ly thu

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

Ma sát của lốp xe hơi...2

Những cây cầu...3

Năng lượng con người...5

Đo huyết áp...7

Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều...9

Sức căng bề mặt và phổi...10

Động cơ xăng...11

Máy bay bay như thế nào?...14

Đi và chạy...15

Tai người và việc nghe...17

Lưỡng cực và lị vi sóng...18

Máy ghi điện tâm đồ...19

Điện giật...20

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)...22

Nghịch lí anh em sinh đơi...23

Photon và sức nhìn...24

Kính hiển vi điện tử...25

Màn hình tinh thể lỏng...27

Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm...27

Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo...30

Vật Lí về khơng trọng lượng...34

Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném...38

Sức cản khí động lực học...39

Âm học của phịng hịa nhạc: khoa học hay nghệ thuật?...44

Sự hồn chỉnh hiệu năng cho phịng Hịa Nhạc...45

Sự sơi và hiệu ứng Leidenfrost...49

Phải chăng sự tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu của chúng ta...53

Bay bằng từ...58

Từ học và đời sống...63

Vật Lí và đồ chơi...67

Thơng tin bằng sóng sáng dùng sợi quang học...70

Phép chụp ảnh toàn ký...74

Ứng dụng của laser...79

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

<b>Ma sát của lốp xe hơi </b>

Các lốp xe ảnh hưởng đến sự an toàn của bạn đến mức nào khi bạn lái xe trên
xa lộ? Yếu tố nào ngăn cho xe khỏi bị trượt và cho phép bạn kiểm soát xe khi bạn
cua xe hay dừng lại? Ma sát làm được gì ở đây?

Bề mặt lốp xe đóng vai trị chủ yếu
trong việc tạo ma sát hay chống trượt.
Trong điều kiện khô ráo, một lốp xe nhẵn
sẽ tạo lực đẩy lớn hơn bởi vì diện tích
tiếp xúc lớn hơn sẽ làm tăng lực ma sát.
Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua trên các
đường đua có bề mặt nhẵn không có
khía (Hình P.101).

Rủi thay, một lốp xe nhẵn tạo ra rất
ít ma sát khi đường ướt bởi vì sự ma sát

bị giảm đáng kể do có lớp nước rất mỏng bơi trơn giữa mặt đường và lốp xe. Lốp xe
có bề mặt nhiều khía sẽ tạo nên các rãnh cho nước bị ép thoát ra được và cho phép
lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường. Một lốp xe có khía có hệ số ma sát khơ và
ướt là khoảng 0,7 và 0,4. Giá trị này nằm giữa khoảng giá trị rất lớn khi khô (0,9) và
rất nhỏ khi ướt (0,1) đối với lốp xe nhẵn.

Lý thuyết ma sát cổ điển cần được sửa đổi cho lốp xe bởi vì cấu trúc mềm dẻo

của chúng và độ dãn của cao su. Thay vì chỉ phụ thuộc hệ số ma sát giữa bề mặt
đường và lốp xe (hệ số này quyết định bởi bản chất của mặt đường và cao su của
lốp xe). Khả năng dừng tối đa cũng còn phụ thuôc vào độ bền của lốp xe với lực xé
rách khi xe thắng gấp. Khi xe thắng gấp trên đường khơ, lực ma sát tạo ra có thể lớn
hơn sức bền của bề mặt lốp xe. Kết quả là thay vì chỉ bị trượt trên đường, cao su có
thể bị xé rách. Rõ ràng độ bền chống lại xé rách sẽ phụ thuộc vào lớp bố cũng như
hình dạng các khía.

Trọng lượng của xe được phân bố khơng đều trên diện tích tiếp xúc với mặt
đường, tạo các vùng áp suất cao thấp khác nhau (giống như khi bạn đi bộ bằng dép
mỏng trên sỏi). Độ bền chống xé rách sẽ

lớn hơn ở vùng có áp suất cao hơn.
Hơn nữa, kích thước của diện tích
tiếp xúc là rất quan trọng bởi vì lực đẩy là
động hơn là tĩnh tức là nó thay đổi khi
bánh xe lăn. Diện tích tiếp xúc càng lớn,
lực đẩy càng lớn. Do đó, với cùng tải và
trên cùng bề mặt khô, lốp xe rộng hơn sẽ
có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả năng
dừng tốt hơn.

Khi bạn đi mua lốp xe, hãy suy nghĩ

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

Xe đua chạy trên đường siêu tốc được trang bị lốp rộng, nhẵn gọi là “lốp tăng
tốc”. Lốp xe đua trên đường khơ có bề mặt tiếp xúc nhẵn. Lốp có khía được dùng
phổ biến để tạo rãnh cho nước thốt ra khi chạy trên đường ướt (Hình P.102). Bởi vì
nếu khơng có khía, lốp xe đua khơng thể chạy trên đường ướt.

Những cây cầu

Làm sao để qua sơng? Có lẽ câu trả lời đầu tiên là làm một chiếc cầu. Người ta
đã xây dựng những cây cầu trong nhiều thế kỷ, và ngày nay vẫn tiếp tục thiết kế và
xây dựng những cây cầu dài hơn, đẹp hơn.

Những cây cầu đầu tiên là những thân cây hay tấm đá gác lên hai bờ. Khoảng
cách giữa những tấm đó phụ thuộc vào chiều dài và sức bền của vật liệu. Sự phát
triển của giàn cầu, một tổ hợp các xà nối với nhau sao cho mỗi thanh chia một phần
trọng lượng cầu, làm tăng tỉ số sức bền trên trọng lượng. Thành phần của giàn cầu
là những thanh thẳng nối với nhau thành một loạt tam giác. Cấu trúc tạo thành nhẹ
hơn và cứng hơn một thanh đơn và có thể chịu tải trên một khoảng cách lớn hơn.
Trong thuật ngữ hiện đại thiết kế giàn cầu cần kiến thức về sự cân bằng và sức bền
vật liệu.

Hình P.201 - Cầu Mỹ
Thuận thuộc tỉnh Vĩnh
Long - Việt Nam là một
cầu treo chống đỡ tải trọng
bằng cách truyền các lực
căng dọc theo cáp treo tới
trụ chính, các trụ truyền
các lực nén xuống đất.

Những cầu giàn đầu
tiên được làm bằng gỗ.
Những giàn sau đó được
gia cố bằng sắt hay làm
toàn bộ bằng sắt. Vào cuối
thế kỷ 19, vật liệu phổ biến

để làm giàn cầu là thép. Hầu hết các cầu xa lộ ở Mỹ từ khoảng năm 1890 đến giữa
thế kỷ 20 là những cầu giàn thép, đặc biệt đối với

các nhịp từ 200 đến 400m.

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

thép này dùng giàn thép gia cố trên vòng cung cơ bản. Nhịp cầu lớn nhất cho cầu
vòng cung thép đã được ước tính là vào khoảng 900m.

Hình P.202 - Một cầu vịng cung chống đỡ tải của nó bằng cách truyền các lực
nén tới trụ chống. Cầu trên quốc lộ 1 ở California được tựa vào vách đá.

Những nhịp cầu dài nhất đạt được với những cầu treo, treo bằng những dây
cáp thép giữa những trụ cao. Đầu dây cáp được neo trên bờ bên kia bằng các chỗ
neo bằng bêtơng cứng. Nhờ có tỉ số sức bền trên trọng lượng lớn, cầu treo có thể
làm dài hơn các loại cầu khác. Cầu Askashi-Kaikyo ở Nhật là cầu có nhịp dài nhất
trên thế giới, với khoảng cách 170m giữa các trụ.

Các cầu treo ngày nay dựa nhiều vào các nhà thiết kế của cầu Brooklyn, John
Roebling và con trai là Washington Roebling. Vào năm 1866 Roebling Bố, người đã
đi tiên phong trong việc xoắn dây từ đầu neo này đến đều neo kia qua đỉnh của cột,
nhận nhiệm vụ thiết kế và xây dựng một cây cầu nối Brooklyn và Mahattan. Ba năm
sau, việc thiết kế hoàn thành, John Roebling chết vì bệnh uốn ván do tai nạn ngay tại
chỗ làm cầu. Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ và giám sát việc xây dựng bằng cách
dùng buồng kín nước gọi là buồng khí nén, để đến vùng áp suất cao ở móng cầu.
Trong khi đang làm việc trong buồng khí

nén, Washington Roebling bị bệnh khí ép
do buồng bị mất khí đột ngột. Ơng bị liệt
một phần, và giám sát phần còn lại của
công việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ

Ơng là Emily thực hiện các lệnh của ơng và
chỉ đạo thợ. Khi cầu khánh thành vào tháng
5 năm 1883 nó là cầu treo dài nhất trên thế
giới thời bấy giờ với nhịp chính dài 486m.

Hình P.203 - Cầu giàn truyền tải trọng
tới trụ bằng tổ hợp các lực nén (các vector
hướng vào nhau) và lực căng (các vector
hướng xa nhau). Cầu Mystic Tobin băng
qua sông Mystic ở Boston, Massachusetts,
là một ví dụ của cầu giàn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

Năng lượng con người

Định luật bảo toàn năng lượng có áp dụng cho cơ thể bạn khơng? Câu trả lời là
có.

Thực phẩm bạn ăn là nhiên liệu cung
cấp năng lượng cho bạn tồn tại và làm việc.
Các chất xúc tác, gọi là các enzyme, cho
phép đốt cháy nhiên liệu này ở nhiệt độ cơ
thể, biến đổi năng lượng hoá học thành
nhiệt và năng lượng khác. Nếu bạn nạp vào
quá nhiều nhiên liệu, một phần năng lượng
sẽ được lưu trữ trong khối lượng cơ thể và
bạn sẽ tăng cân. Nếu bạn nạp vào quá ít
năng lượng, bạn sẽ giảm cân. Do đó, nếu
bạn muốn duy trì cân nặng, năng lượng bạn
nạp vào phải bằng năng lượng cơ thể bạn
sử dụng. Sự cân bằng năng lượng này đôi

khi được gọi là năng lượng đủ sống.

Ở mọi nơi trên thế giới, năng lượng đều được đo bằng Jun. Calori là đơn vị
dùng phổ biến để đo năng lượng thưc phẩm. Khơng có gì ngạc nhiên là năng lượng
đủ sống phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và mức độ hoạt động. Hình B 3.1 trình
bày năng lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng cơ thể. Đường biên dưới ứng với
người ít hoạt động. Đường biên trên ứng với người rất hoạt động. Ở Mỹ hầu hết mọi
người nạp vào khoảng 2000 đến 3000 Calori mỗi

ngày.

Hầu hết năng lượng thực phẩm đưa vào chỉ để
làm cơ thể tồn tại và giữ ấm. Khi bạn nằm yên trên
giường, cơ thể bạn dùng năng lượng ít nhất, năng
lượng trung bình dùng trong điều kiện đó, gọi là tốc độ
trao đổi chất cơ bản, là khoảng 1400 Calori mỗi ngày
cho phụ nữ và 1600 Calori cho đàn ông. Tốc độ này
ứng với công suất trung bình khoảng 75W. Hầu hết
các năng lượng nạp vào dùng để taí tạo tế bào. Năng
lượng tiêu phí nhả ra dưới dạng nhiêt để duy trì nhiệt
độ cơ thể.

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

trung bình của một người đàn ông không hoạt động là vào khoảng 2800 Calori, cho
phụ nữ không hoạt động là khảng 2000 Calori. Những người làm việc nặng nhọc cần
nhiều năng lượng hơn. Ví dụ một lực sĩ cần khoảng 8000 Calori mỗi ngày.

Bạn dùng bao nhiêu năng lượng trong thể thao và các hoạt động khác? Bảng B6.1
cung cấp giá trị tiêu biểu cho một người nặng 70 kg. Để tìm giá trị cho bạn, nhân số trong
bảng với khối lượng của bạn và chia cho 70. Bảng chỉ cho năng lượng trung bình. Khi bạn
nhảy, ném hay cử tạ, năng lượng bạn cần có thể cao hơn.

Số Calori dùng bởi người nặng 70kg trong 10 phút

Hoạt động Năng lượng sử dụng

(Calori) (Jun)

Bóng chuyền 34 142,000

Đi bộ (5km/h) 40 167,000

Đi bộ (7km/h) 58 242,000

Chạy bộ chậm (7 phút - 1km) 91 380,000
Chạy bộ (5 phút –1km) 141 590,000

Đi xe đạp (10km/h) 47 197,000

Đi xe đạp (18km/h) 81 339,000

Bơi (ếch) 72 301,000

Bơi (sấp) 87 364,000

Thể dục mềm dẻo 49 205,000

Tennis 68 285,000

Bóng ném 95 398,000

Trượt tuyết (xuống dốc) 95 398,000
Trượt tuyết (đường bằng) 108 452,000
Trượt băng (vừa phải) 54 226,000

Chèo xuồng 70 293,000

Leo núi 100 420,000

Golf 54 226,000

Đo huyết áp

Hầu như mỗi khi bạn đi kiểm tra sức khỏe, người ta đo huyết áp của bạn. Đó là
một việc làm thơng dụng nhất của ngành y. Người ta quấn một băng quanh tay bạn,
bơm hơi căng, rồi lắng nghe qua ống nghe đặt vào tai trong khi nhả hơi ra từ từ.
Chuyện gì xảy ra khi người ta đo huyết áp?

Trái tim là một bắp thịt lớn, chịu trách nhiệm bơm máu đi khắp cơ thể. Máu từ
cơ thể quay về qua tĩnh mạch về ngăn bên phải tim. Tim bơm máu này qua phổi.
Phổi lấy khí dioxit cacbon ra khỏi máu và cấp oxy vào máu. Ngăn bên trái tim nhận
máu giàu oxy từ phổi và bơm nó đi khắp cơ thể qua động mạch. Máu chảy từ động
mạch đến tĩnh mạch qua các mao mạch.

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

cao hay thấp bất thường của huyết áp có thể chỉ ra tình trạng bệnh tật vơí mức độ
nghiêm trọng khác nhau.

Cách trực tiếp nhất
để đo huyết áp là nhét một
ống đầy chất lỏng vào
động mạch và nối nó tơí

một máy đo áp suất. Mặc
dù điều này thỉnh thoảng
được làm, nhưng nó rất
bất tiện. Phương pháp
thường được dùng nhất là
dùng một máy đo huyết áp.
Một băng không đàn hồi có
ruột có thể thổi phồng lên
được được đặt vào cánh
tay, ở độ cao vào cỡ độ
cao của tim. Băng được
nối trực tiếp tơí áp kế(Hình
P.401). Khi băng được
bơm phồng; nếu đủ áp
suất, máu chảy qua động
mạch tay sẽ dừng lại. Nêú
băng đủ dài và bó sát vào
cánh tay, áp suất trong mô
của cánh tay sẽ bằng áp
suát trên băng và cũng
bằng áp suất trong động
mạch. Thực tế là nguyên lý
Pascal đã được áp dụng
cho hệ thống gồm băng,
cánh tay và động mạch.

Sau khi dòng máu
chảy bị ngưng, áp suất
trong băng được giảm đi

bằng cách nhả bớt hơi. Sự giảm áp suất tương đương vơí đường chấm chấm trên
hình P.401. Tại điểm mà áp suất động mạch hơi vượt
qua áp suất trong băng, máu sẽ chảy qua. Sự tăng tốc
của máu qua mạch sẽ tạo ra một tiếng kêu nhận biết
được nhờ ống nghe. Khi có tiếng kêu này, áp kế chỉ
áp suất cực đại hay tâm thu. Khi áp suất trong băng
tiếp tục giảm, có một tiếng kêu khác, ứng vơí áp suất
tâm trương. Số đọc trên hình P.401 ứng vơí hai áp
suất này và thường đọc là “110 trên 80” là giá trị bình
thường cho người khoẻ mạnh.

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

Hình P.401 Đo huyết áp bằng maý đo huyết áp. Âm thanh nghe được trong cánh tay xảy
ra khi áp suất trong băng giảm xuống dươí áp suất tâm thu và áp suất tâm trương.

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ TIM MẠCH và
HUYẾT ÁP

Sphygmomameter cuff băng của máy đo huyết áp
Inflation bulb bóng bơm hơi

artery động mạch

Diastolic pressure áp huyết tâm trương
systolic pressure áp huyết tâm thu
cuff pressure áp suất trong băng
Arterial pressure pulses xung áp suất động mạch
Intraarterial pressure áp huyết trong động mạch
cuff pressure áp huyết trong băng

ventricle tâm thất

auricle tâm nhĩ

mitral valve van hai lá

tricuspid van ba lá

aorta động mạch chủ

pulmonary veins tĩnh mạch phổi
pulmonary artery động mạch phổi

Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều

Thủy triều là quen thuộc với bất cứ ai đã từng sống gần bờ biển. Ngoài biển
khơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét. Khi thủy triều tiến gần bờ, địa hình của bờ
thường làm nước dâng cao hơn, thường

vào khoảng ba mét. Thủy triều thay đổi
theo từng nơi. Trong một vài vùng thủy
triều thấp hơn, trong một số vùng khác
thủy triều cao hơn. Ở vịnh Fundy ở
Canada (Hình P.501) thuỷ triều lên cao
tới 15m.

Con người đã và đang mơ ước
biến được chuyển động của thủy triều
thành điện. Tuy nhiên, khả năng làm
điều này bị hạn chế tới một số ít vùng
nơi thủy triều thay đổi đủ lớn và nơi có
thể xây được các đập ngang qua các

kênh. Hiện nay, chi phí để xây dựng đắt hơn so với các phương pháp sản xuất điện
khác.

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

gần Mặt Trăng sẽ bị hút về Mặt Trăng với lực lớn hơn lực trung bình, trong khi phần
nước ở phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ hơn lực trung bình. Hơn nữa chuyển
động của Trái Đất quanh khối tâm cũng làm tăng chổ phồng của thuỷ triều về phía
Mặt Trăng. Kết quả là xuất hiện hai chỗ phồng lên của đại dương ở hai phía đối nhau
của Trái Đất.

Bởi vì Trái Đất quay
quanh trục của nó nhanh
hơn Mặt Trăng quay xung
quanh Trái Đất, và bởi vì ma
sát giữa nước biển và đáy
biển, Trái Đất kéo cực đại
thủy triều đi trước vị trí tính
tốn của cực đại này (Hình
P.502). Vị trí bất đối xứng
của các cực đại này so với
đường nối tâm Trái Đất và
Mặt Trăng tạo ra một
moment lực tác dụng lên

Mặt Trăng. Moment lực này làm tăng moment xung lượng của Mặt Trăng. Theo định
luật III Newton, một moment lực với cùng độ lớn sẽ tác động lên Trái Đất làm nó
quay chậm lại.

Mặc dù tổng moment xung lượng của hệ Mặt Trăng - Trái Đất là bảo toàn,
moment xung lượng được truyền từ Trái Đất sang Mặt Trăng. Cơ năng toàn phần

giảm do kết quả ma sát của thủy triều. Hệ quả là ngày sẽ dài ra vì Trái Đất quay
chậm lại, và tuần trăng sẽ ngắn lại do Mặt Trăng quay nhanh lên. Do sự tăng của
vận tốc, và do đó năng lượng, khoảng cách giữa Mặt Trăng và Trái Đất sẽ tăng lên.
Các hiệu ứng này đã được đo: độ dài của ngày đang tăng dần với tốc độ 20ms mỗi
năm, và Mặt Trăng đang đi xa khoảng 3cm mỗi năm. Các tính tốn chỉ ra rằng Mặt
Trăng sẽ tiếp tục đi xa Trái Đất cho đến khi nó đạt khoảng cách khoảng 75 lần bán
kính Trái Đất. Khi đó độ dài của ngày trên Trái Đất sẽ bằng tuần trăng, và Trái Đất và
Mặt Trăng sẽ quay cùng tốc độ. Khi đó Trái Đất sẽ ln ln quay một mặt về phía
Mặt Trăng, giống như Mặt Trăng hiện nay chỉ ln ln hướng một mặt về Trái Đất.

Hình P.502 - Cực đại thuỷ triều xảy ra trước đường nối tâm Trái Đất và Mặt
Trăng vì sự quay của Trái Đất. Hình nhìn từ trên cực xuống (kích thước thuỷ triều đã
phóng đại cho dễ nhìn.)

Sức căng bề mặt và phổi

Hãy hít vào một hơi dài. Bạn có lẽ khơng bao
giờ ngờ rằng, trong phổi có một hiện tượng
vật lí lý thú xảy ra mỗi khi bạn thở. Nó ln
ln xảy ra mà có thể bạn khơng hề biết,
nhưng hiện tượng đó thật là kỳ diệu.

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

người lớn có khoảng 600 triệu phế nang. Sức căng bề mặt của chất phủ mặt trong
của phế nang điều khiển nhiều chức năng quan trọng của phổi. Trước hết, hãy xét
hai quả bóng xà phịng nối với nhau bằng một ống có van (Hình P.601). Chuyện gì
sẽ xảy ra khi mở van? Khi mở van, bóng bóng lớn sẽ to lên trong khi quả bóng nhỏ
lại cho đến khi mất hẳn. Chúng ta có thể hiểu được điều này trên quan điểm năng
lượng. Giống như một giọt chất lỏng tự do có hình cầu để làm giảm tối thiểu năng
lượng bề mặt, các bong bóng xà phịng cũng biến đổi sao cho diện tích bề mặt là tối
thiểu. Diện tích bề mặt của một quả cầu lớn sẽ nhỏ hơn khoảng 30% so với diện tích

bề mặt của hai quả cầu nhỏ với cùng thể tích như quả cầu lớn. Do đó, khi mở van,
hai bong bóng sẽ nhập thành một.

Nếu hiệu ứng bóng bóng lớn thu lấy bóng bóng nhỏ xảy ra trong phổi, các phế
nang nhỏ hơn sẽ biến mất và các phế nang lớn hơn sẽ to lên. Điều này không xảy ra
nhờ chất bề mặt phổi, chất này phủ bên trong phổi. Thực nghiệm chứng tỏ rằng sức
căng của chất bề mặt phổi tăng theo diện tích, trái với

nước và hầu hết các chất lỏng khác. Điều này có nghĩa là
năng lượng bề mặt của các phế nang lớn hơn. Mặc dù có
tỉ số bề mặt trên thể tích nhỏ hơn, năng lượng bề mặt vẫn
có thể bằng năng lượng bề mặt của phế nang nhỏ hơn. Do
đó các t khí lớn và nhỏ vẫn có thể tồn tại cân bằng.

Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng sự biến thiên của
sức căng bề mặt với diện tích cũng giải thích một hiện
tượng khác trong phổi. Nếu bạn hít một hơi dài rồi thả lỏng
cơ ngực, khơng khí sẽ bị đẩy ra khỏi phổi. Một lý do của
điều này là tính đàn hồi của các mơ làm phổi co lại và ép
hơi ra. Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng tỏ rằng chỉ có tính
đàn hồi của phổi khơng đủ để giải thích hiện tượng mà lý
do chính của hiện tường này là do sức căng bề mặt trong
phế nang, làm cho chúng co lại và đầy hơi ra. Hơn nữa,
hiệu ứng này phụ thuộc vào chất mà sức căng bề mặt tăng
cùng vơí diện tích, nếu khơng xu hướng đẩy hơi ra khi phổi
đã xẹp xuống sẽ yếu hơn nhiều.

Việc thở bình thường chỉ có thể có được khi trong phổi có đủ chất bề mặt và có
sức căng bề mặt thích đáng. Nếu sức căng bề mặt lớn hơn bình thường sẽ khó thở,
nếu sức căng bề mặt thấp hơn bình thường xu hướng đẩy hơi ra khi phổi xẹp xuống

sẽ giảm. Vài trẻ em sơ sinh, đặc biệt là những trẻ thiếu tháng, khơng có đủ chất bề
mặt làm cho phổi khó nở ra. Nếu khơng dược chữa trị tức thời, những em bé này sẽ
chết ngay sau khi sinh vì thiếu oxy. Tình trạng này được gọi là hội chứng suy hơ hấp.
Hình P.601 - Mơ hình bằng nhựa của đường dẫn khơng khí trong phổi. Các
đường tận cùng bằng các phế nang.

Hình P.602

(a) Hai bong bóng xà phịng bán kính khác nhau nối qua một ống

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

Động cơ xăng

Các quảng cáo xe hơi mới thường nhấn mạnh sự gia tăng hiệu suất động cơ.
Quả thật là, trong những năm qua đã có những cải thiện thực sự trong việc tăng hiệu
suất động cơ. Nhưng điều này có thể tiến đến mức nào? Chúng ta hãy tìm hiểu bằng
cách phân tích một mơ hình đơn giản của động cơ xe hơi.

Các động cơ đốt trong làm thành một loại đặc
biệt của các động cơ nhiệt vì sự đốt nhiên liệu xảy ra
trong lịng động cơ. Ví dụ về động cơ đốt trong bao
gồm động cơ xăng, động cơ diesel và turbine khí. Ở
đây chúng ta sẽ xét động cơ xăng như là đại diện cho
động cơ đốt trong.

Chu kỳ hoạt động của hầu hết các động cơ xe
hơi là bốn thì (Hình P.701). Trong kỳ hút một hỗn hợp

xăng và khơng khí được hút vào cylinder qua van hút nhờ chuyển động đi xuống của
piston. Van đóng lại và hỗn hợp khí – nhiên liệu được nén. Tại cuối thì nén khí được
châm lửa bằng tia lửa điện

từ bugi, làm tăng nhiệt độ
và áp suất của khí. Khí
nóng dãn ra đẩy piston
trong kỳ sinh công, truyền
năng lượng cho trục khuỷu.
Van xả mở ra khi piston đi
lên lần nữa, đẩy khí đã đốt
ra ngoài trong kỳ xả. Van
xả đóng lại, van hút mở ra
và lặp lại một chu kỳ mới.

