởng thành Macdobua Ottophon Gherech đã chứng minh
cho mọi người thấy: Không khí không phải là “hư vô”. Nó có trọng lượng và nén lên tất
cả mọi vật trên Trái Đất với một sức mạnh như thế đấy!

Đó là thí nghiệm “bán cầu Macdobua” nổi tiếng được cử hành rất long trọng vào

8/5/1654.

Lớp khí quyển bao quanh hành tinh chúng ta dày đến hàng trăm km. Mỗi mét khối không
khí cân nặng 1,3kg ở điều kiện bình thường. Càng lên cao không khí càng loãng dần
(1)
.
Người ta cũng đo được sức ép của nó. Sức ép này bằng 1kg trên 1cm
2
(gọi là 1
atmotphe). Với một phép tính đơn giản ta thấy: Đại dương khí quyển bao la này đã tác
động lên toàn bộ bề mặt Trái Đất một áp lực là 5 triệu tỷ tấn!

Hằng ngày chúng ta phải đội trên đầu một cột không khí cao ngất ngưởng! Toàn thân ta
chịu một sức nén hàng tấn của không khí từ mọi phía. Tuy nhiên chúng ta vẫn không cảm
thấy gánh nặng ấy, bởi lẽ cơ thể ta từ khi lọt lòng mẹ đã có một sức ép từ bên trong cân
bằng với sức ép từ bên ngoài đó. Nếu trong phủ tạng ta là chân không thì “bàn tay khổng
lồ vô hình” này đã bóp bẹp ta từ lâu.

Giờ ta hãy quay lại với quả cầu Macdobua. Ông Gherech đã làm hai bán cầu rỗng có
đường kính gần bốn tấc. Hai bán cầu đó úp vào nhau rất khít và không khí bên trong đã
được rút hết. Như vậy là sức ép từ bên trong đã mất hoàn toàn và chỉ còn lại sức ép độc
nhất của không khí từ bên ngoài. Sức ép đó lớn tới mức nào mà 16 con ngựa không thể
tách nổi hai bán cầu?

Diện tích mặt cắt của quả cầu là 1060cm
2
như vậy sức ép của không khí lên mặt cầu là
hơn một tấn! Muốn tách đôi quả cầu, mỗi đầu ngựa phải kéo một lực bằng 125kg. Một tải
trọng như vậy nếu đặt lên xe thì không thấm vào đâu, ngay cả với một chú ngựa gầy còm.
Nếu xe tốt, đường tốt, thì ngựa chỉ cần bỏ ra một lực bằng 5 phần trăm tải trọng đó,

khoảng 6 – 7kg. Nhưng trong trường hợp này thì ngựa phải kéo trực tiếp 125kg, tức là cổ
ngựa phải chịu một lực căng đúng bằng như vậy. Thực tiễn đã chứng minh: Khi kéo với
cả đàn, do hợp sức không đồng đều, mỗi con không phát huy hết sức lực của mình nên
trung bình mỗi chú ngựa chỉ tạo được sức kéo khoảng 80kg thôi. Như vậy, để tách hai
bán cầu ra thì mỗi bên cần thắng không phải 8 mà là 13 con tuấn mã sung sức…

Trong cơ thể ta cũng có những “bán cầu Macdobua”. Đó là khớp xương hông. Giữa
xương hông và xương chậu có một khoảng chân không, do đó không khí bên ngoài đã
xiết chặt chúng lại với nhau. Giá như bắp cơ gân, sụn nối hai khớp xương này có bị cắt
bỏ, thì đùi ta vẫn dính liền với cơ thể.

Sau thí nghiệm nổi tiếng với Gherech, người ta không còn xem thường không khí nữa.
Nó có một sức mạnh thật đáng gờm.

(1) Trong thực tế, ở độ cao 200km không khí cực kỳ thưa thớt. Ở độ cao 6km, không khí
loãng, chỉ bằng một nửa ở trên mặt đất. còn ở độ cao 40km không khí chỉ còn bằng
5/10.000 so với ở mặt đất.
Sức mạnh của “thủy thần”


Nhiều người cho rằng nước là tượng trưng cho sự mềm yếu. Sự thực thì nước có mềm
chư không yếu. Nó có một sức mạnh vô cùng to lớn.