Phân tích giản đồ
cho một động cơ thực
rất khó (Hình P.702a).
Vì vậy, động cơ xăng
thường được phân tích
dựa trên một chu trình
đơn giản hóa, do
Nicholas
Otto(1831-1891) đề nghị. Chu trình
Otto bắt đầu tại điểm A
trên giản đồ PV của
(Hình P.702b). Thể tích
tăng ở áp suất không
đổi đến điểm B khi

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

Công sinh ra bằng diện tích bao trong chu trình B-C-D-E-B. So sánh chu trình
Otto với chu trình Carnot hoạt động cùng giữa hai nhiệt độ sẽ thấy hiệu suất của chu
trình Carnot cao hơn chu trình Otto. Chu trình Otto lại có hiệu suất lớn hơn chu trình

thực của động cơ. Động cơ xăng thực tế chỉ có hiệu suất khoảng 20-25%, khoảng
bằng một nửa giá trị tính theo chu trình Otto.

Trong những năm gần đây, các nhà thiết kế đã chế tạo các xe hơi hiệu suất
cao hơn. Các cảm biến điện tử được lắp đặt để điều khiển việc xả, và việc máy tính
kiểm sốt hỗn hợp khơng khí nhiên liệu nay đã phổ biến. Các tiến bộ khác như đốt
sạch, nạp nhanh, nhiều van và động cơ nhôm đã được dùng để tăng hiệu suất động
cơ, các phát triển trong tương lai khơng nghi ngờ gì nữa sẽ bao gồm việc máy tính
kiểm sốt q trình đốt và kiểm sốt bằng điện tử việc truyền năng lượng giữa động
cơ và các bánh xe trong mọi tình huống

Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động của động cơ bốn thì. Pít-tơng đi xuống và đi lên
hai lần trong mỗi chu kỳ.

Hình P.702 - Giản đồ cho:

(a) - Động cơ xăng thực

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Intake valve van hút

Air and fuel hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu

Spark plug bugi

exhaust valve van xả
crankshaft trục khuỷu
Intake stroke kỳ hút
compression stroke kỳ nén

power stroke kỳ sinh công
exhaust stroke kỳ xả

ingition q trình đánh lửa

Máy bay bay như thế nào?

Hàng khơng là một thắng lợi vĩ đại của thế kỷ 20. Mỗi ngày hàng trăm ngàn
người được chuyên chở trên không đi khắp thế giới. Một chiếc máy bay nặng hơn
không khí bay được là nhờ dịng khơng khí chuyển động qua cánh của nó.

Trước chuyến bay đầu tiên của họ vào tháng 12 năm 1903, anh em Wright đã
thử nghiệm nhiều hình dạng cánh trong

ống khí động để tìm ra dạng cánh sản
sinh nhiều lực nâng nhất. Hình dạng này,
thường gọi là dạng cánh máy bay, được
chỉ ra trên hình P.802 cùng với dịng khí
chuyển động. Khơng khí chuyển động
phía trên cánh phải đi một đoạn đường
dài hơn khơng khí chuyển động phía dưới
cánh. Kết quả là, khơng khí chuyển động
phía trên phải đi nhanh hơn không khí
chuyển động phía dưới. Hình dạng của
cánh máy bay cũng làm cho các đường
dòng dày hơn ở phía trên, giống như
trong đường ống bị hẹp lại. Kết quả là
vùng khí ngay phía trên cánh sẽ có áp
suất nhỏ hơn vùng khí phía dưới cánh.
Bởi vì lực ép từ trên xuống nhỏ hơn lực
ép từ dưới lên, một lực nâng xuất hiện.

Chú ý là để có lực nâng cần có dịng khí
chuyển động tương đối so với cánh. Điều
này ứng với hoặc là cánh chuyển động
qua không khí đứng yên hay khơng khí
chuyển động qua cánh đứng n.

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

giấy làm tờ giấy nâng lên. Hiệu ứng này cũng giống như hiệu ứng nâng cánh máy
bay. Thêm vào đó, góc đụng, hay độ nghiêng của cánh đối với dịng khí, có thể được
thay đổi để làm tăng lực nâng. Nếu mép trước của cánh cao hơn mép sau, lực
khơng khí tác dụng vào phía dưới cánh sẽ nhiều hơn phía trên cánh. Trong trường
hợp này lực nâng xảy ra ngay cả với cánh phẳng. Tuy nhiên, nếu góc đụng q lớn,
dịng sẽ chuyển động xốy và hiệu áp suất khơng cịn nữa. Nếu xốy lớn, máy bay
sẽ chịng chành.

Nói chung, khi dịng khí qua cánh tăng, cả lực nâng và lực kéo (lực cản) đều
tăng. Cánh máy bay được thiết kế sao cho phi cơng có thể thay đổi hình dạng cánh
trong khi bay, tạo ra lực nâng lớn hơn ở tốc độ thấp khi cất cánh và hạ cánh và giảm
bớt lực kéo khi lượn. Trong khi cất cánh và hạ cánh, các cánh phụ được mở ra sau
và xuống dươí ở mép sau của cánh (Hình P.804), làm tăng lực nâng, trên vài máy
bay việc mở cánh phụ làm tăng diện tích cánh khoảng 25%, làm tăng lực kéo đáng
kể. Đồng thời, mép trước của cánh có thể được chuyển tới trước tạo thành một khe
hướng lớp khơng khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy và tăng lực nâng. Ở
tốc độ cao, phi cơng đóng khe lại và thụt các cánh phụ vào để giảm lực kéo. Hành
khách trên chuyến bay có thể thấy những

thay đổi này trên cánh trong khi bay.
Chúng ta cần chỉ ra rằng lực nâng
khơng tn theo chính xác phương trình
Bernoulli. Lý do là phương trình Bernouli
chỉ đúng cho lưu chất khơng nén được và

khơng nhớt, trong khí khơng khí là có thể
bị nén và có nhớt. Tuy nhiên, hiệu áp suất
và do đó lực nâng, quả thật đã xảy ra
trong khơng khí, ngay cả khi độ lớn khơng
tn theo đúng định luật Bernouli.

Đi và chạy

Để có vài ý tưởng về nguyên tắc cơ bản của việc đi và chạy chúng ta sẽ giả
thiết là chân của chúng ta là một thanh dài đồng

chất tiết diện đều. Chúng ta có thể mơ tả chân
bằng một mơ hình phức tạp hơn, nhưng về cơ bản
những kết luận của chúng ta sẽ không thay đổi.

Hình P.902 trình bày một thanh chiều dài L
treo ở một đầu (điểm O) và có thể dao động tự

do. Chu kỳ của con lắc sẽ là:

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

giá trị này. Hãy đứng lên và lắc chân theo chiều trước sau một cách tự do. Đừng cố
gắng dùng sức. Sau khi chân bạn dao động tự do, đếm số lần dao động trong
khoảng 10 giây và tính chu kỳ. So sánh giá trị bạn đo được với giá trị tính theo biểu
thức. Để xác định chiều dài chân của bạn đo từ xương hông xuống. Chúng ta có thể
dùng mơ hình này để ước tính nhịp đi của một người. Chúng ta giả sự rằng nhịp đi
tự nhiên là nhịp đi địi hỏi ít sức lực nhất – nhịp đi với chu kỳ tìm được ở trên. Trong
gần đúng đầu tiên chúng ta giả sử là chiều dài của bước chân tỉ lệ với chiều dài của
chân. Thời gian của một bước là một nửa chu kỳ ở trên. Vận tốc v do đó sẽ phụ
thuộc vào chiều dài chân.

Phương trình này dự đốn là người có chân dài hơn sẽ đi nhanh hơn. Dự đốn
này rút ra trên cơ sở mơ hình về tiêu thụ năng lượng cực tiểu và mơ hình rất dơn
giản của chân. Tuy nhiên, dự đoán này rất phù hợp với kinh nghiệm thông thường.

Khi một người chạy, mơ hình của chúng ta buộc phải có thay đổi quan trọng.
Trong khi chạy, chân không dao động tự do mà chịu một Moment lực quanh diểm O.
Moment lực này là kết quả của lực F do bắp thịt tác dụng. Lực này gần đúng tỉ lệ với
tiết diện cơ. Nếu chúng ta giả thiết là, đối với những người có kích thước khác nhau,
tỉ lệ tương dối của chân là như nhau, và do đó lực F, sẽ phụ thuộc vào bình phương
của chiều dài L. Moment lực tỉ lệ với tích của F và L:

Moment quán tính I tỉ lệ với khối lượng nhân với bình phương chiều dài. Một
lần nữa chúng ta giả thiết rằng tất cả các chân có cùng tỉ lệ, tức là chiều rộng và
chiều dày tỉ lệ với chiều dài. Khi đó khối lượng tỉ lệ với lập phương chiều dài:

Có thể chứng minh rằng chu kỳ T của một thành dài L dao động chịu một
Moment lực sẽ phụ thuộc vào Moment lực và Moment quán tính

Thay giá trị của I và t vào, ta có<b> </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

Do đó chúng ta có dự đốn rằng, đối với động vật có hình dạng chân đơn giản,
vận tốc khi chạy khơng phụ thuộc vào chiều dài chân. Dự đoán này dĩ nhiên là khơng
đúng một cách chặt chẽ. Tuy nhiên, mơ hình này cũng giải thích được một hiện
tượng thực tế là những người chân dài khi đi bình thường nhanh hơn rõ rệt những
người chân ngắn, trong khi tốc độ của họ khi chạy không phải luôn luôn lớn hơn
những người chân ngắn một cách đáng kể.

<b>Tai người và việc nghe</b>

Tai người tốt đến mức nào

trong việc nghe? Chúng ta có thể
nghe các âm thanh từ tiếng vo ve
của muỗi đến tiếng gầm của động
cơ phản lực. Trong mỗi trường
hợp, khơng khí dao động. Dao
động của khơng khí vào tai, tác
động lên màng nhĩ, làm cho
chúng ta nghe âm thanh. Tai
người là một máy nghe cực kỳ tốt
vì có thể làm việc trên một dải
rộng cường độ và tần số.

Tai của chúng ta không nhạy như nhau đối với mọi tần số. Trong hình P.1001
minh họa cường độ của âm thanh nhỏ nhất mà tai có thể nghe được ở các tần số
khác nhau. Miền cực tiểu của đường cong là nơi tai nhạy nhất ứng với tần số 3-4
kHz. Đây là dải tần số các nốt cao của đàn piano.

Chúng ta có thể thấy tai nhạy đến mức nào bằng cách dùng mối liên hệ giữa
biên độ và cường độ. Để tìm biên độ của một âm thanh có thể nghe được bởi một
người thính tai, chúng ta có thể dùng giá trị tối thiểu có thể nghe thấy được của
cường độ, là 10-12W/m2 , và tần số 4000Hz ứng với vùng tần số nhạy nhất. Khi
dùng các giá trị này, cùng với các tham số thích hợp khác, chúng ta tìm ra biên độ
dao động khoảng 3 x 10–12_{m. Đây quả thật là một sự dịch chuyển rất nhỏ; nó cỡ gần}
bằng 1/100 của đường kính phân tử oxigen cấu tạo nên khơng khí. Khơng nghi ngờ
gì nữa, màng nhĩ của bạn rất nhạy để có thể đáp

ứng được một sự thăng giáng nhỏ như vậy.

Trái lại, âm thanh quá lớn có thể gây đau đớn,
ví dụ 120dB hay lớn hơn, có biên độ khoảng 3x10

-6_{m. Dầu giá trị này lớn hơn biên độ của âm thanh}
nhỏ nhất, nó vẫn cịn khá nhỏ. Nếu một tờ giấy dày
cỡ này, 400 trăm tờ giấy mới dày cỡ 1mm.

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

những ống như vậy. Chiều dài trung bình của ống tai là khoảng 2,5cm, do đó tần số
cộng hưởng sẽ vào khoảng 3400Hz. Trong hình cho thấy sự tăng của độ nhạy trong
miền cộng hưởng này. Thật là lý thú nếu để ý rằng đây cũng là tần số của tiếng khóc
trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, vùng này hơi cao hơn dải tần số của tiếng nói người lớn, chủ
yếu nằm trong miền 500-2000Hz. Các máy trợ thính thụ động khơng cần pin đã
được thiết kế để dịch chuyển miền cộng hưởng này xuống dải tần số của tiếng nói
người lớn. Bắt đầu vào tuổi thanh niên, độ nhạy của tai người giảm dần cả về dải tần
số và ngưỡng nghe. Một đứa trẻ có thể nghe âm thanh có tần số 40kHz. Vào tuổi
thanh niên giới hạn trên này giảm xuống cỡ 10kHz và từ đó tiếp tục giảm khoảng
160Hz mỗi năm. Đối với người 50 tuổi, giới hạn trên 10-15_{kHz là điển hình.}

Việc điếc tạm thời thường xảy ra sau khi nghe tiếng động quá lớn. Sau đó tai
phục hồi khả năng nghe trở lại. Tai sẽ bị hư hỏng nhiều hơn nếu nghe tiếng ồn lặp
lại. Những người làm việc trong môi trường ồn sẽ bị giảm sức nghe vĩnh viễn. Vì vậy
họ thường đội mũ che tai hay dùng nút bịt tai để chống ồn, các nhạc công chơi nhạc
lớn tiếng trong thời gian dài thường dùng mũ bịt tai.

<b>Lưỡng cực và lị vi sóng</b>

Mặc dù lị vi sóng là một phát minh tương đối gần đây, nó đã trở nên phổ biến
khắp thế giới. Nhiều người không suy nghĩ gì khi dùng nó để hâm thức ăn, hay khi
nấu nhanh một món gì đó. Nhưng tại sao lị vi sóng nấu nhanh như vậy? Nó hoạt
động ra sao và an toàn đến mức nào?

Một lực điện tồn tại giữa hai phân tử có cực, ví
dụ như phân tử nước trong hình P.1201, mặc dù

chúng khơng tích điện. Một phần liên kết giữa các
phân tử là do tương tác lưỡng cực. Trong một điện
trường đều, một phân tử có cực chiu tác dụng của
một moment lực có xu hướng xoay lưỡng cực nằm
theo chiều điện trường. Nếu chúng ta đảo hường
điện trường, một moment lực mới sẽ xuất hiện làm
xoay phân tử theo chiều ngược lại. Nếu phân tử là cơ
lập, nó có thể quay tự do. Tuy nhiên, nếu phân tử liên

kết với các phân tử khác trong vật chất, nó sẽ bị “ma sát” khi quay. Lực ma sát này là
do sự phá vỡ liên kết giữa các phân tử. Nếu hướng của điện trường thay đổi nhanh
chóng, năng lượng dùng để chống lại ma sát sẽ toả ra

dưới dạng nhiệt trong lịng chất đó.

Các vi sóng, là các sóng tần số cao, có thể tạo ra
điện trường thay đổi nhanh chóng. Ở Bắc Mỹ, lị vi
sóng được thiêt kế để dùng ở nhà có tần số
2450MHz(bước sóng 12,2 cm). Vi sóng có thể được
tạo ra và tập trung vào một thể tích nhỏ trong lị (Hình
P.1202). Những sóng này, giống như sóng âm hay
sóng ánh sáng, có thể truyền qua, phản xạ hay hấp
thụ. Vi sóng dễ dàng truyền qua khơng khí, thuỷ tinh,
giấy và nhiều loại nhựa. Vi sóng bị phản xạ trên kim

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

Lị vi sóng có thể nấu nhanh chóng là vì vi sóng đi xun qua lớp ngồi của
thức ăn và nung nóng ngay bên trong lịng thức ăn. Trong lị thơng thường, năng
lượng chỉ truyền tới bề mặt thức ăn. Bởi vì vi sóng phản xạ ở thành bên trong của lị,
nó có thể tạo thành sóng dừng trong lị, tương tự như sóng âm tạo thành sóng dừng
trong ống. Các nút và bụng của sóng dừng sẽ làm cho thức ăn chín khơng đều. Hiệu

ứng này được giảm bớt bằng cách dùng cac cánh quạt (bộ khuấy) để làm tan sóng
đứng và bằng cách quay mâm đựng thức ăn. Thức ăn đựng trong hộp kim loại sẽ
khơng nấu được vì vỏ kim loại ngăn khơng cho vi sóng vào bên trong.

Cần cẩn thận khi dùng lị vi sóng. Cơng suất của lị vi sóng khoảng 500W, đủ
cao để gây cháy. Tuy nhiên, một mức năng lượng vi sóng rất thấp khơng đủ để nấu
có thể gây nguy hiểm cho người. Do đó, các tiêu chuẩn chặt chẽ đã được đề ra
nhằm hạn chế bức xạ có thể thốt ra từ lị vi sóng. Ở Mỹ tiêu chuẩn này qui định ở
khoảng cách 2cm từ cửa lò mật độ năng lượng bức xạ không được vượt quá
1mW/cm2_{. Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng ở mức từ 0,1 đến 1,0 mW/cm}2_không
gây nguy hiểm rong khoảng thời gian 8 giờ. Để an toàn, một vỏ đóng kín bảo đảm
cho bức xạ khơng thốt ra khỏi lị. Thêm vào đó, điện tự ngắt khi bạn mở cửa lò, để
cho phép bạn thấy bên trong lò, hầu hết các lị vi sóng có một cửa sổ bằng lưới kim
loại. Lưới này là không trong suốt với bước sóng dài nhưng có thể cho ánh sáng đi
qua.

Máy ghi điện tâm đồ

Ứng dụng của điện tử học trong công nghiệp,
viễn thơng, máy tính và giải trí là đáng kể. Tuy
nhiên, điện tử học cịn có ảnh hưởng lớn lao đến y
học. Các nhân viên xét nghiệm, thường dùng thiết
bị điện tử để phân tích mẫu máu và dùng các thiết
bị tinh vi điều khiển bằng máy tính cho nhiều mục
đích chẩn đốn khác. Một trong những ví dụ kinh
điển về điện tử trong y học là máy ghi điện tâm đồ,
một cơng cụ đã trở thành tiêu chuẩn trong chẩn
đốn. Về cơ bản máy ghi điện tâm đồ bao gồm
một bộ khuếch đại điện tử gắn với những máy ghi
để biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của một

điện thế gắn liền với nhịp

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

P.1301b). Ngay sau khi khử cực, cơ quay về trạng thái ban đầu và phân cực trở lại
(Hình P.1301c). Chuỗi thay đổi này được gọi là điện thế hoạt động. Trong khoảng
mili giây của thế hoạt động, cơ bắt đầu co. Hiệu điện thế ứng với thế hoạt động
khoảng 100mV (Hình P.1302). Kết quả của các hoạt động này là một xung điện xảy
ra với mỗi nhịp tim, cũng như sự co của bât cứ cơ nào khác. Điện thế liên kết với cơ
tim có thể ghi nhận từ bên ngồi (Hình P.1303). Hiệu điện thế bên ngoài tiêu biểu cỡ
1mV. Do sự co cơ của bất cứ bắp thịt nào cũng tạo ra các xung tương tự, điện tâm
đồ thường được ghi với bệnh nhân nằm bât động.

Điện thế hoạt động cũng xảy ra khi có hoạt động thần kinh. Do đó, hoạt động
điện của não có thể ghi lại theo cách cơ bản giống như đã làm với tim. Ở bề mặt da
đầu tín hiệu này chỉ có độ lớn cỡ 50mV. Do đó, để ghi được sóng não, các hoạt
động cơ phải bị cấm, bởi vì tín hiệu ghi nhận từ các cơ có thể lớn hơn hai mươi lần
từ não. Hình ảnh ghi được của sóng não gọi là điện não đồ.

<b>Điện giật</b>

Điện giật là mối nguy gắn liền với mọi thiết bị điện. Sự nguy hiểm này khơng
phải chỉ có ở những đường dây cao thế. Nhiều

người đã bị điện nhà 220V giật chết hay là chỉ bởi
tiếp xúc với các thiết bị điện cơng nghiệp có điện
thế 40-50V.

Đại lượng quan trọng trong điện giật không
phải là điện thế, mà là cường độ dòng điện đi qua
cơ thể (Hình P.1501). Do đó bất kỳ thiết bị điện
nào dùng điện nhà cũng có thể cung cấp một dịng

nguy hiểm. Dịng điện có thể xác định bằng định
luật Ohm, nhưng do điện trở của người thay đổi
một cách đáng kể, khó có thể đưa ra giá trị chính
xác của điện thế nguy hiểm. Ví dụ điện trở hiệu
dụng của cơ thể người phụ thuộc nhiều vào diện
tích tiếp xúc và tình trạng của da. Nhưng điện trở
của da có thể thay đổi từ 5,000,000 W khi khơ cho
đến nhỏ khoảng 500W khi ướt. Sự nguy hiểm của
điện giật khơng chỉ phụ thuộc vào dịng điện mà

cịn phụ thuộc vào đường đi của dòng diện qua cơ thể. Một dịng điện đi từ ngón tay
tới cùi chỏ có thể gây đau và khó chịu nhưng cũng dịng điện đó nếu đi từ tay này
sang tay kia ngang qua ngực có thể gây chêt người.

Dịng điện có thể gây nguy
hiểm cho cơ thể theo ba cách:

1. Nó cấp nhiệt
và làm cơ thể phỏng

2. Nó làm gián
đoạn hoạt động của hệ
thần kinh và tim

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

được. Dòng điện cỡ 20mA có thể làm khó thở và dịng điện cỡ 75mA có thể
làm ngưng thở hồn tồn.

Dịng điện giữa 100 và 200mA làm cho tim loạn nhịp. Kết quả có thể chết
người. Ở dịng điện lớn hơn, tim có thể ngừng đập hồn tồn khơng loạn nhịp. Trong
tình trạng này, cơ hội sống sót có thể tốt hơn, vì nhịp tim dễ khôi phục khi ngưng hẳn

hơn là khi loạn nhịp. Liệu pháp để chống loạn nhịp dùng trong cấp cứu là dùng một
xốc điện để làm tim đứng hẳn và tìm cách khơi phục lại nhịp tim.

Cách chữa tốt nhất đối với điện giật là đề phòng. Hãy cẩn thận với điện ở mọi điện thế,
hãy luôn luôn tuân thủ các qui định khi làm việc với thiết bị điện.

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐIỆN GIẬT

threshold of sensation ngưỡng cảm giác
mild sensation cảm giác nhẹ
painfuf shock xôc đau
muscle paralysis liệt cơ

severe shock sốc nghiêm trọng
breathing stops ngưng thở

severe burns cháy

<b>Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)</b>

Trong hai thập kỷ vừa qua một cuộc cách mạng đã xảy ra trong chụp ảnh chẩn
đoán y học. Nhiều phương pháp mới đã được phát triển để nhìn sâu vào cấu trúc cơ
thể mà không cần phẫu thuật hay dùng bức xạ ion hóa. Một trong những phương
pháp tốt nhất là chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic Resonance Imaging).

</div>
<span class='text_page_counter'>(21)</span><div class='page_container' data-page=21>

Nếu sự sắp xếp của các moment từ hạt nhân bị
nhiễu loạn bởi một từ trường xung, chúng sẽ quay về
trạng thái ban đầu sau một một thời gian đặc trưng
gọi là thời gian trễ. Các hạt nhân Hydro ở trong các
loại mơ khác nhau có thời gian trễ khác nhau. Bằng

cách dùng hiệu ứng thời gian trễ này khi tạo ra hình
ảnh, MRI có thể phân biệt các loại mô khác nhau
ngay cả khi mật độ các nguyên tử Hydro như nhau.

Trong một số trường hợp điều này cung cấp ảnh rõ hơn ảnh tia X vốn rất kém trong
việc phân biệt các mô.

Đối với bệnh nhân phần thấy được
của hệ thống MRI là một nam châm để
tạo từ trường (Hình P.1602). Nam châm
này thường là nhiều cuộn dây quấn
quanh một trục chung với một lỗ khoan
cỡ một mét. Những cuộn dây này dùng
dây dẫn là chât siêu dẫn và được đặt
trong buồng Heli lỏng, làm lạnh dây đến
dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Nam
châm này có thể tạo ra từ trường tới cỡ
1.5 Tesla với độ đồng đều đạt đến cỡ 1
phần triệu trong thể tích 1cm3_.

Các cuộn dây bổ sung được dùng để cung cấp gradient từ trường theo các
hướng mong muốn, với sự chọn lựa

đúng đắn các giadient, có thể tạo ra một
lát cắt hai chiều của vật. Các ảnh này có
thể chụp theo các phương ngang, dọc,
đứng. Những cuộn dây anten riêng biệt
đựọc dùng để thu tín hiệu. Dùng đúng
cuộn có thể cải thiện độ phân giải của
ảnh. Ví dụ, một số cuộn đặc biệt được

dùng để thu ảnh của đầu người.

Với cường độ từ trường điển hình

cỡ 1 Tesla, tần số cộng hưởng từ nằm trong dải sóng ngắn, 108Hz. Bởi vì năng
lượng của sóng này rất nhỏ, MRI là an tồn hơn nhiều so với tia X, vì tia này có thể
phá vỡ liên kết hóa học trong cơ thể.

Hình P.1604 - Ảnh chụp bộ não của người bình thường và của bệnh nhân tâm

thần phân liệt

</div>
<span class='text_page_counter'>(22)</span><div class='page_container' data-page=22>

<b>Nghịch lí anh em sinh đôi</b>

Một điểm hấp dẫn của thuyết tương đối là nghịch lí anh em sinh đơi. Vấn đề
này đươc phát biểu một cách đơn giản. Tưởng tượng có 1 cặp sinh đôi giống hệt
nhau, một là nhà khoa học và một là phi hành gia. Phi hành gia đi tàu vũ trụ lên thăm
một ngôi sao. Anh ta đi với vận tốc 0,99c

trong một chuyến bay kéo dài 35 năm, theo
đồng hồ trên Trái Đất.

Thời gian trong phi thuyền trôi chậm
hơn so với trên Trái Đất. Khi phi hành gia
quay về, anh ta sẽ trẻ hơn người em sinh đôi
ở nhà:

Trong đó là khoảng thời gian đối với
phi hành gia và là khoảng thời gian của
người em trên mặt đất. Sự sai biệt về tuổi sẽ

phụ thuộc vào thời gian chuyến bay và vận

tốc của phi thuyền. Trong trường hợp này, người ở Trái Đất sẽ già thêm 35 tuổi
trong khi người trên phi thuyền chỉ già đi 5 tuổi.

Nếu chúng ta xem xét mọi việc trong hệ qui chiếu gắn với phi thuyền, thì phi
hành gia lại thấy người em trên Trái Đất di chuyển với vận tốc 0,99c so với con tàu.
Do đó nhà khoa học trên Trái Đất sẽ trẻ lâu

hơn. Tới đây xuất hiện nghịch lý: Người nào
trong số hai anh em sinh đôi cũng nghĩ là
mình già hơn người kia 30 tuổi.

Chúng ta sẽ giải quyết được nghịch lý
này nếu nhớ lại các tiên đề của lý thuyết
tương đối. Tiên đề thứ nhất phát biểu rằng tất
cả mọi hệ qui chiếu quán tính là tương
đương. Nhưng trong trường hợp hai anh em
sinh đôi, hai hệ qui chiếu rõ ràng không
tương đương. Phi hành gia không thể chuyển

động với vận tốc không đối, trước tiên phải gia tốc để đạt đến vận tốc lớn, rối lại gia
tốc khi quay quanh ngôi sao, rối gia tốc khi quay về Trái Đất. Không phụ thuộc vào
chuyến bay tiến hành như thế nào, phi hành gia buộc phải gia tốc lúc ra đi và lúc
quay về. Do đó hệ qui chiếu gắn với phi thuyền khơng phải là hệ qui chiếu qn tính,
và hai quan điểm thời gian là khơng tương đương. Bởi vì trong trường hợp này có
thể coi Trái Đất là hệ qui chiếu qn tính, người sống trên Trái Đất sẽ có quan điểm
đúng: người trên phi thuyền sẽ chậm già hơn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(23)</span><div class='page_container' data-page=23>

gian đó. Chỉ sau khi họ cùng gặp lại nhau trong cùng hệ qui chiếu quán tính họ mới

thấy sự khác biệt.

Hình P.1701 - Thiên hà Centaurus A ở khoàng cách từ 10 đến 28 triệu năm ánh
sáng, Nếu bạn có thể đi quãng đường 10 triệu năm ánh sáng với vận tốc 0,99c ,
cuộc hành trình đối với bạn dài 1,4 năm triệu năm. Nếu bạn có thể chuyển động với
vận tốc 0,999999999999c, chuyến bay chỉ mất 14 năm.

<b>Photon và sức nhìn</b>

“Chúng ta có thể thấy ánh sáng
yếu tới mức nào?” Nói cách khác,
“Số photon tốí thiểu là bao nhiêu trên
võng mạc để chúng ta nhận ra được
nháy sáng?”. Chúng ta thấy một
nháy sáng khi các thụ thể nhạy sáng
trong võng mạc được kích thích. Có
hai lọai thụ thể, hình que và hình
nón, mỗi loại có một phân tử nhạy
sáng riêng gọi là sắc tố thị giác(Hình
P.1801). Thụ thể hình nón chịu trách
nhiệm về hình ảnh màu và nằm chủ
yếu ở điểm vàng, vùng nhạy sáng
nhất. Thụ thể que nhiều hơn chủ yếu
nằm ngoài điểm vàng. Chúng không
truyền thông tin về màu, nhưng nhạy
sáng hơn thụ thể nón. Chú ý rằng
võng mạc của người theo một nghĩa
nào đó là hơi bị ngược. Các thụ thể
nằm ở phía sau của võng mạc, ở
phía xa hướng ánh sáng tới. Để ánh

sáng đến được các thụ thể nó phải đi qua phần lớn võng mạc, chủ yếu là các tế bào
trong suốt.

Câu trả lời cho câu hỏi ban đầu của chúng ta được được cung cấp bằng thực
nghiệm do Hecht, Shlaer và Pirene tiến hành vào khoảng năm 1940. Phần đầu tiên
của thí nghiệm xác định xem bao nhiêu photon phải tới giác mạc để gây ra cảm giác
sáng. Phần thứ hai của thí nghiệm xác định xem bao nhiêu photon thực sự đến
được các thụ thể.

Thiết bị thí nghiệm tạo ra một nháy sáng khoảng 0.1s rơi vào một vùng võng
mạc có khoảng 500 thụ thể que. Ánh sáng có cường độ cực đại tại 510nm, tương
ứng với vùng nhạy nhất của thụ thể que. Mục đích thí nghiệm là nháy sáng ngẫu
nhiên và hỏi xem lúc nào thấy nháy sáng. Cường độ của ánh sáng được hạ thấp tới
mức không thấy nháy sáng nào, từ đó xác định được ngưỡng. Các nhà thực nghiệm
đã xác định được khoảng 100 photon đến giác mạc. Đây thực sự là một lượng rất
nhỏ! 100 photon phát ra trong 0.1s ở bước sóng 510nm là nhỏ hơn 10-5W.

</div>
<span class='text_page_counter'>(24)</span><div class='page_container' data-page=24>

photon này bị hấp thụ trong võng mạc trước khi đến được thu thể que. Các thí
nghiệm sâu hơn chứng tỏ rằng chỉ có khoảng 5 photon rơi trên vùng 500 thụ thể que
là đủ để tạo một nháy sáng.

Xác suất để 1 thụ thể que trong số 500 thụ thể que hấp thụ nhiều hơn một
photon là rất nhỏ. Do đó, chúng ta kết luận rằng một photon sẽ kích thích một thụ thể
que. Nhưng kích thích một thụ thể que khơng đủ – phải 5 hay nhiều hơn bị kích thích
đồng thời mới thấy được nháy sáng.

Làm sao chúng ta giải thích được chỉ cần 1 photon là kích thích được một thụ
thể que, nhưng phải 5 photon mới gây được cảm giác sáng? Các thụ thể que bị kích
thích khi chúng được cung cấp đủ năng lượng, năng lượng này là do photon cung

cấp. Nhưng năng lượng này cũng có thể là năng lượng nhiệt của mơi trường. Tính
tốn chỉ ra rằng sự kích thích nhiệt ngẫu nhiên cùng cỡ với 5 photon. Do đó, chúng
ta sẽ khơng thấy được nháy sáng nếu tín hiệu tạo ra khơng lớn hơn tín hiệu do sự
kích thích ngẫu nhiên bằng nhiệt này.

<b>Kính hiển vi điện tử</b>

Kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tại chỉ vài năm sau khi khám phá ra
electron vận tốc cao có bước sóng nhỏ hơn bước sóng
của ánh sáng. Nhờ bước sóng nhỏ, kính hiển vi điện tử có
độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.
Chùm electron co thể được hội tụ nhờ điện trường hay từ
trường thích hợp. Ví dụ, từ trường của solenoid tác dụng
giống như một thấu kính

hội tụ đối với electron
(Hình P.1901). Trong kính
hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron
Microscopes –TEM) , một chùm electron năng
lượng cao hội tụ bởi thấu kính từ chiếu lên mẫu rồi
đi qua vật kính từ, vật kính này tạo nên một ảnh
trung gian. Một thấu kính chiếu electron phóng đại
một phần của ảnh trung gian để tạo thành ảnh cuối
cùng, ảnh này có thể xem trên màn huỳnh quang
hay ghi trên kính ảnh. Giống như đối với kính hiển vi
quang học, độ khuếch đại tồn phần là tích của độ
khuếch đại của vật kính với độ khuếch đại của thấu
kính chiếu. Bằng cách lựa chọn đúng dịng của các
thấu kính từ độ khuếch đại tồn phần có thể đạt tới
200000X. Các thiết bị hiện đại có thể có độ phân

giải nhỏ hơn 0,5nm.

Kính hiển vi điện tử quét(Scanning Electron
Microsopes-SEM), được dùng rộng rãi vào thập niên
70 và 80, hoạt động khác với TEM về nguyên tắc.

</div>
<span class='text_page_counter'>(25)</span><div class='page_container' data-page=25>

tới đập vào một mép lồi so với khi nó đập vào mặt phẳng. Thông tin về cường độ
được dùng để tạo nên một ảnh giống như ảnh tivi trên đèn hình; tạo nên hình ảnh 3
chiều (Hình P.1903). Kích thước

của chùm (thường nhỏ hơn
10nm) là độ phân giản của thiết
bị. Trong cả hai loại kính hiển vi
điện tử bước sóng De Broglie cực
nhỏ của electron tốc độ cao cho
phép tạo hình ảnh có độ phân
giải cao.

Hình P.1903 - Hình chụp giả
màu bằng kính hiển vi điện tử
quét của dãy diod thu tia hồng
ngoại. Các lớp của bán dẫn loại

p(màu cam) phân biệt với thung lũng loại n (màu đỏ). Các chỗ lồi màu xanh là kim
loại Indi dùng để làm điện cực, mỗi diod được đặt cách nhau 100mm, tính từ tâm
đến tâm.

<b>Màn hình tinh thể lỏng</b>

Hãy nhìn quanh bạn. Rất có thể xung quanh bạn đang có một màn hình tinh thể

lỏng (Liquid Crystal Display – LCD). Được dùng từ

những năm 70 như là màn hình hiện số cho đồng hồ
điện tử, ngày nay màn hình tinh thể lỏng được dùng
trong các máy đo hiện số, nhiệt kế, và màn hình cho
máy tính xách tay. LCD cịn được dùng để làm màn
hình ti vi bỏ túi. Trong tất cả các ứng dụng này, sự
sắp xếp của các phân tử bên trong tinh thể và do do
đó tính chất quang học của tinh thể, được thay đổi
bằg cách đặt vào một điện trường. Bởi vì LCD chỉ

cần dòng rất nhỏ, chúng là lưạ chọn tối ưu cho mọi loại thiết bị điện tử dùng pin.
Một LCD điển hình làm từ vật liệu tinh thể lỏng có phân
tử hình que với moment lưỡng cực điện hướng dọc theo
trục phân tử. Một

lớp mỏng vật liệu
này được kẹp
giữa điện cực
trong suốt và tấm
lọc phân cực
(Hình P.2102).
Hai tấm phân cực
được đặt vng
góc với nhau. Hai
bề mặt được xử
lý sao cho các
phân tử song
song với bề mặt
nhưng quay một

</div>
<span class='text_page_counter'>(26)</span><div class='page_container' data-page=26>

nhất. Khi ánh sáng đi qua lớp tinh thể lỏng, mặt phẳn phân cực quay một góc 90o_.
Ánh sáng đi qua tấm phân cực thứ hai, đập vào tấm phản xạ rồi phản xạ trở lại hệ
thống.

Khi có hiệu điện thế đặt vào tinh thể lỏng, các phân tử quay theo hướng điện
trường. Mặt phẳng phân cực của ánh sáng sau khi qua tấm phân cực khơng được
quay nữa. Do đó, tấm phân cực thứ hai sẽ không cho ánh sáng qua. Nếu màn hình
dạng đoạn được dùng, các đoạn có điện thế sẽ trở nên tối trên nền sáng. Nếu đặt
hai tấm phân cực song song nhau, thì các số sẽ hiện sáng trên nền tối.

<b>Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm</b>

Jeal Walker là giáo sư vật lí ở
ĐHTH quốc gia Cleveland. Ơng đã đỗ
cử nhân vật lí ở Học viện kĩ thuật MIT
và tiến sĩ vật lí tại trường Đại học Tổng
Hợp Maryland. Từ năm 1977 đến 1990
ông phụ trách bộ phận “Nhà khoa học
nghiệp dư” của tạp chí Nhà khoa học
Mĩ. Cuốn sách "Xiếc bay của vật lí với
lời giải" của ơng được in ra mười thứ
tiếng.

Trong các thành phố nhỏ các đèn
để điều khiển giao thông thường
không yêu cầu có sự đặc biệt. Các

dòng xe cộ đi qua chúng có thể ngẫu nhiên, nhưng hàng xe đứng chờ đèn đỏ ít khi
dài. Trái lại lưu lượng giao thơng trong các thành phố lớn, nhất là giờ cao điểm, cần

có sự điều phối cẩn thận. Nếu khơng, các
dịng xe kéo dài qua nhiều ngã tư sẽ bị
chặn lại làm cả khu vực bị tắc đường. Bởi

vì chỉ có các xe ở vùng ngoại vi khu vực bị

tắc nghẽn mới có thể dịch chuyển, nên có
thể cần nhiều giờ để giải phóng các xe kẹt
trong vùng bị tắc.

</div>
<span class='text_page_counter'>(27)</span><div class='page_container' data-page=27>

Vậy bạn phải đặt thời gian sáng cho đèn xanh như thế nào ở chỗ các đường
giao nhau khác nhau ? Nếu bạn bố trí cho mọi đèn xanh cùng sáng đồng thời thì
giao thơng chỉ được thực hiện trong 50s. Mỗi khi có đèn xanh các dịng xe chuyển
động dọc trên đường cho đến khi tất cả các đèn đều chuyển đồng thời qua đỏ. Các
lái xe đua nhau chạy để đi được qng đường tối đa. Hàng đồn dịng xe chạy,
chẳng hạn với tốc độ tối đa 55mi/h trên đường phố chật ních sẽ giống như một cuộc
đua rõ ràng là nguy hiểm.

Một cách thiết kế tốt hơn và an toàn hơn là xếp xen làm sao cho đèn xanh tại
mỗi chỗ đường giao nhau không sáng cho đến khi các xe đầu đoàn đến gần ngã tư.
(Đèn xanh phải được sáng trước khi các xe này tới đó, hoặc chúng sẽ đi chậm lại,
để tránh không gặp đèn đỏ ở các ngã tư). Như vậy đua nhau chạy sẽ là vơ ích : các
xe chạy nhanh vẫn phải dừng lại vì đèn chưa chuyển từ đỏ sang xanh.

Hình 1 mộ tả một phần đường phố được điều khiển giao thơng. Giả sử các xe
đầu đồn vừa tới chỗ giao nhau số 2, ở đó đèn xanh đã sáng từ khi các xe này còn
cách chổ giao nhau một đoạn d. Chúng tiếp tục chuyển động với tốc độ vp nào đó
(tốc độ giới hạn) để đến chỗ giao nhau số 3, ở đây dèn xanh bắt đầu sáng khi chúng
cách đó một đoạn d. Khoảng cách giữa hai ngã tư là D23.

Câu hỏi 1

Đèn xanh ở chỗ giao nhau số 3 phải bật sáng muộn hơn bao lâu so với đèn
xanh ở chỗ giao nhau số 2 để đồn xe chạy thơng suốt ? (Trả lời bằng các kí hiệu đã
cho).

Nếu đồn xe phải dừng lại ở ngã tư trước do đèn đỏ thì tình huống sẽ thay đổi
(và trả lời cũng khác). Thí dụ trên hình 1 đoàn xe dừng lại ở ngã tư số 1. Khi ở đây
đèn tín hiệu chuyển sang xanh thì người lái xe cần một thời gian tr nào đó để thích
ứng và một thời gian nữa để tăng tốc với gia tốc a, mới đạt được tốc độ xe chạy vp.
Trong thời gian tăng tốc thì xe đi được một đoạn đường nào đó nhưng nhỏ hơn là
nếu xe chay với vp.

Câu hỏi 2

Nếu khoảng cách giữa hai chỗ giao nhau, số 1 và số 2 là D12 và đèn chỗ giao
nhau số 2 cần bật xanh khi xe cách nó một đoạn d, thì đèn xanh này phải bật sau
đèn xanh ở chỗ ngã tư số 1 bao lâu ?

Với hệ thống đèn tín hiệu được bật trễ nhau, giao thơng vẫn có thể bị ngừng
trệ. Vấn đề là ở chỗ : một khi đoàn xe đang dừng và đèn xanh được bật lên khi các
xe không tăng tốc cùng một lúc. “Sóng khởi hành” truyền từ đầu xe xuống các xe sau
với vận tốc vs. Mỗi lái xe chỉ bắt đầu phản ứng khi sóng này tới họ. Những xe đứng
sau xe đi đầu lại còn phải đi một đoạn đường xa hơn để tới chỗ giao nhau tiếp theo.

Câu hỏi 3

</div>
<span class='text_page_counter'>(28)</span><div class='page_container' data-page=28>

Những điều nói trên được minh họa trên hình 2, bên trái trình bày sơ đồ đường
phố, bên phải là đồ thị diễn tiến của đồn xe (với chu trình tín hiệu giao thơng). d1 là
độ dài mà phần đoàn xe ban đầu dừng ở chỗ giao nhau số 1 lúc đèn hoàn toàn

xanh). Các đường cong chỉ các thời gian gia tốc ban đầu ; các xe càng ở xa hơn về
phía sau càng bắt đầu gia tốc muộn hơn. Đèn xanh ở mỗi chỗ giao nhau được bật
sớm vài giây so với thời điểm mà xe đầu tới nó.

Hình vẽ cũng cho thấy khơng phải cả đồn xe qua đựoc chỗ giao nhau số 1
trước khi đèn chuyển sang đỏ. Nếu hiện tượng này lặp lại đối với một số chu trình tín
hiệu giao thơng thì độ dài của phần “bị loại” tăng lên, có lẽ nó kéo dài về phía các
ngã tư trước, ở đó, sẽ chắn các se đi cắt ngang. Hiện tượng đó, một khi xảy ra, sẽ
gây nên tắc nghẽn.

Câu hỏi 4

Trên đồ thị (a) vp và (b) vs miêu tả cái gì ? (c) Độ dài thời gian gia tốc bằng bao
nhiêu ?

Ngay cả khi hệ thống đèn tín hiệu giao thơng được thiết kế tốt vẫn có thể xảy ra
tắc đường. Một lần tơi đã bị tắc đường trong giờ cao điểm ở Cleveland, khi đột ngột
có trận tuyết rơi mạnh vào buổi chiều. Vì đường trơn nên các lái xe phải thận trọng.
Sóng khởi hành cũng truyền chậm hơn. Trong vòng 20 phút phần “bị loại” của các
đồn xe kéo dài về phía sau tới ngã tư trước và chắn lối đi. Giao thông bị bế tắc trên
hai dặm dọc theo đường của tôi và năm đường song song khác trong thành phố. Tôi
chỉ có thể tiến lên được vì các xe cuối đoạn đường dần dần tránh thốt sang khu vực
ngoại ơ. Chúng vừa rời khỏi chỗ chen chúc, thì một sóng khởi hành chầm chậm
truyền qua đoàn xe dài 2 dặm, cho phép tơi bị dần lên phía trước, mỗi lần bị một
quãng đường bằng độ dài của vài xe. Vấn đề trở thành tồi hơn khi tuyết rơi dày và
các xe bị nhốt che mất đường chạy. Binh thường thì qua đoạn đường này chỉ mất 5
phút, mà vào cái ngày khốn khổ đó tơi mất hơn 2 giờ mới thốt chỗ tắc nghẽn.

Trả lời các câu hỏi

1. t = D23/vp

2. t = tr + vp/2a + (D12 - d)/vp

3. t = tr + vp/2a + d1/v3 – tgr + (D12 – d + d1)/vp

4. (a) Độ dốc của đoạn thẳng trên đường cong x(t) cho xe chuyển
động. (b) Độ dốc của đường x(t) cho sóng khởi hành, (c) vp/a.

<b>Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(29)</span><div class='page_container' data-page=29>

Nghệ sĩ múa khi biểu diễn trên sân khấu đều chuyển động theo nhiều đường
đa dạng đáng kinh ngạc – một số thì duyên dáng trong sự đơn giản, một số lại làm ta
kinh ngạc vì sự phức tạp, khỏe mạnh. Một số động tác có thể gây xúc cảm mạnh :
“Ơi chao ! Tưởng chừng như khơng thể làm nổi”. Thật vậy nghệ sĩ múa nhiều khi
chuyển động một cách khiến ta kinh ngạc, thậm chí đơi khi cịn có vẻ như vi phạm
các định luật vật lí. Bây giờ, nhận xét này buộc chúng ta phải phân tích.

Một con người chuyển động khơng phải là một vật rắn mà kích thước cùng hình
thể đều khơng đổi và dễ dàng đo được. Tuy nhiên, một số động tác trong “từ vựng”
vũ đạo có thể mơ tả một cách khá chặt chẽ, để giúp ta áp dụng các nguyên lí cơ học
cổ điển cho một vật chuyển động trong không gian, dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn
và các lực khác.

Một nhóm chuyển động đặc biệt lí thú địi hỏi sự quay – quay trên sàn, hoặc
quay trong không trung quay quanh một trục thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm
nghiêng, và quay trong đó người ta tạo ra ảo giác là đang trình diễn cái khơng thể
có. Cơ sở việc phân tích sự quay là hệ thức giữa moment quay và moment động
lượng. Thí dụ : người nghệ sĩ múa xoay sở như thế nào với moment quay tác dụng
vào cơ thể để khởi sự một cái pirueti (quay tròn người quanh một thẳng đứng, với

một chân trên sàn) ? Hoặc là làm thế nào để thực hiện được động tác nhảy xoay
người, khi mà có vẻ như thân mình bắt đầu quay khi nó đã rời sàn ? Làm cách nào
mà một nghệ sĩ múa (hoặc nghệ sĩ trượt băng) thay đổi tốc độ quay, trong một động
lực quay nhiều vòng ?

Một nghệ sĩ múa thường bắt đầu cái piruet với cả hai chân trên sàn, một chân
ở trước chân kia (h-1). Bằng cách đẩy sang một bên, theo một hướng với một chân
và hướng chân kia với chân kia, anh ta tạo ra hai lực bằng nhau và ngược chiều tác
dụng vào sàn, với một khoảng cách vng góc d nào đó giữa chúng (h-2) các lực
tương ứng do sàn tác dụng vào chân tạo ra một ngẫu lực (moment quay) tác dụng
vào người, làm cho anh ta thu được một moment động lượng. Khi người nghệ sĩ
đứng thẳng lên trên một chân sang tư thế piruet bình thường (h-3), thì đã có một
chuyển động quay, toàn vẹn, mà tốc độ được xác định bởi độ lớn của moment quay,
độ dài lâu dài của nó và qn tính quay của thân mình trong tư thế quay (xem p.t
12-37 và 12-39). Chú ý rằng không có lực tổng hợp ngang, nên khơng có gia tốc dài nào
tác dụng vào người.

Độ lớn của moment quay phụ thuộc vào cả cường độ các lực lẫn khoảng cách
giữa hai chân. Khoảng cách điển hình là nữa mét, nhưng cũng có thể chỉ nhỏ vài cm,
trong lúc chuẩn bị “tư thế thứ năm”, trong đó hai bàn chân được đặt gần nhau và đổi
song với nhau. Trong trường hợp này, nhiều khi người quan sát thấy nghệ sĩ múa
“xoắn mình cùng với hai cánh tay, khiến chúng bắt đầu quay trước khi phàn cịn lại
của thân mình vươn lên trong hình thể piruet . Sự xoắn đó nhằm mục đích giúp cho
moment động lượng được tích lũy trong phần quay của thân mình – hai cánh tay –
trong khi hai bàn chân cịn cắm xuống sàn và có thể tác dụng lực vào sàn. Kéo dài
thời gian tác dụng của moment quay, anh ta bù lại được moment quay nhỏ hơn vì
hai chân cách xa nhau ít hơn, giúp cho anh ta đạt được moment quay cuối cùng
đáng kể.

</div>
<span class='text_page_counter'>(30)</span><div class='page_container' data-page=30>

quay đáng kể - nhiều khi hai vòng trên giây. Động tác quay kiểu Arâp hay piruet lớn,

trong đó một chân giang ngang về phía sau, hoặc sang bên, là những động tác quay
chậm hơn, vì qn tính của thân mình trong hình thể đó là lớn hơn một cách đáng
kể. Bằng cách thay đổi sự phân bố khối lượng của thân mình đối với trục quay, nghệ
sĩ múa có thể thay đổi vận tốc góc trong lúc quay. Một người trượt băng, chẳng hạn,
làm tăng tốc độ quay trong một piruet bằng cách đưa tay và chân lại gần trục quay
hơn.

Giả sử rằng hai nghệ sĩ múa biểu diễn một piruet theo cùng một điệu nhạc
(cùng một nhịp thời gian và do đó, cùng một gia tốc góc), nhưng một người có kích
thước lớn hơn 15%. Chú ý rằng thể tích của người nghệ sĩ, và do đó, khối lượng phụ
thuộc vào lũy thừa ba của kích thước dài, và qn tính quay của thân mình phụ
thuộc bình phương khoảng cách từ mỗi mẫu khối lượng đến trục quay.

Câu hỏi 1

Cần thêm bao nhêu moment lực, cho người nghệ sĩ múa to lớn hơn, so với
người nhỏ bé hơn, để bắt đầu một cái piruet ?

Nhưng bây giờ, hãy công nhận rằng, với cùng một hình dạng của tư thế chuẩn
bị trước khi bắt đấu quay, khoảng cách giữa chân nghệ sĩ to lớn lại lớn hơn so với
người kia 15%.

Câu hỏi 2

Lực nằm ngang giữa chân và sàn do nghệ sĩ to lớn hơn tác dụng, phải lớn hơn
bao nhiêu, để biểu diễn cùng một piruet.