Đã có lần nào bạn lặn xuống sâu chưa? Khi lặn sâu chừng 7 – 8m, người ta cảm thấy hai
tai bị ù và lồng ngực bị ép mạnh rất khó chịu. Tại sao vậy? Khi đắp một chiếc khăn bông,
bạn sẽ cảm thấy nặng. Đối với nước cũng vậy. Khi ở dưới nước ta bị một cột nước đè lên
mình. Trong “Thủy lực học” (khoa học nghiên cứu quy luật cân bằng và chuyển động của
nước) người ta gọi sức nén này là áp lực thủy tĩnh và sức nén của nó trên 1cm
2
là áp suất.

Sống trên mặt đất, con người phải đội trên đầu một cột không khí cao hàng trăm km.
Song vì không khí nhẹ hơn nước nhiều lần, nên sức nặng của nó không đáng kể. Còn một
cột nước cao 10m đã có áp suất 1atm, tức bằng áp suất không khí trên mặt đất trong điều
kiện bình thường, cũng chính là áp suất do toàn bộ chiều cao của cột không khí đè nặng
lên mặt đất.

Khi lặn sâu 10m, ngoài cột nước, bạn vẫn phải đội cả cột không khí cao vòi vọi kia nữa.
Nghĩa là, cứ trên mỗi phân vuông, da thịt ta phải chịu một lực nén tổng cộng là 2kg. Bạn
tính xem diện tích cơ thể là bao nhiêu phân vuông rồi đem nhân nó với 2kg thì bạn sẽ
nhận được một áp lực lớn biết bao!

Tuy nhiên, cơ thể ta vẫn chịu đựng được, nó đã thích nghi với áp suất từ 1 đến 3atm bằng
cách tự phát huy một sức ép bên trong tương ứng. Duy chỉ có màng tai là chịu sức ép
kém hơn, vì nó mỏng và phía trong vẫn là không khí với áp suất 1atm.

Mới ở độ sâu 10m mà áp suất của nước đã là 1atm. Vậy thì ở các đại dương với độ sâu
10km sức ép đó sẽ kinh khủng đến chừng nào? Nơi sâu nhất trên Trái Đất là cái rốn
Marian của Thái Bình Dương: 11,022m. Tại đây, mỗi phân vuông phải chịu một sức nén
trên một tấn!

Nhà hải dương học Giôn Meray đã làm một thí nghiệm khá lý thú: Ông lấy vải bọc kín
một ống thủy tinh rồi thả xuống độ sâu 5km. Khi kéo túi lên thì bên trong chỉ còn một
dúm cát trắng. Bàn tay sắt của nước đã bóp vụn ống thủy tinh này. Một mẫn gỗ dìm
xuống độ sâu này sẽ chìm vĩnh viễn như một viên gạch, vì “thủy thần” đã ép tới mức
trọng lượng riêng của nó lớn hơn của nước.

Qua đây chắc các bạn nảy ra ý nghĩ: Có lẽ với áp suất lớn như vậy thì càng ở sâu nước
càng bị nén chặt lại với nhau và trở thành một chất lỏng có tỷ trọng cao làm cho các vật
rắn ở trong nó không chìm xuống được, giống như sắt nổi trong thủy ngân.

Giuyn Véc, tác giả “Hai vạn dặm dưới đáy biển”, cũng đã nghĩ như vậy. Ông tả một số
tàu đắm bị “treo lơ lửng” dưới nước. Nhiều người cũng đồng ý với nhà văn và cho rằng
một người chết đuối ở biển thì chắc cũng chỉ chìm tới một độ sâu nào đó.

Thực ra, đó chỉ là những suy diễn cảm tính. Thí nghiệm đã cho biết rằng, giống như tất cả
các chất lỏng nói chung, nước bị nén rất ít. Khi bị nén thêm 1atm thì thể tích nó chỉ giảm
đi 1/22.000. Như vậy, nếu tàu thuyền bị đắm thì nó sẽ chìm thẳng một mạch đến tận đáy
và sẽ bị biển sâu bóp méo.

Con người đã phải suy nghĩ trước bàn tay sắt cảu nước, nhưng không vì thế mà chùn
bước.

Khi Giuyn Véc cho chiếc tàu ngầm Nautiluyt của mình lặn tới độ sâu không có trong
thực tế - 16.000m – ông đã thông qua nhân vật thuyền trưởng Nemo để nói lên những dự
đoán khá chính xác của mình: “… Tôi cảm thấy cái dây chằng của vỏ tàu hình như đang
run rẩy, các cột đỡ thân tàu muốn cong lại, và các cửa sổ do sức ép của nước hình như bị
đẩy lõm vào trong. Nếu con tàu của chúng ta không kiên cố như một khối đúc toàn vẹn
thì lập tức nó sẽ bị bóp bẹp như một chiếc bánh mì…”.