Nảy sinh một tình hình lí thú khi moment quay cần cho một piruet lại do tay của
người bạn múa tác dụng chứ không phải do sàn. Cái “piruet” được “hỗ trợ” ấy, thông
dụng trong balê cổ điển, nhiều khi được thực hiện như ta thấy trên (h-4). Giả sử rằng

người nữ đang đứng trong tư thế piruet, chuẩn bị để quay sang phải. Nếu người bạn
múa của cô cố gắng bắt đầu sự quay bằng cách dùng tay phải kéo về phía sau và
dùng tay trái kéo ra phía trước, thì đúng là cơ quay, nhưng thân cơ sẽ quay một góc
lớn trước khi moment quay có cơ may tạo dựng được nhiều moment quay động
lượng.

Bây giờ giả sử rằng trước khi người nam tác dụng moment quay vào eo người
nữ, cô duỗi chân phải ra trước mặt và hơi sang trái một chút (croisé, bắt chéo). Cái
chân duỗi thẳng ngang có qn tính quay đối với trục quay lớn gấp gần bốn lần quán
tính quay của thân mình, trong tư thế piruet, thành thử, khi quay, nó có thể có một
moment động lượng đáng kể trong khi phần cịn lại của thân mình vẫn hướng về
khán giả. Như vậy khoảng thời gian mà người nam tác dụng moment quay vào eo
bạn múa sẽ kéo dài đáng kể, tạo ra moment động lượng cuối cùng lớn hơn rất nhiều.
Khi mà, cuối cùng, người nữ co chân từ bên về tư thế piruet, với bàn chân đặt vào
gối trái, thì moment động lượng lớn được chuyển từ cái chân vừa quay vào thân
mình coi như một vật nguyên vẹn, và tạo ra một tốc đọ quay lớn hơn, so với khi quay
mà không dùng chân quay.

</div>
<span class='text_page_counter'>(31)</span><div class='page_container' data-page=31>

quay fuettê (đá chân), thường thấy trong vũ balê, biểu diễn một động tác trong đó,
phong cách của điệu vũ và các tính chất cơ học cho phép thực hiện uyển chuyển
động tác này kết hợp với nhau một cách tốt đẹp. Hình 5 trình bày một vịng quay
trong một loạt vòng quay fuettê. Đây là một dạng của piruet lặp, trong đó, một lần
trong mỗi vịng quay, khi nghệ sĩ múa hướng mặt về phía khán giả, thì chân phải
chuyển từ tư thế piruet chạm vảo đầu gối trái, ra phía trước, quay chân duỗi thẳng từ
phía trước sang bên, rồi lại trở về đầu gối trái. Trong thới gian đó moment động
lượng của sự quay được tích lũy trong cái chân đang quay cho phép phần còn lại
của thân mình dừng lại khơng quay nữa, khi hướng mặt về phía khán giả. Quãng
nghỉ này nhằm hai mục đích. Thứ nhất, nó làm cho hình dạng của động tác phù hợp
với phong cách vũ balê cổ điển, trong đó, thân mình thường ở tư thế “hướng về”
khán giả. Trong trường hợp này, một phần quan trọng của tổng thời gian của một

vịng quay được để dành để thân mình hướng về khán giả giữa các vòng quay lên
tiếp. Thứ hai, nhịp nghỉ cho phép người múa hạ từ tư thế kiễng trên đầu một chân
sang tư thế đặt cả bàn chân. Từ tư thế này, một lực xoắn tác dụng vào sàn, nhờ
chân trái đặt cả bàn chân xuống sàn có thể tạo ra một moment quay thay cho phần
momen động lượng bị mất do ma sát trong vòng quay trước đó.

Ta hãy tính tỉ số giữa thời gian dành cho lúc quay mặt về khán giả và thời gian
dành cho sự quay, trong mỗi chu trình của động tác. Giả sử rằng qn tính quay của
thân mình khi quay với vận tốc góc , trong tư thế piruet bình thường là Ib = 0,62
K.m2_{, và lúc mà chân giang ngang và quay với tốc độ} _{quanh trục thẳng đứng, đi}
qua khớp nối hông là Il = 2.55 K.m2_{(Các số liệu này, cũng như các số liệu khác đối}
với một nghệ sĩ múa có thể tìm được trong bài “Vật lí học của vũ đạo”, của Kenneth
Laws, Schirmer Books, 1984, tr.137) . Nếu moment động lượng gần đúng là khơng
đổi trong một chu kì chọn vẹn của động tác, và sự chuyển hóa giữa hai hình thể là
nhanh, gọn, thì có thể tính được tỉ số . Cái chân giang ra trong pha hoạt
động đã quay một góc chừng 900_{, nhưng tồn thể thân mình phải quay đủ một vịng}
3600_.

Câu hỏi 3

Hãy tính tỉ số giữa thời gian nghỉ (chân quay) và thời gian quay.

Nhảy, là động tác phổ biến trong vũ, và nhảy kèm theo quay mình trên khơng
thường gây cảm xúc mạnh đặc biệt. Một cái tour jeté (tung mình, quay người) là mỗt
cú nhảy với sự quay người 1800_{quanh một trục gần như là thẳng đứng, hai chân bắt}
chéo nhau trong không trung, thành thử lại tiếp đất bằng chân khác với chân cất khỏi
mặt đất (xem h.6). Động tác có hiệu quả nhất nếu sự quay có vẻ như chỉ xảy ra ngay
sau khi diễn viên rời sàn. Liệu thân mình có thể quay, để thay đổi hướng của nó
trong khơng trung, ngay cả khi nó khơng có moment động lượng, được không ?

</div>
<span class='text_page_counter'>(32)</span><div class='page_container' data-page=32>

bây giờ, ở sau thân mình. Sự quay đầy đủ được thực hiện mà khơng có moment
động lượng tồn phần.

Các động tác piruet, piruet có hỗ trợ, fouettê, tour jeté, chỉ là một phần nhỏ
trong từ vựng phong phú của vũ đạo.

Khi quan sát một điệu vũ, chúng ta có thể tán thưởng các động tác này và
nhiều động tác khác, một cách nồng nhiệt hơn, khi mà sự tán thưởng thẩm mĩ được
làm phong phú thêm vì hiểu được cách làm của nghệ sĩ múa, trong sự ràng buộc
của định luật vật lí.

Một cuộc thí nghiệm

Một demi-fouetté (nửa fuettê) là một động tác quay với một moment động
lượng bằng khơng có thể biểu diễn hồn tồn đơn giản, và chứng minh cho ngun
lí trình bày trong sự phân tích cái tuor jeté trên đây. Bắt đầu với hai tay giơ cao khỏi
đầu và chân trái vươn ra phía trước, dướn người trên ngón cái của bàn chân phải,
rồi nhanh chóng quay chân trái đang nằm ngang sang bên trái, vịng ra phía sau
mình. Động tác này làm cho thân mình, đầu, hai tay và cả hai chân trụ phải quay
sang phải. Chân trái đã quay một góc bao nhiêu ? Các góc này nhắc bạn gì về
momen qn tính của cái chân đang quay, chân này ở xa trục quay, so với moment
quán tính của phần còn lại của thân thể, được giữ cho hết sức gần trục quay ?

Vì ma sát giữa chân trụ và sàn thường làm nhiễu loạn quá trình này, nên có
cách tốt hơn để biểu diễn động tác là nhảy lên trên khơng, từ vị trí đầu, mơ tả ở trên,
rồi mới thực hiện các động tác quay để tiếp đất vẫn trên chân ấy, sau khi quay.

Trả lời các câu hỏi

1. Nhiều hơn chừng gấp hai lần !

2. 75%

3. Chừng 1 !

<b>Vật Lí về khơng trọng lượng</b>

Saly K. Ride là một nhà du hành vũ trụ tàu con thoi NASA. Bà đã giành được
B.S về vật lí và B.A về tiếng anh tại Đại học Tổng hợp Stanford năm 1973 và Ph.D
về vật lí ở Stanford, năm 1978. Sau khi tốt nghiệp, bà được tuyển vào nhóm du hành
vũ trụ. Bà đã bay vào vũ trụ hai lần : lần phóng thứ bảy vào khơng gian (của nhóm
STS-7, chuyến bay thứ hai của Challenger, phóng vào tháng 6 năm 1983), và lần
phóng thứ 13 (của nhóm STS-41G phóng vào tháng mười năm 1984). Năm 1986 bà
được bổ nhiệm vào Ủy ban điều tra tai nạn của tàu vũ trụ con thoi Challenger, trực
thuộc Tổng thống. Cho đến lúc hoàn thành việc điều tra, bà hoạt động dưới danh
nghĩa. Trợ lí đặc biệt của giám đốc của NASA, giúp việc phát triển kế hoạch dài hạn
của NASA, về dùng người để thăm dò vũ trụ. Hiện nay, bà là giáo sư vật lí và giám
đốc Viện Khơng Gian của California thuộc trường Đại học Tổng hợp California, San
Diego.

</div>
<span class='text_page_counter'>(33)</span><div class='page_container' data-page=33>

rằng “cuộc bay vào vũ trụ chắc chắn làm cho nó trở thành khó khăn cho người dạy
khoa học”. Quan điểm của cô là những thuật ngữ như “g bằng không” đều gây hiểu
lầm và nhiều người hiểu nó thành “khơng có trọng lực”. Đúng ra, tàu vũ trụ con thoi
khơng thốt khỏi xiềng xích của trọng lực. Thực ra, chính trọng lực đã giữ con tàu và
mọi vật bên trong, ở trên quỹ đạo quanh Trái Đất. Sự lẫn lộn nảy sinh vì các nhà du
hành trong tàu con thoi đều “khơng có trọng lượng”, họ sẽ nổi lơ lửng trên bất kì cái
cân nào gắn vào sàn. Họ khơng có trọng lượng khơng phải vì “thốt khỏi trọng lực”
mà vì con tàu và mọi thứ trong nó (kể cả nhà du hành và cái cân) đều đang rơi tự do.
Một nhà du hành vũ trụ không thể đứng trên một cái cân trên tàu vũ trụ con thoi,
cũng như nhà khoa học trong phạm vi Trái Đất không thể đứng trên cân trong cái

buồng thang máy đang rơi (may thay, rất hiếm).

Một tàu vũ trụ trên quỹ đạo “rơi”, theo nghĩa là nó rơi khỏi đường thẳng mà nó
lẽ ra phải theo trong khơng gian giữa các hành tinh, nếu khơng có lực nào tác dụng
vào nó. Nó sẽ khơng đâm sầm vào Trái Đất, vì nó có một vận tốc nằm ngang đủ để
vượt “ra khỏi đường chân trời”. Trong khi nó rơi thì mặt Trái Đất cũng cong ra xa dần
nó. Về mặt lí thuyết, có thể đặt một vệ tinh lên một quỹ đạo chỉ cách mặt Trái Đầt vài
mét, nhưng năng lượng của nó nhanh chóng bị tiêu hao vì sức cản của khơng khí
(và có lẽ bởi các tịa nhà và đồi, núi nữa). Để ở được trên quỹ đạo lâu hơn là chỉ vài
vòng, một tàu vũ trụ cần được cung cấp nhiều năng lượng hơn, để đặt nó lên quỹ
đạo ở cao hơn phần lớn khí quyển Trái Đất.

Tàu vũ trụ con thoi được đua lên quỹ đạo nhờ sự đẩy của hai tên lửa dùng
nhiên liệu rắn và ba động cơ nhiên liệu lỏng : xem h-1. Tên lửa nhiên liệu rắn cháy
trong hai phút đầu, các động cơ phóng, trong 8,5 phút đầu. Thế là đủ hợp thành một
lực đẩy hoặc một xung để đặt tàu vũ trụ con thoi vào một quỹ đạo elíp gần Trái Đất
(quỹ đạo chính xác thay đổi theo từng chuyến bay). Tới điểm xa nhất (điểm viễn địa)
của quỹ đạo ấy cách xa bệ phóng nữa vịng thế giới, những động cơ quỹ đạo nhỏ
của con tàu được đốt cháy trong chừng hai phút, để cấp thêm đủ năng lượng, làm
cho quỹ đạo thành tròn. Các động cơ quỹ đạo này sẽ tắt khi vận tốc đúng đắn đã đạt
được không cần động cơ để giữ con tàu trên quỹ đạo. Trong lực sẽ lo chuyện đó.
Trong một quỹ đạo điển hình ở cao 400km trên mặt Trái Đất, tàu vũ trụ có vận tốc
8km/s chỉ mất 90 phút để bay một vòng quanh Trái Đất.

Một khi con tàu và mọi vật chứa trong nó được truyền cho một tốc độ đủ để
quay quanh Trái Đất, thì trọng lực khơng gia tốc các vật về phía “sàn”con tàu ; nó gia
tốc cả các vật lẫn sàn. Mọi vật trong tàu đều ở cùng trên một quỹ đạo, mọi vật đều
rơi cùng nhau quanh Trái Đất. Chuyện chúng rơi cùng nhau, là hệ quả của nguyên lí
tương đương được Galileo chứng minh lần đầu tiên. Ông chứng minh rằng (khi bỏ
qua sức cản của khơng khí), nếu một vật nặng và một vật nhẹ được thả từ cùng một

độ cao, thì chúng sẽ va vào sàn cùng một lúc. Điều này đã được kiểm nghiệm nhiều
lần, thường là chính xác hơn, nhưng chưa bao giờ gây xúc động hơn cuộc thử
nghiệm bởi nhà du hành vũ trụ Dave Scott trên tàu Apollo 15. Anh mang một cái búa
và một vật nhẹ bằng lơng chim lên bề mặt Mặt Trăng (khơng có khí quyển, do đó,
khơng có sức cản khơng khí), đứng ra ngoài xe đi trên Mặt Trăng, giữ chúng cách
nhau một độ dài của cánh tay áo vũ trụ, và để chúng rơi. Chúng va vào Mặt Trăng
cùng với nhau. Nguyên lí tương đương được chứng minh trong mỗi chuyến bay của
tàu con thoi : vì mọi vật trong tàu – nhà du hành, cái bút chì, vệ tinh, cuốn sổ tay, bít
tất – đều rơi với cùng một tốc độ, nên chúng không chuyển động đối với nhau.
Chúng “nổi” lơ lửng.

</div>
<span class='text_page_counter'>(34)</span><div class='page_container' data-page=34>

Cũng có nhiểu tác dụng sinh lí liên quan với sự khơng có trọng lượng. Thân thể
con người phát triển trên mặt Trái Đất ; nó chịu nhiều thay đổi nếu nó ở trong mơi
trường mới đó. Có lẽ sự thay đổi dễ thấy nhất là mặt nhà du hành phị ra.Trên Trái
Đất trọng lực kéo chất lỏng của cơ thể xuống chân. Trên quỹ đạo, sự phân bố cân
bằng của chất lỏng khác đi, và nó có xu hướng kéo về phần trên cơ thể. Một ảnh
hưởng lí thú khác là nhà du hành cao thêm chừng một inch khi ở trên quỹ đạo. Vì
khơng có lực kéo xuống tác dụng vào cột sống, nên các đĩa xốp trong cột sống
khơng bị nén lại nữa. Vì các đĩa giãn ra, nên nhà du hành “lớn lên”. Hiệu quả này
không vĩnh cửu, và nhà du hành lại co ngắn về chiều cao cũ khi trở về Trái Đất.

Trong môi trường không trọng lượng hệ tim mạch không cần hoạt hoạt động rất
căng để bơm máu đi khắp cơ thể. Việc đưa máu từ chân trở về, hoặc đưa lên não dễ
dàng hơn và các cơ tim mạch mất tính chất quyết định. Chừng nào mà nhà du hành
vũ trụ cịn ở trên quỹ đạo, thì cái đó không thành vấn đề, nhưng khi anh ta trở về Trái
Đất, hệ thống tim mạch, một lần nữa, lại phải bơm máu chống lại trọng lực, và phải ở
trạng thái có thể làm được điều đó. Nếu nhà du hành chỉ ở trên quỹ đạo chừng một
tuần, thì đó khơng phải là một vấn đề lớn, nhưng là một vấn đề quan trọng cần phải
được nghiên cứu đối các chuyến bay xa trong một trạm khơng gian, và cần có một
cuộc nghiên cứu lớn lao, trước khi có thể đưa nhà du hành lên sao Hỏa.

Trong trạng thái không trọng lượng, khơng có “phương ưu tiên”, khơng có “lộn
ngược” hay “lộn xi”. Về phương diện sinh lí, khơng có cách nào phân biệt được
trên và dưới. Các phần tử nhạy góp phần vào sự thăng bằng của ta và giúp ta định
hướng, đều nằm trong tai trong và đều nhạy cảm đối với trọng lực Trái Đất. Nếu đầu
nghiêng đi, thì các cấu trúc giồng như sợi tóc bị uốn cong và gửi tín hiệu về não, cho
biết rằng đầu khơng thẳng. Khi khơng có trọng lượng, các phần tử nhạy đó khơng ghi
nhận được các sai khác trong sự định hướng và khơng có cái chỉ thị sinh lí quen
thuộc nào khác (chẳng hạn, chất lỏng dồn lên đầu) để cung cấp cho não manh mối
về sự định hướng của cơ thể . Nhà du hành có cùng một cảm giác dù hướng hai
chân về Trái Đất hay hướng về phía các vì sao.

Sự thích nghi với khơng gian bên ngoài

</div>
<span class='text_page_counter'>(35)</span><div class='page_container' data-page=35>

Con người đã học được cách ứng xử với định luật về tác dụng và phản tác
dụng trên Trái Đất, ở đó, họ bị neo chặt vào mặt đất. Bất kì người nào đó, khi kéo để
mở một ngăn kéo, cũng tác dụng một cách vô thức, một lực vào sàn. Khi một nhà du
hành khơng bị neo mà kéo một cái ngăn kéo, thì kết quả là đáng thất vọng, nhưng có
thể lường trước được xem h-2. Ngăn kéo lại không mở, nhưng nhà du hành lại
chuyển động về phía ngăn kéo. Và nếu nhà du hành khơng bị neo đó dùng một cái
mở đinh ốc để tác dụng một moment vào một đinh ốc, thì kết quả là nhà du hành
quay, chứ ốc khơng quay.

Các hiệu ứng của lực căng mặt ngồi là rất hiển nhiên trên Trái Đất : hình dáng
của bong bóng xà phịng, giọt nước treo ở đầu vịi nước và các mặt khum ở đầu các
cột nước dâng lên trong ống thủy tinh. Lực căng mặt ngoài là kết quả của các lực
giữa các phân tử. Các phân tử trong một chất lỏng cảm nhận một lực hút chúng lại
với nhau, khiến cho những phân tử ở mặt ngoài chịu một lực tổng hợp nhỏ giữ nó
trong chất lỏng. Một cách tương tự, nếu một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn, thì
các phân tử trong chất lỏng sẽ cảm nhận một lực hút nhỏ lại gần các phân tử ở mặt

chất rắn.

Lực căng mặt ngồi có xu hướng làm cho tỉ số điện tích trên thể tích của một
chất lỏng sẽ thành một cực tiểu. Điều này là hiển nhiên, khi khơng có trọng lượng,
lúc đó chất lỏng đúng là co lại thành hình cầu. Trên Trái Đất, cái đó khơng thể hiện rõ
: sữa đổ đọng thành vũng trên sàn ; khi khơng có trọng lượng, sữa đó khơng tung
t trên sàn mà làm thành một khối cầu lơ lửng giữa phòng.

Lực còn dư giữa các phân tử ở mặt tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng, có thể
làm cho chất lỏng “dính” vào vật rắn.Chính là vì lực căng mặt ngồi mà người ta có
thể ăn uống như người bình thường (nghĩa là theo kiểu dưới đất) trong vũ trụ. Các
nhà du hành ăn bằng các hộp đã mở và dùng thìa để đưa thức ăn vào miệng. Thực
ra, cái mẹo là phải có thức ăn “quánh”. Phần lớn các thức ăn đều được khử nước,
và đóng gói trong chân khơng trong hộp chất dẻo, với nắp bằng chất dẻo mỏng. Nó
được pha nước trở lại, bằng cách cắm cái kim của súng phun nước xuyên qua nắp
chất dẻo, và phun nước vào. Mọi thức ăn đó (thí dụ : mì ống và pho mát, cơc- tay
tơm, súp cà chua) ít nhất cũng có phần lỏng, khi chúng đã được pha nước và lực
căng mặt ngoài sẽ giữ chúng trong hộp chứa, hoặc trên thìa. Nhà du hành có thể cắt
mở một hộp súp, rồi ăn súp đó bằng thìa. Cái khác nhau thuận tiện là nếu thìa
nghêng đi (hoặc “rơi”) thì súp vẫn nằm n trên thìa.

Lực căng mặt ngồi giữ cho thức ăn đã pha nước ở trên thìa, nhưng cũng giúp
cho đồ lỏng thốt ra khỏi bình chứa. Nếu dùng một cọng rơm để uống trong cái hộp,
thì các phân tử chất lỏng sẽ cảm nhận một lực hút về phía các phân tử cọng rơm, kể
cả các phân tử đúng ngay trên bề mặt chất lỏng. Lực hút là vừa đủ, để ở trang thái
không trọng lượng, chất lỏng sẽ trườn thong thả qua cọng rơm và tụ tập lại thành
một giọt lớn – một khối cầu - ở đầu hở của cọng rơm. Mọi cọng rơm trong tàu vũ trụ
đều được cung cấp với một cái kẹp nhỏ để thắt kín lại và giữ cho chất lỏng khỏi trèo
ra ngồi.

</div>
<span class='text_page_counter'>(36)</span><div class='page_container' data-page=36>

Chính ngun lí này – vật năng chìm xuống và vật nhẹ hơn thì nổi lên – cũng
tạo ra sự đối lưu nhiệt. Trên mặt đất, khi nào một phần của một chất lỏng hoặc chất
khí bị nóng lên, hay lạnh đi, là có đối lưu. Một cái bọt khơng khí bị nung nóng thì nở
rộng, trở thành nhẹ hơn, và do đó (trên mặt đất) sẽ nổi lên, một cái bọt lạnh, trở nên
nặng hơn và rơi xuống. Khi khơng có trọng lượng, thì khơng xảy ra đối lưu. Một lần
nữa, vì có một cột khơng khí (chẳng hạn) khơng có trọng lượng nên khơng khí nóng
khơng đi lên : khi bị nung nóng, nó giãn nỡ, nhưng ở yên tại chỗ.

Một lí nghiệm lí thú chứng minh (vì những lí do an tồn hiển nhiên, nên chưa
được thực hiện) là đốt một que diêm hoặc thắp một ngọn nến trong con tàu vũ trụ
trên quỹ đạo. Khi ơxy của khơng khí bị cháy và bị cạn ở xung quanh ngọn lửa, thì
khơng khí nóng đi lên và khơng khí lạnh đi đến để thế chỗ cho nó và để cung cấp
thêm ơxy cần tiêu thụ. Khơng có đối lưu, thì ngọn nến sẽ bị tắt rất nhanh.

Thế giới không trọng lượng khác với thế giới mà chúng ta quen thuộc. Một vài
hiệu ứng vật lí thơng thường thì vắng mặt, trong khi một số khác lại rõ ràng như đập
vào mắt. Như bạn có thể tưởng tượng, đây là một mơi trường sống khơng bình
thường. Nó cũng là mơi trường thí nghệm độc nhất : môi trường cung cấp cho ta cơ
hội để thực hiện các thí nghệm cơ bản về vật lí, hóa học và sinh lí học, trong những
điều kiện thí nghiệm mới.

<b>Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném</b>

Peter J. Brancazio là giáo sư vật lí ở Học viện Brooklyn, Trường Đại học tổng
hợp City ở New York. Ơng có học vị Ph.D về vật lí thiên thể tại trường Đại học Tổng
hợp New York năm 1966. Ông là tác giả hai cuốn sách :”Bản chất của vật lí
”(Macmillan 1975) và khoa học thể thao (Simon & Schuster, 1984). Các bài viết của
ơng về Vật lí học của bóng chày, bóng đá và bóng rổ xuất hiện trên các tạp chí :
Discovery, Physics today, New – Scientist, The Physics Teacher và American
Journal of Physics. Là một vận động viên lâu năm, một nhà thể thao nhiệt tình, ơng

cảm thấy thoải mái ngang nhau, khi ở trên sân bóng rổ, cũng như khi ở trên lớp.

Một vật chuyển động qua một chất lưu bao giờ cũng phải chịu một sự cản trở
nào đó, đối với chuyển động của nó. Lực do chất lưu tác dụng vào vật nhất thiết làm
cho chuyển động của vật bị thay đổi phần nào. Chúng ta có thể nghĩ rằng lực hãm là
khá lớn nếu vật chuyển động trong một chất lỏng, nước chẳng hạn ; nhưng nếu chất
lưu là một chất khí, khơng khí chẳng hạn, thì ta có thể cho rằng lực sẽ nhỏ đến mức
không ảnh hưởng thực tế nào vào chuyển động của vật. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ
thấy, lực mà chúng ta thường gọi là sức cản của khơng khí khơng phải bao giờ cũng
có thể dễ dàng bỏ qua như vậy.

Sức cản của không khí là một biểu hiện của lực khí động lực – lực do khơng khí
tác dụng vào một vật chuyển động. (Khi một vật chuyển động trong nước, thì lực gọi
là lực thủy động lực). Những lực như vậy được quy về lực động lực vì chúng do
chuyển động sinh ra. Hơn nữa, lực tồn tại hoặc do vật đứng yên trong chất lưu
chuyển động, cũng như do vật chuyển động trong chất lưu đứng yên : tức là lực
được tạo ra bởi chuyển động tương đối.