Sự lo lắng trên đây không phải là không có cơ sở. Vì ở độ sâu đó (nếu có trong đại
dương) thì mỗi phân vuông của thân tàu sẽ chịu một sức nén 1,6 tấn! Áp suất đó khó
nghiền nát sắt thép nhưng chắc chắn thừa sức bóp bẹp con tàu.

Ngày nay trong thực tế hình như chưa có một loại tàu ngầm nào xuống sâu quá bốn, năm
trăm mét. Đó mới chỉ là lớp bề mặt của đại dương. Muốn lặn sâu hơn, người ta phải dùng
một dụng cụ đặc biệt gọi là “tiềm thủy cầu”. Nó có hình cầu, là loại kết cấu chịu lực nén
tốt nhất như chúng ta đã biết. Các nhà bác học đã ngồi trong “tiềm thủy cầu” để thám
hiểm ở độ sâu 900m. Năm 1934, Uyliam Bíp và Otto Bacton đã xuống tới 923m. Nhưng
đó chưa phải là giới hạn cuối cùng.

Pica, một nhà bác học người Bỉ - người đã từng dẫn đầu về độ cao bằng khinh khí cầu
(16.000m) – quyết định sẽ chiếm cả kỷ lục về độ sâu. “Tiềm thủy khí” do ông chế tạo ra
cũng là một quả cầu thép như “tiềm thủy cầu” nhưng có thể di chuyển được, bơi lặn
được. Khi có bất trắc, những hạt thép chưa trong một bầu đặc biệt sẽ tự động ra và “tiềm
thủy khí” nổi lên.

Ngày 30/9/1953, hai cha con nhà bác học này đã chinh phục được độ sâu 3.150m trong
hai giờ rưỡi. Sau đó, hai nhà thám hiểm Guyom và Vinmo người Pháp đã phá kỷ lục trên
với độ sâu 4.050m.

Giáo sư Pica không chịu thua. Ngày 9/1/1960, ông lại xuống tới 7.300m. Nửa tháng sau
thì “tiềm thủy khí” của ông đã đến đáy vũng Marian. Và cuộc chạy đua về độ sâu cũng
chấm dứt.

Việc chiến thắng “bàn tay sắt” của Thủy tề có một ý nghĩa rất lớn. Nó đang mở dần cho
loại người những kho tàng quý báu nằm sâu trong những thềm lục địa và ẩn kín trong
lòng các đại dương.

Đại lực sĩ Paxcan

Bledo Paxcan (1623 – 1662) là một nhà bác học trẻ kỳ tài của Pháp. Ông đã từng được
coi là “Acsimet của nước Pháp” nhờ những phát minh lớn về toán học, vật lý và nhất là
chế tạo thành công chiếc máy tính số học đầu tiên cho loài người.

Thế nhưng, ngày nay ông còn được mệnh danh là một “đại lực sĩ”. Danh hiệu đó không
phải nhờ sức mạnh của bắp thịt, mà là nhờ sức mạnh của một định luật lớn của ông. Đó là
định luật về tryền áp suất trong chất lỏng, được ứng dụng rộng rãi và nhiều loại máy
khuếch đại lực.

Áp lực là lực ép vuông góc với mặt bị ép, còn gọi là mặt chịu lực. Khi ta ấn tay vào
tường, ta đã truyền cho tường một áp lực. Lực này hướng theo chiều ấn của tay. Nhưng
đối với chất lỏng và chất khí thì khác hẳn, áp lực truyền đi theo mọi hướng.

Khi bơm quả bóng, ta thấy bóng căng tròn. Điều này chứng tỏ áp lực của bơm được chất
khí truyền tới mọi điểm bên trong quả bóng. Khi ta ấn pittong của một chiếc bình hình
cầu, nước phun ra ở các lỗ về tất cả các hướng. Như vậy là nước đã truyền áp lực của
pittong tới mọi điểm bên trong thành bình. Thực nghiệm còn chứng tỏ rằng: Áp suất này
truyền đi nguyên vẹn, không bị mất mát dọc đường đi. Nếu bạn bơm quả bóng tới áp suất
2atm thì mọi điểm ở mặt trong của quả bóng đều chịu áp suất đó.

Đó là thực chất định luật Paxcan, gọi là định luật về truyền lực trong chất lỏng và chất
khí.

Nhà bác học đã chứng minh định luật này bằng thí nghiệm độc đáo sau:

Một xilanh chứa đầy chất lỏng, hai đầu có hai pittong, pittong lớn có diện tích gấp 100
lần pittong nhỏ. Paxcan đã tuyên bố rằng: Nếu một người ấn vào pittong bé thì phải 100
người mới giữ nổi pittong lớn!

Kết quả đã nghiệm đúng!

Quy luật trên đây không những đúng với chất lỏng (nước, xăng, dầu…) mà cả với các
chất khí. Và Paxcan đã kết luận: Các chất lỏng và chất khí truyền áp suất đi nguyên vẹn
theo mọi phương.

Ứng dụng định luật Paxcan, người ta chế tạo được nhiều máy khuếch đại lực. Đơn giản
nhất nhưng cũng hiệu nghiệm nhất là máy nén thủy lực.

Pittong phát động A nén chất lỏng xuống, thông qua hệ đòn bẩy, với một lực 10kg chẳng

hạn. Áp suất này truyền qua pittong khuếch đại B nguyên vẹn. Nếu diện tích của B lớn
gấp 100 lần của A, thì sức nén gây ra ở B cũng lớn hơn sức nén ở A 100 lần, tức bằng
1.000kg.

Như vậy theo định luật Paxcan ta có thể chuyển sức bình thường của con người thành
những áp lực lớn gấp bội để ép những vật rắn (gỗ, kim loại…). Các máy nén hiện đại có
thể tạo được sức ép hàng vạn tấn. Liên Xô đã chế tạo xong chiếc máy nén 75.000 tấn!
Dùng máy này có thể rập các chi tiết máy phức tạp, cứng và có kích thước lớn, phục vụ
cho các công trình thủy điện, tàu ngầm… và đặc biệt là có thể chế tạo ra kim cương.
Nhiều loại phanh hãm ô tô, xe lửa, kích nâng toa xe, thùng xe tải… cũng thuộc dòng họ
máy nén thủy lực. Người ta còn ứng dụng nguyên lý này trong việc truyền lực và điều
khiển tự động, trong giao thông vận tải, các công trình xây dựng… Đó là đối tượng
nghiên cứu của một chuyên ngành kỹ thuật mới, ngành “truyền động thủy lực”.




Oreca! Oreca!

Một hôm, để tạ ơn trời đất đã giúp mình lập nên nghiệp bá, vua Hierong đã quyết định
dâng lễ một chiếc mũ bằng vàng. Lượng vàng cần thiết được giao đầy đủ cho một người
thợ kim hoàn của hoàng cung. Đúng ngày hẹn, chiếc vương miện xinh đẹp được dâng lên
bệ ngọc. Nhà vua đang say sưa ngắm bảo vật thì một viên cận thần ghé tai cho biết là
chiếc mũ có pha… bạc! Mặt rồng bỗng sa sầm. Tuy nhiên, Hierong không có bằng chứng
gì để buộc tội người thợ gian tham.

Mũ có pha bạc không, và nếu có thì bao nhiêu?

Thật là một bài toán hóc búa!

Nhà vua liền cho vời Acsimet – vị cố vấn thông thái của triều đình – và nói:

- -

Khanh hãy xem trong chiếc vương miện này có bao nhiêu bạc, nhưng phải
giữ nó nguyên vẹn cho trẫm…

Mấy ngày đêm liền, Acsimet suy nghĩ để tìm cho bằng được cách làm.

Thế rồi, một hôm, khi đang ngâm mình trong chậu tắm, Acsimet cảm thấy toàn thân nhẹ
lâng lâng, tay chân co duỗi nhẹ nhàng… Một tia sáng lóe lên trong đầu ông… Ông vội
nhảy ra khỏi buồng tắm, quên cả mặc quần áo, vừa chạy vừa kêu: Oreca! Oreca!…

Dân phố tưởng nhà bác học bị điên!

Trước nhà vua và văn võ bá quan, Acsimet đã lấy hai thanh kim loại có cùng trọng lượng
với chiếc mũ, một bằng vàng nguyên chất và một bằng bạc nguyên chất.

Ông cho thanh vàng vào một bình đầy nước rồi đo thể tích trào ra. Đó chính là thể tích
của thanh vàng. Cũng bằng cách đó ông đã xác định được thể tích của thanh bạc. Tới khi
nhấn chìm chiếc mũ vào nước thì ông thấy lượng nước trào ra nhiều hơn trường hợp đầu
nhưng lại ít hơn trường hợp thứ hai. Và từ sự chênh lệch về thể tích đó, lượng vàng bị
đánh tráo đã được tính ra một cách chính xác.