</div>
<span class='text_page_counter'>(37)</span><div class='page_container' data-page=37>

nguyên lí ấy lại được vận động viên sử dụng để nâng cao thành tích của họ trong
nhiều mơn thể thao, vì các động lực học có ảnh hưởng thực sự đến chuyển động
của nhiều vật ném dùng cho thể thao. Các lực này làm cho một người giao quả bóng
chày có thể ném quả bóng đi theo đường cong, và là nguyên nhân của cú lệch sang
phải hoặc sang trái trong một quả bóng bạt gơn khơng đúng. Chúng xác định kĩ thuật
đặc biệt cho việc ném quả bóng đá, hoặc phóng cái lao. Chúng cũng là lực chủ yếu
cản trở chuyển động của một người trượt tuyết xuống dốc, hoặc của tay đua xe đạp.

Nói chung, lực lưu – động lực học tác dụng vào một vật phụ thuộc kích thước,
hình dạng và các đặc trưng bề mặt của vật, cũng như vào vận tốc của nó đối với
chất lưu. Tất nhiên lực cũng phụ thuộc vào các tính chất của bản thân chất lưu. Tính
chất then chốt là độ nhớt của chất lưu, nó là thước đo của lực cản bên trong chống

lại sự chảy, do tương tác giữa các phân tử chất lưu sinh ra. Khi chất lưu tiếp xúc với
mặt ngoài của một vật nhúng chìm, sự nhớt của nó sẽ tác dụng một lực ma sát hãm
song song với mặt. Lực nhớt tác dụng vào một vật sẽ lớn hơn, khi chất lưu là nước,
so với khơng khí, ở nhiệt độ phịng, nước nhớt gấp chừng 40 lần khơng khí điều này
giải thích tại sao lội qua một bể bơi mất nhiều công sức hơn là đi dọc đường phố.
Bản chất mặt ngoài của vật chuyển động cũng có một vai trị : nói chung, mặt nhẵn
hơn thì lực cản nhớt cũng nhỏ hơn.

Một vật nhúng chìm nhất thiết tác dụng một sự chướng ngại đối với dòng chảy,
buộc chất lưu phải đổi hướng và gia tốc quanh vật. Ma sát nhớt giữa chất lưu và mặt
vật có xu hướng lấy đi năng lượng của chất lưu. Các mất mát năng lượng này xuất
hiện trong một lớp tương đối mỏng chất lưu, gọi là lớp biên, nó nằm cạnh mặt vật.
Nếu chất lưu chảy chậm, thì mất mát năng lượng do ma sát sẽ nhỏ, chất lưu trong
lớp biên sẽ có khả năng tăng tốc, để giữ cho vẫn tiếp xúc với mặt vật. Tuy nhiên ở
các tốc độ cao các mất mát năng lượng trở nên lớn, đủ để ngăn không cho tiếp tục
tiếp xúc với mặt. Kết quả là ở các lớp biên có xu hướng tách ra khỏi mặt (xem h-1),
tạo ra một miền ở sau vật, gọi là dịng đi, mà tính chất đặc trưng là có áp suất thấp
và chuyển động xốy, hay khơng ổn định. Trong các điều kiện ấy, áp suất chất lưu ở
mặt trước của vật sẽ lớn hơn áp suất ở mặt sau, kết quả là sinh ra một lực hãm tổng
hợp. Có thể giảm lực cản này bằng cách thay đổi hình dạng của vật để làm cho nó
“có hình dạng thn”, tức là bằng cách điều chỉnh các đuờng chu vi của nó sao cho
chất lưu không rời xa khỏi mặt.

Các lực sinh ra bởi sức cản nhớt và sức cản do hình dạng đuợc phân bố trên
toàn bộ bề mặt của vật nhúng chìm. Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường cộng
và quy chúng về hai thành phần : một lực cản, tác dụng ngược với chiều chuyển
động tương đối của vật đối với chất lưu, (tức là đối song với vector vận tốc) và một
lực nâng tác dụng vng góc với một phương chuyển động. Bất chấp tên gọi của nó,
lực nâng phải được hiểu, khơng phải như một lực hướng lên (chống lại trọng lực) mà
như một lực ngang, hoặc hướng sang bên, có thể làm cho vật bị lệch theo phương

bất kì nào vng góc với vận tốc.

<b>Sức cản khí động lực học</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(38)</span><div class='page_container' data-page=38>

thể thao – quả bóng chày, quả bóng quần vợt, và thậm chí cả bản thân vận động
viên nữa, lực cản nhớt là tương đối nhỏ, so với lực cản do hình dáng, và lực cản khí
động lực có thể biểu diễn bằng một phương trình khá đơn giản. Xét theo khía cạnh
năng lượng và động lượng, có thể chứng minh rằng lực trên đơn vị diện tích, do một
chất lưu tác dụng vào một vật nhúng chìm là tỉ lệ với đại lượng ,(trong đó là
khối lượng riêng của chất lưu và v là tốc độ tương đối của dòng chảy). Tức là, nếu D
là lực cản, thì

Trong đó A là diện tích hiệu dụng của mặt trước của vật (diện tích tiết kiệm
vng góc với dịng chảy). Có thể đổi thành p.t, bằng cách đưa vào một hệ số tỉ lệ
không đổi, không thứ nguyên, gọi là hệ số cản CD

Hệ số cản CD có tính đến phần đóng góp tương đối của lực cản nhớt và của lực
cản do hình dạng, và nó phụ thuộc bản chất của vật (kích thước, hình dạng và sự
nhẵn, hoặc không đều đặn của mặt) cũng như vào các đặc trưng của dịng chảy. Nói
chung vật nào thn hơn thì hệ số cản cũng nhỏ hơn – một điểm quan trọng cần lưu
ý khi thiết kế các vật phải chuyển động trong các chất lưu với tốc độ cao.

Về nguyên tắc, có thể xác định CD bằng một phép đo trực tiếp. Cách làm tiêu
chuẩn là đặt vật (hoặc một mơ hình theo tỉ lệ thích hợp) trong một ống thổi, để lợi
dụng sự kiện là lực cản chỉ phụ thuộc vận tốc tương đối của vật và chất lưu. Thí dụ,
CD của một quả bóng chày chuyển động với 90 dặm/h có thể đo bằng cách lắp một
quả bóng chày đứng yên trong luồng gió 90 dặm/h.

Tác dụng của lực cản khí động lực vào chuyển động của một vật rơi đã được
mô tả trong mục 6-3. Khi một vật rơi trong kkhơng khí, cả tốc độ lẫn lực cản đều tăng

cho đến lúc lực cản bằng trọng lượng của vật. Từ lúc ấy, vật đã đạt được tốc độ cuối
cùng của nó (xem p.t 6-19).

Mơn thể thao sử dụng sự kiện các vật rơi tiến dần tới một tốc độ cuối cùng
trong khơng khí, là mơn nhào lộn trên không trung. Một người nhảy ra khỏi một máy
bay thì rơi với gia tốc giảm dần, và tiến tới một tốc độ cuối chừng hơn 200 dặm/h
(320 kh/m) một chút. Tuy nhiên, bằng cách thay đổi hình dạng và sự xoay hướng
thân mình, trong lúc rơi, người nhào lộn có khả năng làm tăng hoặc giảm độ lớn của
lực cản, do đó, chọn lựa một cách có hiệu quả tốc độ cuối cùng bằng cách thay đổi
hệ số cản và diện tích mặt trước. Khi giang cánh kiểu đại bàng với tay và chân giang
rộng, người nhào lộn trên khơng chịu một lực cản lớn nhất và có tốc độ cuối cùng
thấp nhất.

</div>
<span class='text_page_counter'>(39)</span><div class='page_container' data-page=39>

nó. Khi một vật bị ném lên dưới một góc nào đó đối với mặt đất, thì lực cản khí động
lực sẽ làm chậm cả hai thành phần thẳng đứng và thành phần nằm ngang của
chuyển động của nó. Do đó, độ cao cực đại của quỹ đạo, cũng như tầm xa theo
phương ngang bị rút ngắn lại. Khi vật ném đang lên cao, thì nó sẽ giảm tốc nhanh
hơn so với khi nó ở trong chân khơng ; khi nó rơi, nó tăng tốc chậm hơn. Kết quả là
vật ném sẽ mất ít thời gian để lên tới đỉnh hơn là để đi xuống, và tốc độ lúc nó tới
mặt đất sẽ nhỏ hơn tốc độ mà nó được ném đi. Vì thành phần nằm ngang của
phương ngang vận tốc giảm một cách liên tục nên vật bị ném sẽ đi qua một khoảng
dài hơn, theo phương ngang, lúc nó đi lên, so với lúc nó đi xuống. Do đó, q trình đi
xuống của một vật bị ném thì vừa dốc hơn, và vừa chậm hơn, so với lúc nó đi lên.

Một quả bóng chày có tốc độ cuối cùng chừng 95 dặm/h (153 km/h). Theo các
điều kiện của cuộc chơi, quả bóng ném đi hoặc đập lại đều bị ném với tốc độ sánh
được, hoặc thậm chí lớn hơn tốc độ cuối cùng. (chú ý rằng tốc độ cuối cùng không
phải là tốc độ cực đại mà một vật bị ném có thể đi trong khơng khí, mà là tốc độ mà
vật ném đạt được, nếu nó dược để rơi từ nghỉ). Do đó, rõ ràng là quỹ đạo của một
quả bóng chày đang bay có thể bị bay đổi một cách đáng kể vì lực cản khí động lực.

Một quả bóng chày bay điển hình có tầm xa trong khơng khí chỉ khoảng 60% của nó
trong chân khơng (xem h.4-14, về đồ thị so sánh).

Do có kích thước lớn và hình dạng khơng đối xứng, nên quả bóng bàu dục đặc
biệt nhạy cảm với ảnh hưởng của lực cản khí động lực. Nếu nó đi, mũi đưa lên
trước, thì quả bóng có tiết diện nhỏ hơn và có dạng thn hơn là khi nó đi với mặt
rộng nằm ngang ; lực cản lớn hơn gấp 10 lần, khi nó hướng theo mặt rộng. Sự kiện
này xác định kĩ thuật tốt nhất để ném một quả bóng bàu dục cụ thể là cần làm cho nó
bị “xoắn ốc” tức là bị ném, mũi đi trước, với một sự quay đáng kể quanh trục dài của
nó. (Sự quay tạo cho quả bóng một moment động lượng, nó làm cho sự định hướng
của trục quay được vững hơn, khi bay). Ném một quả bóng bàu dục, với trục dài của
nó chếch ngang đường đi của nó sẽ làm cho tầm xa của nó ngắn lại rất nhiều. Hiệu
quả này đặc biệt rõ rệt khi quả bóng được đá đi với một sự quay nhỏ hoặc khơng
quay, thành thử nó đi lên thì mũi đi trước và đi xuống, thì chiều rộng đi trước. Sự đột
ngột tăng lên trong lực cản khí động lực xảy ra khi quả bóng qua đỉnh của quỹ đạo
làm cho nó rơi theo đường dốc hơn và rút ngắn tầm xa của cú sút. Người sút bóng
giỏi cố gắng làm cho quả bóng bị “xốy lại” (tức là xốy cho mũi hướng xuống khi
bóng đi xuống – một kết quả của việc sút bóng xốy) như một cách để làm cho nó đi
xa hơn.

Các vận động viên làm giảm lực cản thế nào ?

Trong các môn thể thao như bơi, đua xe đạp hoặc trượt băng tốc độ - trong đó
năng lượng của chuyển động hồn tồn do vận động viên cung cấp – một điều đặc
biệt quan trọng là giữ cho lực cản được hết sức nhỏ. Trong mơn trượt tuyết xuống
dốc, trong đó đạt tốc độ cao đến 80 dặm/h (130 km/h) thì lực cản khí động lực hiển
nhiên là lực hãm duy nhất. Kĩ thuật và thiết bị dùng trong các môn thể thao ấy, trong
một chừng mực lớn, là nhằm làm giảm lực cản đến cực tiểu. Có ba cách tếip cận cơ
bản để đạt mục tiêu đó.

</div>
<span class='text_page_counter'>(40)</span><div class='page_container' data-page=40>

Chính vì thế mà người đua xe đạp gập người trên ghi đông, người trượt tuyết tốc độ
cúi khom người tới thắt lưng và giữ một cánh tay quặt ra sau lưng ; người trượt tuyết
thu mình thấp xuống trên bàn trượt, trong tư thế “quả trứng”. Vận động viên bơi lội
chuyển động chậm hơn trong nước (tốc độ đua kỉ lục đều dưới 5 dặm/h) nhưng họ
phải chịu sức cản thủy động lực quan trọng, vì khối lượng riêng và độ nhớt tương đối
cao của nước. Người bơi giảm diện tích hiệu dụng của mặt trước trong nước bằng
cách đập chân lúc bơi. Mục đích chủ yếu của việc đập chân khơng phải là để đẩy
người bơi (cánh tay đập nước cung cấp chừng 75% lực đẩy người bơi) mà là để
giảm lực cản bằng cách giữ cho thân nằm ngang trong nước.

2. Dùng thiết bị có dạng khn. Việc nghiên cứu người đua xe đạp và người
trượt tuyết trong ống thổi đã dẫn đến nhiều cải tiến trong việc thiết kế dụng cụ.
Người ta thấy rằng những chỗ nhô ra tương đối nhỏ như khóa giầy bốt, rổ (lưới) của
gậy ski, và dây phanh, và cái đai ốc trên xe đạp đều là nguồn tạo ra các cuộn xoáy
và lực cản khí động lực đo được. Tuy các tác dụng này tương đối nhỏ, chúng có một
tầm quan trọng nào đó đối với các tay đua có trình độ quốc tế, khi mà những phần
nhỏ của giây cũng làm nên sự chênh lệch giữa kẻ thắng, người bại. Do đó thiết bị đã
được thay đổi để loại bỏ các phần nhô ra, hoặc che bọc chúng lại bằng các tấm chắn
nhẵn nhụi. Đầu vận động viên cũng là nguồn của một vài cuộn xoáy, thành thử một
số người trượt tuyết hoặc đua xe đạp thường đội mũ có hình giọt lệ, để tạo ra nhiều
dịng khí thn hơn trong khơng khí quanh đầu họ.

3 .Mặc áo nhẵn, che kín da thịt. Quần áo mặc khơng khít làm tăng diện tích
của vận động viên và tạo ra dịng xốy. “Quần áo khí động lực”, nhẵn, trơn, che kín
da thịt, bó sát người làm bằng vải tổng hợp chế tạo đặc biệt đã trở nên quen thuộc
hơn rất nhiều đối với người trượt tuyết, đua xe đạp và trượt băng tốc độ. Một tấm
thân có mặt ngồi nhẵn là đặc biệt quan trọng trong cuộc đua tài bơi lội ; chẳng hạn
áo bơi hợp khổ người bó sát người, làm bằng vải không thấm nước đã trở nên bắt
buộc. Các tay bơi nam giới hằng ngày vẫn phải cạo hết lông lộ ra ngồi – thậm chí
cả tóc của họ - như một phương tiện để làm giảm lực cản thủy động lực.

Lực nâng khí động lực

Như đã lưu ý ở trên, lực nâng là thành phần tương tác giữa một vật và chất lưu
hướng vng góc với phương chuyển động. Nói chung, lực nâng được sinh ra bởi
bất kì tác dụng nào làm cho chất lưu đổi hướng khi nó chảy qua vật. Nếu chất lưu
thu được một thành phần vận tốc vng góc với phương ban đầu của nó, do kết quả
tương tác của nó với một vật nhúng chìm, thì vật phải tác dụng một lực vào chất lưu
để cho nó một gia tốc theo phương ấy. Theo định luật Newton thứ ba (nguyên lí về
tác dụng và phản tác dụng) chất lưu phải tác dụng vào vật một lực bằng ngược
chiều. Như vậy, nếu vật làm ngoặt chất lưu sang trái, thì vật sẽ chịu một lực đẩy
sang phải. Trong số các tác dụng có thể tạo ra lực đẩy, có (1) vật có hình dạng hoặc
xoay hướng bất đối xứng đối với dòng chất lưu ; (2) vật đang quay ; và (3) mặt bên
của vật gồ ghề (tức là một mặt nhẵn hơn mặt kia).

Hiệu ứng Magnus

</div>
<span class='text_page_counter'>(41)</span><div class='page_container' data-page=41>

đuôi áp xuất thấp. Trên một quả cầu đang quay, thì một phía quay vào dịng khí. Ở
phía quay cùng chiều này, khơng khí được chở đi theo bởi mặt vật làm cho sự tách
sinh ra một dịng đi xuống hơi xa hơn. Ở phía quay ngược chiều dịng khí điểm tách
(của lớp biên) bị kéo về phía mặt trước. Kết quả là dịng đi khơng đối xứng : dịng
khí bị lệch về một phía và quả cầu chịu tác dụng của một phản lực về phía đối diện
(h-2). Chiều và cường độ của lực này sẽ phụ thuộc vào tốc độ và chiều quay. Hiện
tượng này gọi là hiệu ứng Magnus (do Gustav Magnus nghiên cứu năm 1850).

Hiệu ứng Magnus là quen thuộc với bất kì ai đã nhìn theo một trái bóng bay
theo đường cong. Nó có một vai trị then chốt trong các mơn thể thao, như bóng
chày, quần vợt, đánh gơn và bóng đá. Bằng cách tạo ra một phép quay thích hợp,
một vận động viên có thể làm cho quả bóng đi cong, theo một hướng trọn trước. Thí
dụ, nếu một quả bóng đá được sút sao cho điểm chạm bóng ở bên phải tâm – làm

cho quả bóng quay ngược chiều kim đồng hồ, nếu nhìn từ trên xuống – thì nó sẽ đi
cong từ phải sang trái ; nếu cú sút đặt vào bên trái tâm, thì quả bóng đi cong sang
bên phải.

Cũng ngun lí này được sử dụng trong việc bạt quả bóng chày, để quả bóng
đi cong. Người bạt bóng tạo sự quay cho quả bóng bằng cách vặn cổ tay mình đúng
vào lúc bạt bóng. Tuy nhiên cấu tạo của cánh tay người về phương diện giải phẫu lại
làm cho việc vặn cổ tay theo hướng này lại mềm mại hơn là theo hướng kia.

Chính vì thế mà đối với người bạt bóng thuận tay phải, thì làm cho quả bóng
bay ngược chiều kim đồng hồ dễ hơn là cho quay theo chiều kim đồng hồ (khi nhìn
từ trên xuống) ; điều trái lại, là đúng cho người thuận tay trái. Quả bóng đi cong của
người thuận tay phải thì chuyển động từ bên phải anh ta sang bên trái (cong ra xa
khỏi người thuận tay phải). Để làm cho quả bóng đi cong từ trái sang phải (quả bạt
thường gọi là “bóng xốy”) anh ta vặn cổ tay theo chiều “sai”. Ít người chơi bóng
chày thuận tay phải thực hiện quả bạt này một cách có hiệu quả. Như vậy, hiệu ứng
Magnus, kết hợp với sự trớ trêu của giải phẫu người làm cơ sở cho sự thao tác của
các tổ hợp đa dạng của những người phát bóng và đập bóng chày, thuận tay trái,
thuận tay phải, nó là điểm chủ chốt trong chiến lược đánh bóng chày.

Một quả bóng chày bị bạt nhất thiết phải đi một quỹ đạo cong, ngay cả khi nó
khơng quay : vì trong lực, nó đi cong xuống theo một đường parapol. Một quả bóng
chày ném ngang, với tốc độ 85 dặm/h (137 km/h) sẽ rơi chừng (1,1m) trên
khoảng cách từ tay người bạt bóng đến bảng đích. Người giao bóng có thể tăng
hoặc giảm đoạn rơi thẳng đứng này bằng cách cho bóng quay thích hợp. Nếu bóng
được ném cho quay đằng đầu (đầu quả bóng hướng về người bạt bóng) thì lực đẩy
tác dụng sẽ hướng xuống và đường ném sẽ cong nhiều hơn bình thường (đường
ném này gọi đường cong cao hơn vai). Nếu bóng được bng ra và quay ngược
(bằng cách quay trên đầu ngón tay, cùng lúc vặn cổ tay xuống) thì lực đẩy sẽ tác
dụng hướng lên, chống lại trọng lực. Đó là quả bóng “đi lên” ; tuy nhiên, quả bóng

khơng thật sự đi lên, khi bay – vì sức người khơng tạo nổi một phép quay đủ làm cho
lực đẩy lên thắng được trọng lượng quả bóng chày – mà chỉ là vì quả bóng khơng rơi
nhiều như khi nó chỉ chịu tác dụng của riêng trọng lực, nên nó cho ta ảo giác là đi
lên.

</div>
<span class='text_page_counter'>(42)</span><div class='page_container' data-page=42>

hướng làm nó ngắn lại. Giao một quả bóng mạnh, cho đi qua lưới, và rơi đúng vào
khu giao bóng, mà khơng cho nó quay đằng đầu, là một điều cực kì khó khăn.

Sự kiện, sự quay ngược làm kéo dài đường bay của một quả bóng là đặc biệt
thuận lợi cho những người chơi gôn. Một quả bóng bạt tốt phải làm cho quả bóng
quay ngược rất mạnh : nhờ những đường soi nằm ngang, và mặt nghiêng của đầu
gậy đánh bóng mà có thể làm được điều đó. Vì có lực nâng tạo bởi sự quay ngược,
nên quỹ đạo của quả bóng gơn bị bạt khác xa với đường parapol. Các góc tối ưu có
xu hướng trở thành nhỏ hơn 450_{độ nhiều (thường ở giữa 20}0_{và 30}0_{) ; vì trọng lực}
ngược hướng lực nâng nên quả bóng có thể phóng theo phương nằm ngang hơn,
với khoảng cách lớn hơn. Tuy nhiên, nếu mặt gậy khơng đập thẳng vào bóng, mà
chếch sang phải hoặc sang trái, thì bóng sẽ quay về một bên. Kiểu quay này sẽ làm
cho bóng bay cong sang trái hoặc sang phải. Đối với một người chơi gơn trung bình,
thì góc của mặt gậy lúc chạm bóng đơi khi làm ra đủ mọi điểm khác nhau giữa một
birdie và một bogie.

Âm học của phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật?

John S. Rigden nhận học vị Ph. D tại Trường Đại học Tổng hợp Johns Hopkins
năm 1960. Sau khi làm cơng trình tiến sĩ tại Trường Đại học Harvard, ông giữ nhiều
chức vụ học thuật tại Trường Đại học Eastern Nazarene, Trường Đại học Middlebury
và Trường Đại học Tổng hợp St. Louis ở Missouri. Ông vừa chuyển từ Viện Vật lí
Hoa kì , nơi ơng là giám đốc các chương trình vật lí, sang Viện Hàn lâm khoa học
quốc gia để giữ chức Giám đốc cơ quan Phát triển của dự án vế các trình độ Giáo
dục khoa học quốc gia. Ông là nguyên chủ bút của American Journal of Phisys (1978

- 1988) và là tác giả cuốn Vật lí và âm thanh của âm nhạc (Wiley 1977, tái bản năm
1985). Gần đây ông đã viết xong cuốn tiểu sử cuối cùng của nhà vật lí Hoa kì có tên
tuổi, I. Irabi : Rabi, nhà khoa học và người công dân (Basic Books, 1987).

Tối hôm 18 tháng 10 năm 1976, các nhạc công của Dàn nhạc giao hưởng New
York so những dây đàn của họ, và bản thân của họ đã sẵn sàng cho buổi hòa nhạc
khác thường nhất. Khung cảnh Đại sảnh Avery Fisher của Lincoln Center (trung tâm
Lincoln), tên mới của một phòng hòa nhạc có quá khứ sóng gió.

Đại sảnh giao hưởng (Philharmonic Hall) được khai trương năm 1962, trong sự
mong đợi cao độ (h.1). Một trong những nhà âm thanh học lỗi lạc của Hoa Kì, Leo L
Branek đã làm việc cùng với kiến trúc sư đã thiềt kế đại sảnh. Nhưng ngay khi bắt
đầu, đã có vấn đề : những người biểu diễn trên sân khấu không thể nghe thấy các
bộ phận khác của ban nhạc ; bè trầm nghe quá yếu đối với người ngồi trong sảnh ;
người ta nghe rõ tiếng vọng từ tường sau ; thính giả khơng thể nghe được hết mọi
thứ mà dàn nhạc trình tấu. Trong thời kì 1964 – 1972, đã có nhiều cố gắng để cải
thiện tình hình, nhưng mọi cố gắng đó đểu thất bại.

</div>
<span class='text_page_counter'>(43)</span><div class='page_container' data-page=43>

Vì đại sảnh phải sẵn sàng trước mùa thu, nên công việc phải tiến hành suốt
mùa hè năm 1976 với tốc độ chóng mặt. Harris, đầu đội mũ bảo hộ lao động giám
sát từng bước. Tất cả đã sẵn sàng cho ngày 19 tháng mười, ngày mở đầu cho buổi
hòa nhạc mới, nhưng ngày 18 tháng mười, một buổi hịa nhạc đặc biệt được trình
tấu trong đại sảnh vừa được thiết kế. Đây là một buổi hịa nhạc khác thường, vì
những thính giả của buổi đó đều được mời một cách đặt biệt : họ gồm các công
nhân xây dựng, những người chủ thầu và thầu phụ, các kiến trúc sư, là những người
đã làm việc tân tình suốt mùa hè. Các nhà phê bình âm nhạc khơng được mời,
nhưng họ vẫn mị đến. Khi ban nhạc trình tấu xong bốn khúc đoạn của Bản giao
hưởng số chín của Mahler, thì các nhà phê bình đều có ấn tượng hết sức tốt đẹp ;
các nhạc sĩ đều hoan hỉ những người công nhân xây dựng đều vui sướng và tự hào.

<b>Sự hoàn chỉnh hiệu năng cho phòng Hòa Nhạc </b>

Isaac Stern là một nghệ sĩ viôlông cỡ quốc tế. Thế nhưng khi ông bước lên sân
khấu của một phịng hịa nhạc tốt, thì chính phịng hịa nhạc lại trở thành một cơng
cụ bổ sung mà ông sử dụng để làm tăng thêm hiệu quả cuộc trình tấu âm nhạc của
ơng. Phịng hồ nhạc khơng phải là một rào chắn thụ động cho khu vực trình tấu âm
nhạc ; hơn thế, nó là một thành viên tham gia tích cực trong việc truyền cảm diễn
suất của người nghệ sĩ tới người thưởng thức chăm chú lắng nghe.

Sóng âm, là cầu nối giữa người diễn tấu và thính giả, mang theo năng lượng.
Nếu nguồn âm là một dây đàn viôlông đang rung với họa ba cơ bản và họa ba bậc
cao, thì các dao động của áp suất với chính tấn số có trên dây đàn được khơng khí
xung quanh chuyển từ cây đàn viơlơng đi. Các sóng áp suất dọc ấy truyền năng
lượng âm thanh từ nguồn đi ra xa.

Một sóng âm khi đến gần một cửa sổ mở, đi tới cửa, và tải năng lượng từ bên
chức nguồn đối với cửa sổ sang miền bên kia. Một cửa sổ mở là một vật hấp thụ
hồn hảo : nó hấp thụ tồn bộ năng lượng âm thanh đi tới nó. Tình hình lại khác hẳn
khi nguồn âm được bao quanh ở những mặt phản xạ, như trong trường hợp của
phịng hịa nhạc ; sóng âm đập vào tường và phản xạ trở lại vào buồng, nó truyền
qua buồng cho đến lúc nó gặp một mặt khác lại bị phản xạ nhiều lần nữa ; cứ thế
mãi. Nếu nguồn âm tỏa năng lượng vào buồng với một tốc độ xác định, thì cường độ
âm thanh tăng nhanh trong khơng gian bị bao kín cho đến lúc nó đạt đến một cường
độ cân bằng. Một phần năng lượng tới bị hấp thụ trong mỗi lần phản xạ. mức cường
độ cân bằng sẽ đạt được khi tốc độ hấp thụ năng lượng bởi tất cả các bộ mặt lộ ra
bằng tốc độ mà nguồn tỏa năng lượng vào khu vực khép kín.

</div>
<span class='text_page_counter'>(44)</span><div class='page_container' data-page=44>

Âm thanh đạt đến mức cân bằng như thế nào thì nó cũng giảm xuống từ mức
cân bằng như thế ấy. Nếu nguồn âm ngừng phát, thì âm trực tiếp đến từ nguồn tắt
trước nhất và người nghe cảm thấy mức âm thanh sụt đột ngột. Sau đó tốc độ suy

giảm của âm chậm lại một chút, cho đến lúc các sóng âm thanh cuối cùng chịu một
lần phản xạ tới tai người nghe. Âm thanh kéo lê theo hàm mũ, khi các sóng âm phản
xạ nhiều lần, càng ngày càng yếu dần và tới tai người nghe.

Thời gian vang

Thời gian cần thiết để mức âm thanh đạt đến, hoặc giảm xuống từ giá trị cân
bằng của nó được gọi là thời gian vang và là một trong các đặc trưng âm học quan
trọng nhất của một phịng hịa nhạc. Nói một cách chính xác, thời gian vang được
định nghĩa là thời gian cần thiết để cường độ âm thanh (w/m2_{) tăng lên, hoặc giảm đi}
một triệu lần. Nếu thời gian vang quá ngắn, thì các nốt nhạc sẽ được nghe thấy riêng
biệt từng nốt một, và âm nhạc nghe rất chán. Nếu trái lại, thời gian vang quá dài, thì
âm thanh từ các nốt trước sẽ va đụng với các nốt mới chơi, chẳn hạn, thời gian vang
tốt nhất đối với nhạc giao hưởng là chừng 2s. Symphony Hall ở Boston, một trong
những phịng hịa nhạc tốt nhất có thời gian vang 1,8s, lúc nó đầy thính giả (h-2).
Nhà Musikvereinssaa ở Viên, một phịng hịa nhạc ưu việt khác có thời gian vang
2,05s (đầy thính giả).

Thời gian vang phụ thuộc thể tích phịng hịa nhạc và bản chất các mặt phản
xạ. Thể tích càng lớn, âm thanh, truyền trong khơng khí với chừng 345m/s, sẽ mất
càng nhiều thới gian để vượt khoảng cách giữa các tường phản xạ và âm thanh
càng mất nhiều thời gian để đạt đến mức cân bằng. Thể tích của Symphony Hall là
61.496 m3_{. Thể tích của Carnegie Hall ở thàng phố NewYork, lớn hơn, là 79160 m}3
thế mà thời gian vang của nó, 1,7s lại ikém thời gian vang của Symphony Hall của
Boston. Sự trên lệch là do tính chất của các mặt phản xạ. Khi các mặt phản xạ lộ ra
với sóng âm có độ hấp thụ cao, thì tốc độ hấp thu năng lượng bởi mọi mặt nhanh
chóng trở lại bằng tốc độ sản sinh năng lượng của nguồn, do đó, thời gian vang sẽ
nhỏ hơn. Như vậy, ta có thể hiểu Isaac Stern muốn ngụ ý gì, khi ơng nói rằng
Carnegie dùng để diễn tập thì đúng hơn là làm thính sảnh. Vì tính chất hấp thụ của
một người tương đương với 0,5m2_{cửa sổ mở, nên thời gian vang của phịg hịa}

nhạc dài thêm khi có thính giả (chính vì thế mà thời gian vang được đo lúc nó đầy
người nghe. Hơn nữa, đây cũng là lí do tại sao phần lớc các phịng hịa nhạc đều có
tủ cho thính giả treo áo rét khốc ngồi, là thứ hấp thụ rất mạnh.)

Giữ tiếng ồn ngồi phịng hồ nhạc

</div>
<span class='text_page_counter'>(45)</span><div class='page_container' data-page=45>

nhạc, thì chỉ những tần số thấp là được tường sẵn sàng hưởng ứng, và chỉ các âm
thấp mới được truyền dễ dàng hơn vào trong tòa nhà.

Phịng hịa nhạc có thể đựơc sưởi ấm, hoặc làm lạnh. Thế có nghĩa là máy
móc phải sinh ra khơng khí nóng hoặc lạnh ; quạt phải lùa khơng khí và ống dẫn phải
chuyển khơng khí. Thiết bị cơ khí và khơng khí chuyển động đều là nguồn gây tiếng
ồn. Máy móc phải đặt trong một căn nhà tách biệt, các ống dẫn phải được lót bằng
vật liệu hấp thụ âm thanh. Những chỗ cong mạnh, chỗ nối không nhẵn, hoặc các vật
cản trong các ống đều phải loại trừ vì chúng có thể làm cho khơng khí đi qua ống bị
chuyển động cuộn xốy. Khơng khí cuộn xốy là đặc biệt ổn.

Một cố vấn về âm thanh đã nói về một tình trạng tai hại tiềm tàng trong một ống
dẫn khơng khí. Khi ơng đến thăm cơng trường xây dựng ông nhận thấy rằng các ống
dẫn đã bị hạ thấp vài cm để dùng xà nhà làm giá đỡ cho chúng. Sự tiếp xúc giữa
ống dẫn và xà nhà trong phòng hòa nhạc đã phối hợp tiếng ồn của bản thân ơng dẫn
với bản thân tịa kiến trúc. May thay, nhà âm thanh học đã có sữa chữa kịp thời
trước khi cái trần, nếu làm xong, che khuất mất vấn đề khỏi tấm nhìn.

Giả sử rằng mọi âm thanh ở xung quanh, từ cả nguồn trong và nguồn ngồi
sinh ra,đều ở mức phịng ngủ một nhà trang trại, trong đêm thanh vắng, thì một nhạc
trưởng có thể sử dụng toàn bộ dải âm lượng cùa dàn nhạc từ giai điệu forte
fortissimo ồn nhất đến giai điệu pianissimo êm nhẹ nhất, và thậm chí giai điệu du
dương nhẹ nhành nhất cũng có thể nghe rõ. Hơn nữa, ngay cả khi thời gian vang
của một phòng hòa nhạc, lúc n tĩnh là tốt, thì thí nghiệm để nghe khi có khán giả

cũng bị hỏng, nếu thiết kế âm thanh của phịng có sai sót ; vả chăng, người trình
diễn tấu sẽ khốn khổ, người chỉ huy dàn nhạc được mời đến sẻ không dạt được sự
mong chờ, người lãnh đạo dàn nhạc sẽ tránh không ghi vào danh mục các buổi diên
tấu sau này của dàn nhạc của họ, trong một thính sãnh có vấn đề.

Các phòng hòa nhạc được hoan nghênh bởi các nhà phê bình, nhạc sĩ và thính
giả có thể có hình dạng khác nhau : (chữ nhật, hình quạt, hình móng ngựa) nhưng
chúng đều có chung một số phẩm chất. những phịng nổi tiếng nhất có thời gian
vang trong khoảng 1,7 – 2,0s. Quan trọng hầu như cũng ngang thời gian vang, là
một phẩm chất gọi là độ thân mật, được xác định bởi khoảng thời gian trễ ban đầu.
Khoảng này càng lớn, thì bầu khơng khí âm nhạc càng kém thân mật.

Phạm vi của khoảng thời gian trễ ban đầu là từ 10 đến 70ms, nhưng đối với
các phòng hòa nhạc tốt, nó đều nhỏ hơn 40ms.

Sóng dừng

Sóng dừng có thể được tạo lập trong một phịng hịa nhạc.

</div>
<span class='text_page_counter'>(46)</span><div class='page_container' data-page=46>

số nguyên đơn giản của nhau, và tránh những bức tường nhẵn, song song. Những
chỗ gồ ghề (mấp mô) trên tường và trên trần không những làm giảm khả năng tạo ra
các sóng dừng trội, mà cịn tán xạ sóng âm ra nhiều hướng và góp phần vào sự tán
xạ âm thanh mong muốn. (h-3)

Phòg hòa nhảc là những kiến trúc ba chiều và sóng âm có thể phản xạ theo
mọi hướng do đó, có hàng nghìn mốt chuẩn. Một âm đơn do một cây vĩ cầm phát ra
có thể kích thích hàng trăm mốt chuẩn của phịng hịa nhạc : nguời hát có thể khai
thác các mốt chuẩn của phòng hòa nhạc để đạt được một âm vực động lực học cao
hơn, đối với một số nốt nhạc. Như vậy sóng dừng là một nét đặc trưng quang trọng
của một phòng hòa nhạc : năng lượng âm thanh bị bắt gọn trong nhiều mốt dao

động chuẩn góp một phần vào âm thanh vang lại.

Khoa học và nghệ thuật

Mặc dầu khối lượng kiến thức về âm thanh của chúng ta ngày một tăng, buổi
hòa nhạc đầu tiên trong một phòng hòa nhạc mới được xây dựng vẫn được chờ đợi
với tất cả những dự đoán chắc chắn lẫn không chắc chắn. Điều này làm nảy sinh
câu hỏi : âm thanh học là một khoa học hay một nghệ thuật ? Nhiều huyền thoại về
chất lượng âm thanh của các phòng hòa nhạc càng tăng thêm ý nghĩa của câu hỏi
này. Có ý kiến thịnh hành rằng chất lượng âm thanh của phòng hòa nhạc được cải
thiện dần theo tuối thọ (ý này không đúng) ; có xu hướng đồng nhất các nét đặc
trưng nổi bật, như các vật trang trí mạ vàng, hoặc các bức tượng trong các phòng
hòa nhạc lớn là nguyên nhân của chất lượng âm thanh tốt (khơng phải thế) ; có ý
kiến huyền hoặc là người xưa nắm được các bí quyết về các nguyên lí âm thanh,
nguyên lí mà người ngày nay khơng biết, và nếu chúng ta tìm lại được các ngun lí
bị mất đó, thì các phịng hịa nhạc của chúng ta thì sẽ được cải thiện một cách rộng
rãi (thực ra, người xưa làm gì có hiểu biết sâu sắc, bí mật gì về âm thanh học).

Hào quang tốt về các bí mật xung quanh đề tài về âm học lại được tôn thêm
bởi sự kiện là, âm thanh học, theo một nghĩa nào đó, lại là một trong những ngành
lâu năm nhất của vật lí. Xét cho cùng, âm học có một vai trị quan trọng trong việc
thiết kế và định vị trí của các nhà hát ngoài trời, được người Hi lạp và người La mã
sử dụng. Theo một nghĩa khác, khoa học về âm thanh lại là trẻ : cho đến khoảng
năm 1900 các nghiên cứu vế âm thanh mới được áp dụng một cách có hệ thống vào
việc thiết kế các phịng hịa nhạc. Thậm chí ngày nay, lời khun của các nhà âm
thanh học không phải luôn luôn được nghe theo.

</div>
<span class='text_page_counter'>(47)</span><div class='page_container' data-page=47>

Vào thời gian Cabrieli biểu diễn ở Venise, nhiều sự phát triển mới đang diễn ra
ở Italia. Những nhà thờ nhỏ hình chữ nhật với trần được xây cao kề với những nhà
thờ lớn. Điểm đặc trưng của thời kì ấy, là tường đều được trang trí, có nhiều chi tiết

điêu khắc phong phú. Những bề mặt trang trí đó đều là những vật tán xạ âm thanh
có hiệu lực với mọi tần số. thời gian vang ngắn dưới 1,5s – của các nhà thờ nhỏ đó
đã khuyến khích sự phát triển nhiều hình thức âm nhạc mới và mở đầu thời kì
Baroque. George FrederickHandel viết phần lớn các bản nhạc của ông cho những
môi trườngnhư vậy. Những mơi trường nhỏ hơn, thân mật hơn đó đã nâng cao kinh
nghiệm nghe nhạc lên rất nhiều (h-4).

Với môi trường âm thanh được cải tiến, các thành tựu âm nhạc trở nên đại
chúng hơn. Cần có những kiến trúc to lớn hơn dể thỏa mãn yêu câu của một cơng
chúng háo hức hơn. Âm nhạc của thời kì cổ điển – các bản giao hưởng của Josef
Haydn, Wolfgang Ămadeus Mozart và Ludwig van Beethoven – được trình tấu tốt
nhất trong các phòng hòa nhạc lớn hơn, và thời gian vang từ 1,5 đến 1,7s. Thời kì
lãng mạn kế tiếp theo sau thời kì cổ điển và âm nhạc của Johames Brahms, Peter
Ilyitch Tchaikovsky, Maurice Ravel và Richard Strauss thậm chí cịn phát triển mạnh
trong các mơi trường rộng lớn hơn, với thời gian vang từ 1,8 – 2,2s.

Thiết kế tương lai của phòng hòa nhạc sẽ khai thác, không những các vật liệu
mới và phương pháp xây dựng mới, mà còn khai thác cả việc sử dụng cải tiến bằng
điện tử. nếu chúng ta có thể sử dụng qua khứ như một lời chỉ dẫn, thì chúng ta có
thể tin rằng, khi mà phịng hịa nhạc thay đổi, thì các nhà soạn nhạc sẽ sáng tác
nhiều phong cách âm nhạc mới, khơng những phù hợp, mà cịn làm được nổi bật
nhờ các phịng nhạc mới.

<b>Sự sơi và hiệu ứng Leidenfrost</b>

Jeark Walker là giáo sư vật lí tại trường đại học quốc gia Cleveland. Ông tốt
nghiệp cử nhân vật lí ở MIT và tiến sĩ vật lí ở trường đại học tổng hợp Maryland. Từ
1977 – 1990 ông hướng dẫn “các nhà khoa học nghiệp dư” khoa học Mĩ. Cuốn sách
của ơng Xiếc bay vật lí với các câu hỏi đã được xuất bản bằng 10 thứ tiếng.

Nước sôi như thế nào ! Đó là đều thường gặp quá nên có lẽ bạn chẳng hề chú
ý chút nào đến những tính chất lạ lùng của nó. Một số tính chất của nó rất quan
trong trong các ứng dụng cơng nghiệp, trong khi đó một số tính chất khác lại được
dùng là cơ sở cho những ảo thuật nguy hiểm thực hiện bởi các người liều lĩnh trong
các buổi trình diễn ở các lễ hội hóa trang.

</div>
<span class='text_page_counter'>(48)</span><div class='page_container' data-page=48>

nước liên tục được trộn lẫn do đối lưu làm nước nóng sơi lên, nước lạnh chìm
xuống.

Nếu bạn tiếp tục làm tăng nhiệt độ xoong thì lớp nước ở đáy bắt đầu bay hơi,
các phân tử nước tập hợp trong những bọt hơi nhỏ trong các đường sước lúc này
khô, giai đoạn này sự sôi thể hiện ở những tiếng “bục” reo có thể “sùng sục”. Nước
hầu như reo lên sự khơng hài lịng vì bị nung nóng. Mỗi khi bọt hơi nước dãn lên
phía trên trong vùng nước lạnh hơn chút xíu, bọt hơi bất thình lình xẹp xuống vì hơi
trong nó bị ngưng tụ. Mỗi lần xẹp lại phát ra âm thanh chính là tiếng réo mà bạn
nghe thấy. Khi nhiệt độ cả khối nước tăng lên, những bọt này có thể khơng xẹp đến
khi bức khỏi đường sước ở đáy nồi và lên được một phần tới mặt nước. Giai đoạn
này của sự sôi được đặt tên là “bọt hơi nước cơ lập” trong hình 1.

Nếu bạn tiếp tục tăng nhiệt độ của xoong lên nữa, tiếng reo của các bọt bị vỡ
(xẹp) lúc đầu nghe to hơn sau mất hẳn. Tiếng reo này sẽ bé đi khi cả khối lỏng đủ
nóng để những bọt hơi đạt tới mặt nước, ở đây chúng vỡ ra làm tóe nước chút ít.
Nước bây giờ hồn tồn sơi.

Nếu nguồn nhiệt của bạn là một bếp lị thì câu chuyện có thể dừng lại ở đây.
Tuy nhiên với lị của phịng thí nghiệm, bạn có thể tăng tiếp tục nhiệt độ của xoong.
Những bọt hơi tiếp tục trở nên nhiều và rời khỏi các đường sước nhiều hơn đến nỗi
chúng dính với nhau tạo thành một cột hơi vùng vẫy hỗn độn và mãnh liệt lên phía
trên, thỉnh thoảng gặp những “đám” hơi đã thoát ra từ trước.

Sự sản sinh ra các bọt và cột hơi được gọi là sơi theo tâm vì việc tạo thành và
lớn lên của các bọt khí tùy thuộc vào các đường sước ở đáy xoong dùng làm tâm sơi
(nơi hình thành bọt). Khi bạn tăng nhiệt độ của xoong tốc độ truyền nhiệt cho nước
tăng. Nếu bạn tiếp tục nâng nhiệt độ của xoong quá giai đoạn tạo thành cột và đám
thì sự sơi sẽ chuyển sang một giai đoạn mới gọi là chế độ chuyển tiếp. Tiếp theo đó
là nếu tăng nhiệt độ của xoong lại làm giảm tốc độ truyền nhiệt cho nước. Sự giảm
này không phải là nghịch lí. Trong chế độ chuyển tiếp phần lớn đáy xoong bị bao phủ
bởi một lớp hơi. Vì hơi nước dẫn nhiệt kém hơn độ dẫn nhiệt của nước khoảng một
bậc, nên sự truyền nhiệt cho nước bị giảm đi. Xoong càng nóng hơn sự tiếp xúc trực
tiếp giữa nước và đáy xoong càng giảm và sự truyền nhiệt kượng càng kém. Tình
huống này có thể nguy hiểm trong một bình trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ chuyển nhiệt
từ một vật nóng. Nếu nước trong bình trao đổi nhiệt này được để chuyển sang chế
độ chuyển tiếp thì vật có thể bị đun quá nhiệt tới mức bị phá huỷ vì sự truyền nhiệt
lượng thốt ra từ nó bị giảm. Giả thiết rằng bạn tiếp tục nâng nhiệt độ của xoong lên
nữa. Cuối cùng thì tồn bộ đáy xoong bị phủ bởi một lớp hơi nước – và nhiệt lượng
chuyển chậm chạp cho nước phía trên do bức xạ và do dẫn nhiệt dần dần. Giai đoạn
này gọi là “sự sôi màng”.

</div>
<span class='text_page_counter'>(49)</span><div class='page_container' data-page=49>

Để nghiên cứu sự trình diễn của người, tôi chuẩn bị một tấm kim loại phẳng để
nung cái bếp ở phịng thí nghiệm. Trong khi điều khiển nhiệt độ của tấm với một cặp
nhiệt điện, tôi cẩn thận nhỏ một giọt nước cất từ một ống tiêm trên tấm. Giọt nước
rơi vào vết lõm do tôi tạo ra trên một tấm bằng búa bi, ống tiêm cho phép nhỏ các
giọt nước như nhau. Mỗi lần nhỏ một giọt nước, tơi lại đếm thời gian nó tồn tại trên
tấm. Sau đó tơi vẽ đồ thị thời gian tồn tại của giọt theo nhiệt độ tấm (h-2).

Đồ thị có một đỉnh lạ lùng. Khi mhiệt độ của tấm ở giữa 100 và chừng 2000_C,
mỗi giọt nước trải ra trên mặt tấm thành một lớp mỏng và bay hơi rất nhanh. Khi
nhiệt độ khoảng 2000_{C thì giọt nước nhỏ trên tấm gộp lại và tồn tại tới hàng phút. Khi}
nhiệt độ tấm cao hơn nữa các giọt nước gộp lại và khơng tồn tại lâu như vậy. Thí
nhiệm tương tự như nước máy thì cho đồ thị có một đỉnh tù hơn, có lẽ do những hạt

bụi lơ lửng trong giọt nước phá thủng lớp hơi nước, dẫn nhiệt vào trong giọt nước.

Sự kiện giọt nước tồn tại lâu khi nhỏ trên kim loại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
sôi của nước lần đầu tiên do Hermann Boerhaave phát hiện năm 1732. Nó khơng
được nghiên cứu nhiều cho đến năm 1756, khi Johann Gottlieb Leidenfrot công bố :
“Bàn về một số tính chất của nước thường”. Vì cơng trình của Leidenfrot mãi đến
năm 1965 vẫn khơng được dịch từ tiếng Latinh nên vẫn chưa chắc được nhiều
người đọc. Tuy nhiên tên của ông ngày nay gắn với hiện tượng này. Hơn nữa, nhiệt
độ ứng với đỉnh của đồ thị như tôi đã làm gọi là điểm Leidenfrot.

Leidenfrot tiến hành thí nghiệm của mình bằng một thìa sắt nung đỏ trên lửa
của một lị sưởi. Sau khi nhỏ một giọt nước vào thìa ơng đếm thời gian tồn tại theo
nhịp con lắc. Ông nhận thấy rằng có vẻ như nước rút ánh sáng và nhiệt từ chiếc thìa
để lại một vết sẫm hơn so với phần cịn lại của chiếc thìa. Giọt thứ nhất ở trên thìa
kéo dài 30s, trong khi giọt tiếp theo kéo dài chỉ 10s và những giọt nước tiếp theo chỉ
kéo dài vài giây.

Leidenfrot đã hiểu sai sự chứng minh của mình vì ơng khơng nhận thức được
rằng giọt nước kéo dài lâu hơn là sự sôi thực sự. Tôi giải thích theo thí nghiệm của
tơi. Khi nhiệt độ của tấm kim loại thấp hơn điểm Leidenfrot, nước trải ra trên tấm và
dẫn nhiệt nhanh ra khỏi nó làm cho nó bay hơi hoàn toàn trong vài giây. Khi nhiệt độ
bằng hoặc ao hơn điểm Leidenfrot, mặt dưới của giọt nước nhỏ trên tấm hầu như bị
bay hơi tức khắc, áp suất của khí trong lớp hơi này ngăn cản phần cịn lại của giọt
nước, khơng cho nó tiếp xúc với tấm (h-3). Lớp này vì vậy che chở và đỡ lấy giọt
nước ở phút sau. Lớp này luôn được bổ sung nhờ nước bốc hơi thêm từ mặt dưới
của giọt nước do bức xạ và dẫn nhiệt qua lớp đó từ tấm kim loại. Tuy lớp có chiều
dày bé hơn 0,1mm ở gần biên giới phía ngồi và khoảng 0,2mm ở tâm, nó vẫn làm
chậm đáng kể q trình bay hơi của nước.

</div>
<span class='text_page_counter'>(50)</span><div class='page_container' data-page=50>

Tôi không thể cưỡng lại ý định thử nghiệm cách giải thích của tơi. Bằng chiếc lị

của phịng thí nghệm tơi đun chảy một thỏi chì trong một chén nung. Tơi đun nóng
chì tới nhệt độ trên 4000_{C, cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó là 328}0_{C. Sau khi}
dùng nước máy làm ướt tay, tơi chuẩn bị sờ vào mặt trên của chì nóng chảy. Tơi
phải thú nhận rằng tơi có một trợ lí đứng sẵn sàng với các dụng cụ sơ cứu. Tôi cũng
phải thú nhận rằng trong vài lần thử nghiệm đã thất bại vì óc tơi khơng cho phép làm
thí nghiệm nực cười nên ln hướng ngón tay tơi trệch khỏi chì nóng chảy.