Cơ sở khoa học của việc làm này đã được Acsimet nêu lên thành định luật. Đó là định
luật mang tên ông mà ngày nay mỗi học sinh lớp sáu đều biết: “Một vật khi nhấn vào
trong nước sẽ bị một lực đẩy từ dưới lên; lực đẩy này bằng trọng lượng của khối nước bị
vật chiếm chỗ”. Đó là lực đẩy Acsimet.

Qua cách làm trên đây của nhà bác học ta có thể rút ra hai nhận xét quan trọng: Cách đo

thể tích của những vật có hình thù phức tạp và cách dùng trọng lượng riêng để xác định
vật chất.

Nhân đây cũng xin nói thêm về cách cân đo vật có hình dạng phức tạp của người phương
Đông.

Ngày xưa, một ông vua Trung Quốc đã ra cho quần thần một bài toán hiểm hóc: Nếu ai
cân nổi con voi khổng lồ của nhà vua thì sẽ được thưởng một khối vàng bằng… trọng
lượng con vật.

Mọi người, từ tên lính hầu đến quan tể tướng, đều nhìn nhau lắc đầu lè lưỡi, bởi lẽ phần
thưởng quá hậu nhưng tìm đâu cho ra một chiếc cân để… cân voi? Nhưng rồi một bác lái
đò nghèo xin phép nhà vua thử chút tài mọn.

Bác cho dắt voi xuống một chiếc thuyền lớn. Khi thuyền hết tròng trành, bác thận trọng
đánh dấu ngấn nước, hay nói theo dân chài là “mớn thuyền”. Sau khi dắt voi lên, bác cho
khuân đá xuống cho tới khi thuyền chìm vừa ngang ngấn cũ. Và giờ thì chỉ việc khuân đá
lên cân dần là tìm được sức nặng của con voi lớn đó.

Từ việc cân voi ta có thể rút ra hai điểm: Bác lái đò đã biết dùng những vật nhỏ, dễ cân,
để xác định trọng lượng của một vật thể quá lớn kỹ thuật cân đo đương thời. Song, điều
sáng tạo ở đây là bác đã tìm được một vật thứ ba dùng làm chuẩn chung cho cả voi lẫn
đá, đó là “mớn thuyền”. Cách làm của bác cũng tương tự như Acsimet.

Năm 1798, tướng Napoleong Bonapac chỉ huy đạo quân Pháp tiến đánh Ai Cập và Xiry.
Khi đến một biển hồ nội địa, y ra lệnh dìm chết tất cả những tù binh người Ai Cập và Thổ
Nhĩ Kỳ để khỏi “vướng chân”. Lạ thay, lính Pháp cố sức dìm mà những người tù binh
này vẫn cứ nổi bồng bềnh trên mặt hồ! Thấy hiện tượng kỳ lạ, Bonapac cho Chúa Trời đã
phù hộ những tù nhân đó, nên y ra lệnh tha tội chết cho họ.

Ngày nay, chỉ cần nhắc lại định luật Acsimet là ta đã có thể tìm ra điều “thần bí” trên.

Biển hồ nội địa trên là Biển Chết, nằm giữa lãnh thổ Paletxtin, tiếp giáp với Gioocđani và
một phần với Itxraen. Nước ở đây rất mặn, không một sinh vật nào có thể sống được.
Trọng lượng riêng của nước biển này lớn hơn hẳn trọng lượng riêng của cơ thể người, vì
hàm lượng muối xấp xỉ đến 30%. Chính vì thế mà Biển Chết đã trả lại cho Bonapac
những tù binh mà y muốn dìm chết.

Ngày nay, Biển Chết vẫn như xưa. Một họa sĩ đã miêu tả biển này bằng một bức ký họa
khá lý thú: Một chàng trai đang nằm thoải mái trên mặt nước, tay trái cầm ô che nắng, tay
phải cầm sách. Thật y như anh đang nằm trên giường mà đọc sách vậy.

Định luật Acsimet được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống.

Bà con nông dân ta thường chọn hạt giống bằng cách thả hạt vào nước muối hoặc nước
bùn: Do trọng lượng riêng khác nhau nên hạt chắc chìm xuống dưới còn hạt lép thì nổi
lên trên.