Cuối cùng khi tơi đã thắng mọi sự sợ hãi và chạm rất nhanh vào chì, tơi đã kinh
ngạc. Tơi cảm thấy khơng nóng. Đúng như tơi đốn, một phần nước trên ngón tay đã
bốc hơi, tạo một lớp bảo vệ. Vì sự tiếp xúc ngắn nên sự bức xạ và dẫn nhiệt qua lớp
hơi không đủ để nâng nhiệt độ da thịt của tôi lên một cách đáng kể hơn. Sau khi làm
ướt bàn tay, tơi nhúng tất cả các ngón tay vào trong chì cho chạm đáy nồi đun (xem
ảnh). Sự tiếp xúc với chì vẫn cịn q ngắn để có thể làm bỏng tay. Rõ ràng là, hiệu
ứng Leidenfrot, hay nói chính xác hơn, sự có mặt ngay lập tức của sự sơi màng, bảo
vệ ngón tay của tơi.

Tơi hãy cịn boăn khoăn vì sự giải thích của mình. Liệu tơi có thể cho ngón tay
khơ vào chì mà khơng bị bỏng khơng ? Vứt bỏ mọi suy nghĩ hợp lí, tơi thử luôn, lập
tức nhận ra sự điên rồ của tôi khi vết đau lan nhanh qua ngón tay. Sau đó tơi thử với
con Weiner khơ nhúng nó vào trong chì nóng chảy trong vài giây. Da của con Weiner
bị đen đi rất nhanh. Nó khơng được bảo vệ bởi sự sơi màng giống như ngón tay khơ
của tơi.

Tơi phải lưu ý rằng, nhúng ngón tay vào chì nóng chảy có một số nguy hiểm
thực sự. Nếu chì chỉ nóng hơi cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó thì khi nước bốc
hơi sự mất nhiệt do nó sinh ra có thể làm đơng đặc chì quanh ngón tay. Nếu tơi kéo
tay ra với cái bao tay bằng chì bị nóng cứng đó từ thùng chứa thì nó sẽ tiếp xúc với
ngón tay tơi một thời gian lâu, hồn tồn làm cho ngón tay của tơi bỏng nặng. Tơi
cũng đương đầu với khả năng chì bắn kên hoặc đổ ra. Thêm vào đó có một nguy
hiểm lớn nữa là có quá nhiều nước trên ngón tay. Khi có quá nhiều nước bốc hơi

nhanh chóng, hơi nước có thể thổi chì nóng chảy ra xung quanh và nghiêm trọng
nhất là vào mắt. Tôi đã mang bao tay và trên mặt các vết sẹo từ các sự bốc hơi nổ
như vậy. Bạn chẳng bao giờ nên lặp lại sự trình diễn đó làm gì. Sự sơi màng cũng có
thể thấy khi nitơ lỏng bị đổ ra. Những giọt và quả cầu bị hợp lại với nhau khi chúng
trượt trên sàn, chất lỏng ở nhiệt độ khoảng –2000_{C. Khi chất lỏng bị đổ ra tiếp xúc}
với sàn thì mặt dưới của chất lỏng tồn tại một thời gian đáng kinh ngạc.

Tôi đã được nghe kể về một xảo thuật ở đó người trình diễn rót nitơ lỏng vào
mồm mà khơng bị bỏng vì nhiệt độ q thấp. Chất lỏng lập tức sơi màng trên mặt
dưới của nó, và như vậy khơng trực tiếp tiếp xúc với mồm. Cũng lại điên rồ, tôi lặp lại
trình diễn này. Hàng mấy chục lần, xảo thuật tiến hành yên ổn và hấp dẫn. Với một
quả cầu lớn nitơ trong mồm, tôi tập trung không nuốt khi tôi thở ra. Độ ẩm trong hơi
thở lạnh của tôi ngưng tụ lại tạo thành một đám lông tơ khủng khiếp và kéo dài hàng
mét từ mồm tôi. Tuy nhiên trong lần thử cuối cùng của tôi, chất lỏng đã làm hai trong
các răng cửa của tơi co lại vì lạnh, nghiêm trọng tới mức men răng bị nứt như những
đường đi trên bản đồ. Nha sĩ của tôi thuyết phục tơi ngừng trình diễn này.

</div>
<span class='text_page_counter'>(51)</span><div class='page_container' data-page=51>

kích động vơ nghĩa, chẳng hạn nói rằng sự bảo vệ khỏi bị cháy bỏng là do “ý chí
thắng vật chất” mang lại. Thực tế chính vật lí bảo vệ bàn chân, khi cuộc chơi có hiệu
quả. Sự kiện đặc biệt quan trọng là mặc dầu bề mặt của than là hồn tồn nóng, nó
lại chứa ít năng lượng một cách đáng ngạc nhiên. Nếu người trình diễn đi bộ với các
bước đi vừa phải thì thời gian chân tiếp xúc ngắn đến mức chân chỉ được dẫn một
nhiệt lượng nhỏ từ than. Dĩ nhiên, đi bộ châm hơn dễ bị bỏng vì tiếp xúc lâu hơn cho
phép nhiệt lượng dẫn tới bàn chân cả từ lớp bên trong của than.

Nếu chân được làm ẩm từ trước khi đi bộ, chất lỏng có thể cũng giúp bảo vệ
chúng. Để làm ướt chân, người trình diễn có thể bước ra cỏ ướt ngay trước khi
bước lên than hồng. Cũng có thể chân dẫm mồ hôi do nhiệt lượng của than hoăc do
sự kích thích của buổi trình diễn. Khi mà người trình diễn ở trên than, một số nhiệt
luợng làm bay hơi chất lỏng trên chân, để nhiệt lượng được dẫn tới da thịt ít hơn.

Thêm vào đó, có thể các điểm tiếp xúc mà tại đó chất lỏng bị sơi màng, vì thế tạo
nên sự bảo vệ ngắn khỏi than.

Tôi cũng đã đi bộ trên than hồng năm lần. Trong bốn lần đi như thế tôi khá sợ
đến nỗi chân tôi đổ mồ hôi. Tuy nhiên trong lần đi bộ thứ năm, tôi cẩn thận để chắc
rằng chân tôi khô. Những vết bỏng tôi chịu đựng làm đau dữ dội và mạnh mẽ. Chân
tôi không lành trong nhiều tuần lễ.

Thất bại của tơi có thể là do khơng có sự sơi màng trên chân, nhưng tơi cũng là
tơi đã bỏ qua một yếu tố an tồn phụ. Trong những ngày khác, tôi đã hết sức thận
trọng giữ lấy quyển sách này trong lần xuất bản trước trong lồng ngực của tôi khi tôi
đi bộ qua than hồng như là chổ dựa của lịng tin vào vật lí. Hởi ơi, tơi đã qn cuốn
sách đó,trong cái ngày tơi bị bỏng nặng.

Tôi đã tranh luận rất lâu rằng chương trình “mức độ tin tưởng” phải dùng “đi bộ
trên lửa” như một kiểm tra cuối cùng. Người chủ trò của chương trình sẽ chờ ở phía
bên kia của một đống than hồng trong khi “thí sinh mức độ” buộc phải đi bộ qua than.
Nếu lịng tin của thí sinh là vật lí đủ mạnh, để chân khơng hề thiệt hại gì, thì người
chủ trị trao tay cho thí sinh chứng chỉ tốt nghiệp. Thử nghiệm sẽ biểu lộ rõ sự thật
hơn rất nhiều so với các cuộc thi cuối cùng truyền thống.

<b>Phải chăng sự tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu của chúng ta </b>

Barbara Goss Levi là thành viên lớn tuổi của ban biên tập “Vật lí ngày nay”. Bà
tốt nghiệp đại học Carleton College (1965) và tiến sĩ ở trường đại học Stabford
(1971) về vật lí hạt cơ bản. Cùng với việc dạy học ( tại Geogiatech và Rutgerd) viết
sách báo về vật lí, bà làm việc tại trường đại họcPrinceton trên các vấn đề như bảo
tồn năng lượng và kỉểm sốt vũ khí. Tiến sĩ Levi là hội viên của Hội vật lí Mĩ, hội
viên của hội Vì sự tiến bộ của khoa học. Bà là đồng tác giả của “Sự ấm tồn cầu”
Vật lí và sự kiện, do Viện vật lí Mĩ xuất bản năm 1992.

</div>
<span class='text_page_counter'>(52)</span><div class='page_container' data-page=52>

hành giảm bớt việc sản xuất carbon diocid hay chưa ? Ta phải thận trọng bởi lẽ
nhiều biện pháp có thể tác động đến cá nhân bạn. Carbon diocid mà nền văn minh
đưa thêm vào bầu khí quyển là do đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch : than, dầu và
khí. Các chất đốt này dùng trong các nhà máy điện và cung cấp năng lượng cho các
xe ôtô của chúng ta. Sẽ đến một ngày nào đó bạn sẽ phải chọn hoặc khí hậu hoặc
ơtơ. Trước khi con người xuất hiện, bầu khí quyển Trái Đất đã có sẵn carbon diocid,
và chính carbon diocid này cùng với hơi nước và một vài loại khí khác trong bầu khí
quyển đã làm cho Trái Đất ấm dễ chịu hơn so với khơng có nó. Nền văm minh của
chúng ta hàng năm đưa thêm vào khoảng 22 tỉ tấn carbon diocid và phần lớn khí
carbon diocid đó tồn tại chừng 50 – 200 năm. Kết quả, như nhiều nhà khoa học đã
đồng ý là : Trái Đất sẽ ấm dần lên. Tuy nhiên, họ chưa biết chắc chắn nhiệt độ tăng
như thế nào và mức độ nhanh chậm ra sao ? Nhiệt độ tồn cầu có lẽ tăng từ 0,3 đến
0,60_{C trong 100 năm gần đây, nhưng khơng ai có thể chứng minh mà khơng cịn e}
ngại rằng carbon diocid có thực là ngun nhân hay khơng.

Khí hậu là một hệ phức tạp đến mức làm cho việc tiên đốn chắc chắn địi hỏi
nhiều mẫu máy tính thơng minh. Dẫu sao, thì điều dễ hơn vẫn là hiểu cơ chế cơ bản
mà carbon diocid làm ấm Trái Đất của chúng ta. Trong tiểu luận này chúng ta cố
gắng hiểu chính xác trên cơ sở một mẫu đơn giản với các nhân tố và phương trình
nào xác định nhiệt độ Trái Đất như ta biết hiện nay. Điều này rút cuộc sẽ giúp chúng
ta hiểu sự tăng carbon diocid sẽ tác động đến nhiệt độ này như thế nào.

Nhiệt độ của Trái Đất được quy định rất nhiều bởi bức xạ mặt Trời mà nó nhận
được. Mặt Trời cụng như tất cả các vật nóng khác chẳng hạn thanh gỗ cháy âm ỉ,
bóng điện dây cháy đỏ, bức xạ nhiệt lượng dưới dạng sóng điện từ. Với mục đích
của ta ở đây, bạn chỉ cần biết rằng sóng điện từ là một dạng của chuyển động sóng
và sóng này mang theo năng lượng cường độ bức xạ I phát ra từ một vật bất kì phụ
thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của vật đó, tuân theo hệ thức, gọi là định luật Stefan –
Botzmann .

(1)

trong đó I là cơng suất bức xạ (tinh theo ốt) phát ra từ 1m2_{diện tích của vật}
bất kì có nhiệt độ T (K). Hai hằng số có trong phương trình này là được gọi là hằng
số Stefan – Botzmann (5,67.10-8_W/m2_K4_{) và là hằng số phát xạ của vật bức xạ, tức}
là khả năng phát bức xạ của nó. Với vật bức xạ lí tưởng = 1 và với những vật khác
< 1. Hãy chú ý sự phụ thuộc rất mạnh của công suất bức xạ vào nhiệt độ. Một vật
có nhiệt độ lớn gấp đôi sẽ bức xạ nhiều năng lượng gấp 16 lần trong cùng một thời
gian.

Bài toán 1

</div>
<span class='text_page_counter'>(53)</span><div class='page_container' data-page=53>

ngày càng ấm lên. Để Trái Đất (cũng như bất kì vật nào khác) giữ được nhiệt độ cân
bằng thì tốc độ hấp thu năng lượng bởi Trái Đất phải đúng bằng tốc độ bức xạ năng
lượng từ Trái Đất ra ngồi. Chính ngun lí cân bằng năng lượng này xác định nhiệt
độ của Trái Đất.

Hằng số Mặt Trời cho ta biết công suất bức xạ Mặt Trời rọi xuống trên mỗi đơn
vị diện tích. Để tìm bức xạ bị Trái Đất chặn lại, ta phải nhân hằng số Mặt Trời với
diện tích hình chiếu của bề mặt Trái Đất. Hình chiếu này là một vịng trịn có diện
tích . Không phải tất cả công suất bức xạ Mặt Trời này được Trái Đất hấp thụ : các
phép đo cho thấy, có chừng 30% ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ trở lại vào không
gian. Hệ số phản xạ này được gọi là anbêdô là ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ.
Phần Trái Đất hấp thụ là (1 - ).

Công suất bức xạ bởi Trái Đất là cường độ tính theo định luật Stefan –
Botzmann nhân với diện tích Trái Đất . Trong phép tính tốn này, ta giả thiết rằng độ
phát xạ của Trái Đất bằng 1.

Cân bằng công suất bức xạ Mặt Trời tới với công suất bức xạ bởi Trái Đất ta
thu được :

(2)
hay

(3)
Giải để tính ta được :

(4)

Nhiệt độ này thực tế đúng là xấp xỉ nhiệt độ mà các vệ tinh đã đo được ở phía
ngồi của khí quyển. Nó nghe mới lạnh lẽo làm sao ? Nhưng hãy nhớ rằng, trong
phép tính tốn này chúng ta đã bỏ qua bầu khơng khí quanh Trái Đất. Giá trị trung
bình tồn cầu thực sự của nhiệt độ tại bề mặt Trái Đất dễ chịu hơn nhiều = 288K
(150_{C) nghĩa là ấm hơn 33}0_{C. Bề mặt Trái Đất được giữ ở nhiệt độ con người có thể}
sống được này là nhờ các tấm chăn đắp gồm các chất khí và hạt cơ bản trong khí
quyển (h-1).

</div>
<span class='text_page_counter'>(54)</span><div class='page_container' data-page=54>

vật ở 255K (như Trái Đất). Các đường cong 2b và 2c trình bày các bước sóng mà
các “khí nhà xanh” chính là cácbon điơxít và hơi nước hấp thụ. Dầu rằng cả hai khí
này hấp thụ lại bức xạ có vài bước khác nhau phát ra từ Trái Đất thì chỉ có hơi nước
là hấp thụ một cách đáng kể một số bức xạ từ Mặt Trời. Như vậy phần lớn các bức
xạ Mặt Trời lọt thẳng được tới Trái Đất, nhưng một phần lớn bức xạ Trái Đất lại
được bầu khí quyển giữ lại.

Để có một ý tưởng trực giác về việc các khí này ảnh hưởng tới nhiệt độ như
thế nào, hãy tưởng tượng Trái Đất ban đầu khơng có các lớp “khí nhà xanh” nên bề
mặt nó có nhiệt độ 255K như ta đã tính trước đây. Giả thiết bây giờ một số “khí nhà
xanh” được đột ngột thêm vào bầu khí quyển Trái Đất…Đầu tiên mặt Trái Đất tiếp

tục bức xạ một lượng năng lượng cho phép

bởi nhiệt độ của nó theo đúng định luật
Stefan – Botzmann. Cường độ ấy nó cân
bằng năng thông tới từ Mặt Trời. Nhưng
bây giờ “khí nhà xanh” sẽ hấp thụ một phần
năng lượng này. Các khí này lại được bức
xạ năng lượng và một phần sẽ quay trở lại
Trái Đất. Mặt Trái Đất bây giờ nhận nhiều
năng lượng hơn là bức xạ và ấm lên. Khi nó
gần hơn nó sẽ bức xạ nhiều năng lượng
hơn. Mặt Trái Đất sẽ tiếp tục ấm lên tới
nhiệt độ ứng với sự cân bằng của năng
thơng.

Ta có thể tính nhiệt độ ở đó Trái Đất đạt tới sự cân bằng này, bằng cách xây
dựng một mơ hình đơn giản (xem hình - P.2810).

Từ đó ta thu được hai phương trình sau đây :
Đỉnh của tầng khí quyển S’ = A (5)

Bề mặt Trái Đất S’ + A = E (6)

Nếu giá trị của A tính theo p.t (5) vào p.t (6) và nhớ rằng công suất bức xạ bởi
Trái Đất có thể viết theo định luật Setfan – Botzmann, ta thu được :
E = 2S’

Hay

(7)

(8)

</div>
<span class='text_page_counter'>(55)</span><div class='page_container' data-page=55>

Bài tốn 2 Trong mơ hình hai lớp, ta xét trường hơp trong đó khí quyển hấp thụ
một phần a < 1 bức xạ của Trái Đất. Trong trường hợp này, bức xạ rời khỏi đỉnh của
khí quyển sẽ gồm một phần của bức xạ từ bề mặt Trái Đất không bị khí quyển hấp

thụ. Giá trị của độ hấp thụ a mà bầu khí quyển phải có là bao nhiêu để nhiệt độ Trái
Đất có giá trị quan sát là 288K ?

Một hiệu ứng bỏ qua trong mơ hình đơn giản là năng lượng cũng bị thoát khỏi
bề mặt do bay hơi như là do bức xạ. Hiệu ứng thứ ba là khí quyển khơng phải là một
lớp đơn ở nhiệt độ mà phân thành nhiều tầng với nhiệt độ giảm dần theo độ cao tới
khoảng 10km. Còn hiệu ứng thứ tự bị bỏ qua đó là đối lưu : khi khơng khí gần mặt
Trái Đất bị ấm lên, nó bốc lên mang theo nhiệt độ tới độ cao lớn hơn. Hơn nữa, một
mơ hình thực tế cũng phải xét tới sự thay đổi cường độ Mặt Trời theo vĩ độ các dòng
đối lưu gây ra do hiệu nhiệt độ giữa xích đạo và hai đia cực, địa hình bề mặt, hiệu
ứng của các đám mây, sự tương tác giữa các đại dương, khí quyển, đất, các khối
băng. Hình P.2811 trình bày một giản đồ các dịng năng lượng thực tế hơn trong hệ
Trái Đất, khí quyển. Những nhà khoa học tìm cách giải vấn đề này đã phải tốn hàng
chục năm trời để phát triển các mơ hình máy tính rất chi tiết, địi hỏi những máy tính
tốt nhất mà ta có.

Bài tốn 3

Trong những năm đầu của thập kỉ 80 (1980) một nhóm năm nhà khoa học đã
khuyến cáo rằng một cuộc chiến tranh hạt nhân có thể mở đầu một “mùa đơng hạt
nhân” hay một thời kì thời tiết lạnh lẽo một cách thảm hại. Sự lạnh lẽo mạnh mẽ này
có thể xảy ra, nếu các ngọn lửa nhóm lên bởi vũ khí hạt nhân đã tung ra một lượng
tro bụi vào khí quyển đủ làm che khuất Mặt Trời. Hãy thêm một lớp thứ ba, lớp cho
bụi này lên trên bầu khí quyển trong mẫu đơn giản ; Giả thiết rằng lớp cho bụi này

hấp thu tất cả ánh sáng tới từ Mặt Trời, và cho qua tất cả bức xạ nhiệt từ Trái Đất và
khí quyển.

Tính nhiệt độ bề mặt thực tế của Trái Đất (câu hỏi một “mùa đông hạt nhân thế
nào, có thể cịn phải được tranh luận và địi hỏi một cách xấp xỉ thơng minh hơn mẫu
đơn giản của chúng ta”).

</div>
<span class='text_page_counter'>(56)</span><div class='page_container' data-page=56>

nồng độ đạt mức cao gấp hai lần mức của thời kì tiền cơng nghiệp. Các mẫu khí hậu
vi tính hóa phát triển hiện nay tính rằng sự tăng gấp đơi nồng độ cácbon điơxít sẽ
làm tăng nhiệt độ thêm một giá trị nằm trong khoảng từ 1.5 tới 4,50_{C. Sự tăng này có}
thể hơn tại vài nơi trên địa cầu so với các nơi khác và có thể mỗi nơi sẽ bị hậu quả
khí hậu khác nhau, chẳng hạn : lượng mưa thay đổi,dông bão tới nhiều hơn cũng
như nước biển dâng cao.

Không ai biết được liệu những bước thay đổi khí hậu có vượt ra ngồi hay
khơng khả năng thích nghi của hệ sinh thái tự nhiên hoặc của các tập quán của con
người ? Và còn nữa, phải cho rằng các cố gắng chính để cắt giảm sự phát sinh ra
CO2 là rất tốn kém. Dẫu sao đã có hàng loạt các nhà khoa học bắt đầu kêu gọi tiến
hành các biện pháp thận trọng để làm giảm sự thải ra cácbon điơxít các khí khác
như fluo-cacbon (chính nó đe dọa tầng ozôn), mêtan và nitơoxit. Nếu các khuyến
cáo của họ được chấp nhận có lẽ bạn khơng thể từ bỏ cái thú lái xe của bạn, nhưng
chắc chắn bạn sẽ phải mua một chiếc khác để có thể đi được nhiều dặm hơn, với
một galông xăng, hoặc dùng một loại nhiên liệu khơng phải nhiên liệu hóa thạch.

Trả lời

1. 7,35.107_W/m2_{; 1590W/m}2_{(20% lớn hơn giá trị đó)}

2.

3.

<b>Bay bằng từ</b>

Thomas D. Rossing là giáo sư vật lí ở trường đại học tổng hợp Bắc Hllinois.
Ơng nhận bằng cử nhân tại trường Luther và bằng tiến sĩ tại trường đại học quốc gia
Iova. Ông là tác giả của hơn 200 ấn phẩm, bao gồm 10 cuốn sách, 8 bằng phát minh
ở Mĩ và 11 bằng phát minh ở nước ngoài, chủ yếu trong các lĩnh vực âm học, từ học
và giảng dạy vật lí. Ơng đã nghiên cứu và giảng dạy ở Anh, Đức, Thụy Điển, Úc,
Trung Quốc và Hà Lan, cũng như một số trường đại học và phịng thí nghiệm quốc
gia ở Mĩ. Ơng là thành viên của hội âm học Mĩ và đã từng là chủ tịch của hiệp hội
các nhà vật lí Mĩ năm 1991.

</div>
<span class='text_page_counter'>(57)</span><div class='page_container' data-page=57>

Các tàu hỏa cao tốc ở Pháp, Nhật hay Đức chạy với tốc độ 300km/h, có thể là
gần tới giới hạn thực tế cho các xe cộ thơng thường có bánh xe. Các tàu cao tốc
đệm khơng khí thường tỏ ra nhiều hứa hẹn đến mức như người ta nghĩ. Người ta
thấy rằng tương lai của giao thông tốc độ cao trên mặt đất thuộc về các xe cộ được
nâng lên bằng từ (nâng từ) ; chúng “bay” ngay trên đường dẫn.

Mặc dù các xe nâng từ có thể trong giống tàu hỏa, nhưng về nhiều phương
diện thiết kế chúng lại rất gần với máy bay. Cần phải tính đến lực nâng, lực cản, lực
dẫn hướng và nhiều sự mất ổn định khác nhau dẫn tới tàu bị tròng trành hoặc chạy
bị chệch đường. Hệ thống đẩy phải hoạt động mà khơng có tiếp xúc cơ học với
đường dẫn hướng. Có loại lại dùng “các bánh xe tiếp đất” co lên được để đỡ tàu khi
chạy ở tốc độ nhỏ.

Với kĩ thuật hiện tại người ta thấy có thể xây dựng một hệ nâng từ hoạt động ở
500km/h (300m/ph). Một hệ thống như vậy có
thể thay thế nhiều chuyến bay cự li ngắn (100
– 600 dặm) mà các sân bay chính đang đảm

nhiệm. Các xe nâng từ có thể được sử dùng
để nối các thành phố chính với các sân bay
quốc tế lớn đặt ở xa các vùng đô thị đông
đúc. Hệ thống nâng từ quốc gia sẽ đóng góp
nhiều vào việc giải tỏa tắc đường trên các
đường cao tốc liên bang, đặc biệt là ở các
vùng có mật độ giao thơng cao gần các trung
tâm dân cư lớn.

Hệ thống vận chuyển nâng từ cho ta tiết
kiệm được nhiều năng lượng. Thí dụ, khoảng
một nữa số chuyến bay đến sân bay O’Hare
ở Chicago là loại cự li dưới 500 dặm. những
chuyến bay này tỏ ra rất kém hiệu suất, vì
máy bay cần nhiều thời gian để lấy đà, đạt độ
cao và hạ xuống, trong khi các máy bay phản lực lại hoạt động có hiệu quả nhất là ở
độ cao lớn. Ngược lại các tàu nâng từ có thể đưa hành khách cự li ngắn đến đích
trong thời gian ngắn ít hơn với chi phí năng lượng ít hơn nhiều.

</div>
<span class='text_page_counter'>(58)</span><div class='page_container' data-page=58>

Bay bằng từ có thể sử dụng lực hút hoặc lực đẩy (hoặc kết hơp cả hai) để nâng
xe lên. Các hệ thống điện tử (htđt) phụ thuộc vào các lực giữa các nam châm điện
và đường sắt từ (thép) như mơ tả trên hình P.3002. Vì lực hút tăng khi khoảng cách
giảm, nên hệ thống này vốn không bền, và phải điều khiển cẩn thận dòng điện của
nam châm để duy trì một độ cao mong muốn. Hơn nữa khoảng cách giữa nam châm
và đường dẫn phải nhỏ (nhiều nhất là vài cm). Mặt khác có thể duy trì sự treo bằng
từ ngay cả khi tàu đứng lại, điều mà hệ điện động (dùng lực đẩy) không làm được.
Trong hệ thống trên hình P.3003, một mạng nam châm điện tách biệt khơng vẽ trên
hình cung cấp lực dẫn ngang, còn các nam châm nâng, chịu tác động của một từ
trường chuyển động từ đường dẫn hướng, cung cấp lực đẩy. Tàu cao tốc TR-07 của
Đức được thiết kế để chở

200 hành khách và chạy với
tốc độ tối đa là 500km/h. Độ
cao nâng là 8mm và công
suất tiêu thụ là 43MW ở tốc
độ 400km/h.

Hệ thống điện động phụ
thuộc vào lực đẩy giữa các
nam châm chuyển động và
các dịng điện xốy do chúng
cảm ứng trong một đường
dẫn hướng dẫn điện (nhơm),
như mơ tả hình P.3002, hoặc
trong các vòng dẫn điện. Lực
nâng đẩy vốn ổn định đối với
khoảng cách, và có thể nâng
được độ cao nâng tưong đối
lớn (20 - 30cm) bằng cách sử dụng các nam châm siêu dẫn. Đường dẫn hướng dẫn
điện có thể là một thanh ngang phẳng (P.3004a), hai vật có hình L tách nhau
(P.3004b), một mảng các cuộn dây đoản mạch ở dưới các nam châm (P.3004c),
hoặc một mảng các cuộn dây ở tường bên (P.3004d). Nhật Bản đưa ra hệ thống cao
tốc nâng từ sử dụng các cuộn dây hình 8 nối với nhau (“dịng vơ lực”) ở trên tường
bên. Cách bố trí dịng vơ lực này dẫn đến giảm lực từ cản do các dịng xốy, và do
đó chỉ cần công suất nhỏ.

Lịch sử vắn tắt

Năm 1907, một sinh viên tên là Robert Goddard, sau này được gọi là “người
cha của kĩ thuật tên lửa hiện đại”, đăng một bài báo trong đó mơ tả nhiều đặc trưng
cơ bản của hệ thông nâng từ. Năm 1912, một kĩ sư người Pháp tên là Emile

Bachelet đưa ra một kiểu xe nâng từ dùng để đưa thư. Xe của ông được nâng bởi
các nam châm điện chuyển động trên dải nhôm. Tuy nhiên do công suất tiêu thụ lớn
nên đề nghị của Bachelet không được xem xét một cách nghiêm túc, và ý tưởng này
bị lãng quên trên dưới nữa thế kỉ.

</div>
<span class='text_page_counter'>(59)</span><div class='page_container' data-page=59>

Trong những năm 1970, các hệ thông nâng từ trở thành đối tượng nghiên cứu
nghiêm túc ở một số nước. Những xe nâng từ thí nghiệm được chế tạo và thử
nghiệm ở những nơi như Viện nghiên cứu Stanford và M.I.T. Các nhóm nghiên cứu
ở các phịng thí nghiệm khoa học của cơng ti Ford motor, ở trường đại học tổng hợp
Warwick thuộc Anh, và ở một số trường đại học thuộc Canada đã nghiên cứu cẩn
thận sự nâng từ và đẩy từ.

Việc nghiên cứu ở Đức bắt đầu từ những năm đầu 1970, lúc đầu hướng vào cả
hệ thống điện từ dùng lực nâng hút, lẫn hệ thống điện dùng lực đẩy, nhưng những
năm gần đây chỉ có hệ điện từ mới được xem xét một cách nghiêm túc. Ở Nhật Bản,
những nghiên cứu và phát triển về các hệ thống điện từ (hút) và điện động (đẩy)
được tiến hành trong các chương trình song song mà các hãng hàng khơng và
đường sắt Nhật Bản là những người đi tiên phong.

Mặc dù ở Mĩ hầu như mọi tài trợ cho việc nghiên cứu nâng từ đã chấm dứt vào
năm 1975, nhưng các nghiên cứu và phát triển vẫn tiếp tục ở Nhật và Đức, và mẫu
xe to bằng thật đã được thử nghiệm ở hai nước này. Hiện đang có các kế hoạch xây
dựng một hệ thống dựa trên kĩ thuật điện từ của Đức (Transrapid) tại Orlando,
Florida ; đó sẽ là hệ thống nâng từ cơng cộng đầu tiên ở Mĩ.

Lực nâng và lực cản tác dụng lên nam châm chuyển động

Khi một nam châm chyển động trên một
vật dẫn. Theo định luật Lenz các dòng này
chống lại từ trường thay đổi do nam châm

chuyển động. Điều này có nghĩa là từ trường
của dịng điện xốy phải đẩy nâng nam châm
vừa chống lại chuyển động của nó. Như vậy
lực tác dụng lên một nam châm chuyển động
trên mặt phẳng dẫn có thể phân tích thành
hai thành phần : lực nâng vng góc với mặt
phẳng dẫn và lực cản ngược chiều với chiều
chuyển động.

Ở tốc độ nhỏ lực cản lớn hơn nhiều so với vật nâng. Một cái đĩa bằng NeFeB
(vật liệu từ vĩnh cửu khá mạnh) trượt xuống rất chậm trên một tấm nhôm ngay cả khi
tấm nhơm có độ nghiêng lớn, do lực cản mạnh gây ra bởi các dịng điện xốy. Một
minh họa đơn giản khác về cản từ là một nam châm hình đĩa rơi chậm xuống qua
một ống nhơm hoặc đồng. Trong cả hai trường hợp, lực cản tỉ lệ với tốc độ của nam
châm vả với bình phương của từ trường, và nam châm mau chóng đạt tốc độ dừng.

Ở tốc độ nhỏ, lực cản tác dụng lên nam châm tỉ lệ với tốc độ v, nhưng nó sẽ đạt
cực đại (gọi là đỉnh cản) và sau đó giảm theo như bên hình P.3005. Ngược lại,
lực nâng lúc đầu có giá trị nhỏ, nhưng tăng theo v2_{và sớm vượt lực cản khi tốc độ}
tăng. Ở tốc độ cao, lực nâng tiến tới giá trị tiệm cận, bằng lực đẩy do “ảnh” gương
của nó trong mặt phẳng dẫn điện tạo nên. (tức là do một nam châm giống hệt nam
châm trên mặt dẫn điện, ở cùng một khoảng cách nhưng ở mặt dưới dẫn điện).

</div>
<span class='text_page_counter'>(60)</span><div class='page_container' data-page=60>

được quay bằng mơ tơ 1725vịng/phút, tạo nên một tốc độ tới 75cm/s, đủ nâng nam
châm lên độ cao 8mm hay hơn nữa.

Về mặt định tính, có thể hiểu được lực này bằng cách xét từ thông khếch tán
vào vật dẫn. Khi nam châm chuyển động trên vật dẫn, từ trường tìm cách khếch tán
vào vật dẫn. Nếu nam châm chuyển động đủ nhanh thì trường khơng thể xun sâu
vào vật dẫn được, và sức ép từ thông giữa nam châm và vật dẫn gây ra lực nâng.

Từ thông xuyên qua vật dẫn bị nam châm chuyển động kéo đi, và lực cần để kéo từ
thông này bằng lực cản.

Ở tốc độ cao, ít từ thơng có đủ thời gian xuyên vào vật dẫn. Lực nâng đạt giới
hạn tiệm cận, còn lực cản tiến tới 0 ở tốc độ cao.

Trong thiết kế hệ nâng từ, “tỉ số nâng – cản” là rất quan trọng ; nó tỉ lệ với tốc
độ và độ dẫn điện của đường dẫn mà trên đó hệ chuyển động. Trong máy bay cả lực
nâng và lực cản đều tỉ lệ với v2_{, nên tỉ số nâng – cản không phụ thuộc vào tốc độ.}
Ngược lại xe nâng từ tỉ số này tăng theo tốc độ, đạt giá trị vào khoảng 50 ở 300km/h.
Ở 500km/h (300m/ph) lực cản khí động lực học lớn hơn nhiều so với lực cản từ
(ngay cả khi hình dáng thon nhất).

Lực đẩy

Vì các xe nâng từ sẽ khơng có bánh xe kéo, nên người ta dùng một kiểu đẩy
khác. Một số loại động cơ máy bay phản lực có thể được chọn, nhưng dùng chúng ở
mặt đất ảnh hưởng đến mơi trường do tiếng ồn, nhiệt và khí thải.Có khả năng là
dùng hệ đẩy bằng từ,đáng chú ý là động cơ đồng bộ tuyến tính.
Động cơ đồng bộ tuyến tính dùng một mảng các cuộn dây ở đường dẫn để tạo ra
một từ trường chuyển động, và từ trường này tác dụng vào nam châm gắn trên xe.
(Về nguyên lí, tương tự với từ trường quay trong động cơ không đồng hồ đồng bộ
hay trong máy hát hảo hạng). Những nam châm ở trên xe có thể cũng là các cuộn
dây siêu dẫn dùng để nâng hay dẫn hướng.

Nhìn vào tương lai : Bay bằng từ dưới mặt đất

Mặc dù các tàu nâng thế hệ đầu sẽ hoạt động cách mặt đất vài mét, nhưng bay
bằng từ trong các đường hầm đã hút khí dưới mặt đất có nhiều ưu điểm so với máy
bay và xe cộ cao tốc trên mặt đất. Ưu điểm đáng chú ý nhất là tiết kiệm nhiều cơng

suất đẩy do giảm được sức cản khí động học. Ta đã thấy lực cản tứ giảm theo tốc
độ, trong khi đó sức cản khí động lại tăng. Một ưu điểm lớn khác của sự bay bằng từ
dưới mặt đất có liên quan đến mơi trường. Ta hãy hình dung một hệ thống vận
chuyển cao tốc, khơng cần đường riên đi qua các vùng đất của tư nhân, khơng gay
ra tiếng ồn và khơng xả khí thải gây ô nhiễm môi trường !

Các xe nâng từ dưới mặt đất có thể đẩy bằng lực từ hoặc bằng áp lực khơng
khí. Trong cách thứ hai người ta đưa ra một ít khơng khí vào đường hầm ngay sau
xe. Tuy vậy cách đẩy bằng từ có thể được ưa chuộng hơn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(61)</span><div class='page_container' data-page=61>

năng lượng đẩy là 3.107 J cho một hành khách, xấp xỉ năng lượng đuợc giải phóng
khi đốt một lít xăng.

Hiện nay chi phí để xây dựng 1500km đường hầm đắt đến mức bất khả thi, cả
về tiên bạc lẫn năng lượng tiêu thụ. Liệu chúng ta có thể nhìn thấy các chuyến bay
từ trong lịng đất khơng. Rõ ràng điều đó phụ thuộc vào những tiến bộ trong kĩ thuật
đường hầm.

Từ học và đời sống

Charles P. Bean là giáo sư đại học về khoa học ở trường đại học bách khoa
Rensselaer. Năm 1952 ông nhận học vị tiến sĩ về vật lí ở trường đại học tổng hợp
Illinois. Hơn 33 năm ông nghiên cứu khoa học ở phịng thí nghiệm của General
Electric Research và của trung tâm kế vị làGeneral Electric Research and
Development Center. Ở đây ông nghiên cứu trong các lĩnh vực tinh thể ion, từ học
siêu dẫn và lí sinh màng mỏng. Ông là thành viên của viện hàn lâm khoa học quốc
gia và Viện hàn lâm nghệ thuật và khoa học Mĩ. Ông thiên về nghiên cứu vật lí của
các hiện tượng trong tự nhiên.

Do tính huyền bí của từ lực mà xưa kia và cả ngày nay người ta vẫn tìm kiếm

các tác động của từ trường lên cuộc sống con người và các sinh vật khác.Trong
nhiều trường hợp người ta tin rằng đã tìm được hiệu ứng nhưng không thể nào lập
lại được. Tuy nhiên, mới đây một nhà khoa học trẻ đã phát hiện được một hiệu ứng
hồn tồn lặp lại được, đó là các vi khuẩn hoạt từ. Tiểu luận này kể cho các bạn về
phát hiện đó và các hiệu quả của nó. Trước khi kể, cần phải đưa ra vài viễn cảnh lịch
sử và khoa học.

Ta nói rằng hiện tượng từ là huyền bí. Ta hãy lấy hai nam châm vĩnh cửu và
đặt chúng gần nhau. Ở định hướng này chúng hút nhau qua không gian trống không,
và định hướng khác chúng đẩy nhau. Tất cả chúng ta đều cảm thấy điều kì lạ của
hiện tượng này.Đối với cậu bé 5 tuổi Einstein, việc quan sát một kim la bàn bị lệch đi
làm cậu nghĩ trước tiên về các trường lực, và các trường đó là gì. Chủ yếu nhờ các ý
nghĩ của Einstein mà hiểu biết của chúng ta hiện nay chỉ tồn tại một trường, đó là
trường điện từ, và sự nhận biết của chúng ta phụ thuộc vào chuyển động của chúng
ta so với trường đó. Chẳng hạn, cái mà ta gọi là từ trường được tạo nên bởi chuyển
động của các điện tích so với ta. Một hệ quả là, do tốc độ tương đối của chuyển
động thường rất nhỏ so với địện lực. Thí dụ điện lực giữ các nguyên tử và vật rắn
với nhau. Thơng thường từ lực chỉ đóng góp một phần nhỏ trong tồn bộ mối liên kết
này.

Nói chung khi nói về nam châm, ta nghĩ đến vật làm cho cửa tủ lạnh bị hút chặt
lại, - đó là nam châm vĩnh cửu. Trong thiên nhiên, nó chủ yếu tồn tại dưới dạng gọi
là manhêtít, có cơng thức hóa học Fe3O4. Một cách đầy đủ hơn, nó được viết tắt là
FeO.Fe2O3 để chỉ ra mỗi phân tử có một ion sắt hai (Fe2+_{) và hai ion sắt ba (Fe}3+_{). Nó}
là một loại đá đen, nhìn khơng có gì đặc biệt (đá nam châm), nhưng đã dẩn đến thời
kì vĩ đại của các phát hiện địa lí trong thời gian kể từ thế kỉ 12 đến thế kỉ 16, cũng
như đến nhiều mặt của khoa học hiện đại.

</div>
<span class='text_page_counter'>(62)</span><div class='page_container' data-page=62>

trong những phát minh vĩ đại của chúng ta lại được thực hiện từ trước bởi một cơ
thể đơn giản nhất trên Trái Đất.

Dẫn đường bằng từ

Vi khuẩn lả những cơ thể đơn bào, sống ở mọi nơi. Chúng sinh sôi cả bên
trong lẫn bề mặt cơ thể chúng ta. Người ta có thể tìm thấy chúng ở suối nước nóng
850_{C và ở đáy đại dương. Điển hình, chúng có kích thước vài micrơmet, do đó chỉ có}
thể nhìn thấy chúng bằng kính hiển vi. Do giới hạn phân giải được xác định bởi sóng
ánh sáng (khoảng 0,4mm trong nước) nên kính hiển vi quang học, khơng thể nhìn
thấy được cấu trúc chi tiết bên trong chúng. Cần phải dùng kính hiển vi điện tử mới
nhìn thấy những điểm tinh vi trong cấu trúc của chúng.

Mặc dù nhỏ bé, nhưng vi khuẩn rất có khả năng thích nghi với các điều kiện
xung quanh và có nhiều tính chất. Thí dụ,
một lớp vi khuẩn rộng lớn có thể hoạt
động rất tốt trong điều kiện khơng có ôxi.
Người ta nghĩ rằng loại này xuất hiện
sớm trong quá trình phát triển của Trái
Đất, trước thời kì tiến hóa của cây cỏ và
sự giải phóng ơxi sau đó vào khí quyển.
(Ơxi là chất thải quang hợp, giống như
CO2 trong q trình biến hóa trong cơ thể
của chúng ta). Ngày nay những vi khuẩn
gọi là yếm khí này tồn tại ở nhiều vùng
dưới nước, nơi có rất ít ơxi. Súc vật và
cây cỏ phân hủy cung cấp những điều
kiện này. Điển hình, chất thải của q
trình biến hóa yếm khí là mêtan, cịn gọi là yếm khí đầm lầy. Đa số các vi khuẩn có
thể bơi bằng cách dùng một hoặc nhiều phần phụ - được gọi là “cờ” khi chúng dài và
ít, và được gọi là lơng khi chúng nhiều và ngắn. Hơn nữa chúng có các bộ phận
nhận có thể cảm nhận được các hóa chất và có thể cảm nhận được các hóa chất và

các chất khí hịa tan trong nước và như vậy có thể bơi đến gần thức ăn và tránh xa
khỏi các chất độc. Đối với vi khuẩn yếm khí thì ơxi cũng là một chất độc.

</div>
<span class='text_page_counter'>(63)</span><div class='page_container' data-page=63>

đã mang nó gần giọt nước. Theo một hướng này thì thanh khuấy đã khơng gây ra sự
chuyển động nhưng theo hướng ngược lại thì chiều chuyển động của vi khuẩn đã bị
đảo ngược lại ! Sự quan sát này, khi thanh nam châm khuấy được thử nghiệm bằng
một cái la bàn, đã chỉ ra rằng đại đa số các vi khuẩn đã bơi theo hướng của đầu bắc
của kim của cái la bàn từ.

Đây đã là một sự khám phá duy nhất trong lịch sử của từ học và sinh học. Nó
đã chỉ ra một ảnh hưởng trực tiếp và có thể lặp lại được của địa từ trường lên một
cơ thể sống. Blakemore và những người cộng sự đã nhanh chóng chỉ ra rằng sự
sống đã không cần thiết cho sự định hướng của vi khuẩn. Các vi khuẩn bị giết
thường đã quay theo một từ trường được áp đặt vào, nhưng từ khi chúng bị chết
chúng đã không di chuyển vào trướng đó nữa.

Cơ chế của sự định hướng

Mỗi một phát minh trong khoa học sẽ dẫn tới nhiều câu hỏi. Trong trường hợp
này là : cơ chế vật lí của hiệu ứng là gì và các ý nghĩa sinh học của hiệu ứng là gì ?
Đối với câu hỏi thứ nhất, Blakemore đã lập luận rằng cơ chế đơn giản nhất là mỗi vi
khuẩn, bản thân nó là một la bàn nhỏ, mà nó có thể quay trong một từ trường. Một
phim chụp qua kính hiển vi điện tử là một vi khuẩn điển hình (P.3101) đã cho thấy
một sự sắp xếp mới của các hạt đậm đặc electron ở bên trong một vi khuẩn điển
hình, điều đó đã đáp lại tác dụng của một từ trường. Chúng có thể là một la bàn
chăng ? Edward M.Purcell của Harvard đã đề xuất rằng các hạt này có khả năng là
các hạt từ đơn đômen của một chất sắt từ nào đó và nếu thế thì một xung ngắn của
một từ trường trực đối sẽ làm đảo ngược sự từ hóa của mỗi vi khuẩn trước khi nó có
thể quay để tự thích ứng với từ trường mới. Một thí nghiệm cùng vời Adrianus
J.Kalmijn của Viện nghiên cứu hải dương học về các hố đáy biển đã chỉ ra đúng một

số hiệu ứng như thế. Sau một xung như vậy, các vi khuẩn đã không hướng về
phương nam. Sử dụng các kiến thức vậy lí về từ học được trình bày ở chương 34
người ta có thể ước lượng được liệu cần bao nhiêu vật liệu để định hướng một vi
khuẩn trong địa từ trường. Bài toán mẫu 34-4chỉ ra rằng một nguyên tử có moment
từ một manhêton Bohr sẽ không được sắp xếp thẳng hàng một cách đáng kể ở nhiệt
độ phòng trong một từ trường 1,5T. Để có được sự sắp xếp thẳng hàng đáng kể thì
năng lượng từ mB phải bằng hoặc lớn hơn năng lượng của chuyển động nhiệt hỗn
độn kT. (Các thừa số 2 và 3/2 được dùng trong bài tốn mẫu 34-4 khơng cần thiết
trong sự tính tốn ở đây về bậc độ lớn này). Quy tắc này nói lên rằng

Trong đó m là moment từ toàn phần của vi khuẩn, k là hằng số Boltzmann
(1,38.10-23J/K), T là nhiệt độ Kelvin (300K) và B là địa từ trường (≈5.10-5_{T). Sử dụng}
các số liệu này

</div>
<span class='text_page_counter'>(64)</span><div class='page_container' data-page=64>

nhau một cách chính xác). Từ đó moment từ tồn phần được cho bởi tích của
moment từ tính cho một đơn vị thể tích và thể tích V,chúng ta suy ra rằng thể tích V
của vật liệu bị từ hóa hồn hảo cần cho sự sắp xếp thẳng hàng đáng kể là

Các giới hạn dưới này có thể được so sánh với thể tích được ước lượng từ
ảnh hiển vi điện tử được vẽ trong hình P.3001. Chúng ta thấy rằng một chuỗi các hạt
có 20 hạt, mỗi hạt có đường kính xấp xỉ 50nm.

Nếu cho rằng chúng là các quả cầu thì thể tích tồn phần của chúng là hoặc là
vào khoảng tám lần giá trị cực tiểu được tính ở trên. Dĩ nhiên điều này dẫn đến một
mômen từ vào khoảng tám lần moment từ mà đối với nó B = kT. Kết quả là các vi
khuẩn được định hướng rất tốt trong địa từ trường.

Các kết quả của sự định huớng trong địa từ trường

Trong sinh học người ta thường tìm kiếm một ưu thế giành được bằng một sinh

vật có một giác quan đặt biệt. Chẳng hạn, như các con dơi có thể vừa phát vừa nhận
được sóng siêu âm. Bằng cách sử dụng bản năng này chúng có thể vừa bay trong
bóng tối vừa xác định vị trí con mồi như là các con bướm đêm. Trong trường hợp
các vi khuẩn nhạy từ, có thể gắn với một ưu thế rõ ràng. Hình 34-7 chỉ rõ địa từ
trường được trình bày như một lưỡng cực. Trong bán cầu bắc có một thành phần đi
xuống. Các vi khuẩn bơi dọc theo đường sức từ trường sẽ đi xuống. Vậy các vi
khuẩn yếm khí bị khuấy khỏi mơi trường thơng thường của chúng thì chúng sẽ được
giúp đỡ trong quá trình quay trở lại bùn. Một kết quả của khái niệm này là các vi
khuẩn ở bán cầu nam sẽ có các moment từ nam – cần thiết. Một cuộc thám hiểm
được thực hiện do Blakemore và những người cộng sự đến New Zealand đã chỉ ra
điều đó một cách chính xác. Ở xích đạo, người ta thấy cả hai sự phân cực mà ưu
thế là không hồn tồn rõ ràng, từ đó các vi khuẩn bị ép buộc phải chuyển động theo
các đường nằm ngang.

Trong mỗi quần thể vi khuẩn, phải có một vài vi khuẩn trên một nghìn sự phân
cực “sai”. Các điều tra viên đã lấy một mẫu bùn và nước đặt nó vào một từ trường
mà thành phần thẳng đứng của từ trường này của từ trường này bị đảo ngược lại.
Phần lớn các vi khuẩn bơi tới bề mặt và tới mội trường giàu ơxi. Trong mơi trường
đó sự chuyển hóa và khả năng tái sinh sản của chúng bị giảm xuống. Các vi khuẩn
trước đây khác thường thì bây giờ đi tới bùn thì sẽ thuận lợi hơn. Sau khoảng độ
tám tuần lễ hầu như toàn bộ các vi khuẩn đã bị đảo ngược sự phân cực. Chúng ta
biết không có một cơ chế mà nhờ đó các vi khuẩn có thể quay các hạt từ ở bên trong
của chúng. Phần lớn các thành viên hầu như chắc chắn của quần thể mới của các vi
khuẩn là các con cháu của một số vi khuẩn khác thường. Nếu vậy thì thí nghiệm chỉ
ra, trong thế giới vĩ mơ, có một sự thích nghi về sự tiến hố luận với sự biến đổi mơi
trường. (Có thể bạn nghĩ tới một thí nghiệm để nghiệm lại xem có quần thể bắt
nguồn một cách thực sự từ các vi khuẩn khác thường không ?)

</div>
<span class='text_page_counter'>(65)</span><div class='page_container' data-page=65>

Đúng như các nhà hàng hải sử dụng một la bàn từ để dẫn đường cho họ, các
con chim di trú và các con ong kiếm mật hoa có thể dùng một giác quan từ. Qua các

năm, nhiều nhà điều tra nghiên cứu đã khảo sát tỉ mỉ khả năng này. Họ đã buộc các
nam châm và các nam châm giả cho các con chim và địi hỏi một tập tính đã được
thay đổi cho trường hợp của các nam châm. Sự gợi ý này đã làm cho các con chim
bồ câu không chỉ phát hiện được phương hướng mà cịn có thể phát hiện được một
sự biến đổi về cường độ từ trường cỡ 2 phần 104. Các con ong như một số người
nghĩ đã dùng một bản đồ từ và truyền, bằng sự nhảy múa, các phương hướng khác
cho các con ong thợ khác (J.L.Gould trong tạp chí American Scientist (Nhà khoa học
Mĩ) Tháng năm – Tháng sáu 1980, đã viết một bài báo có giá trị về sự hiểu biết vế
tính nhạy cảm của các con chim và các con ong). Khác với trường hợp của sự phân
tích của Blakemore về các vi khuẩn nhạy cảm từ, khơng một ai đã tìm thấy một cơ
chế của các hiệu ứng có thể xảy ra này. Nếu có một la bàn cục bộ thì nó phải được
liên hệ với hệ thần kinh của các sinh vật bậc cao này chứ không phải chỉ tạo ra một
mômen xoắn bị động như trong trường hợp của các vi khuẩn. Khơng có một sự liên
hệ nào nhưthế đã được tìm thấy. Thật vậy, khơng mộy ai có thể kiểm tra một con
chim hay một con ong bị hút hoặc bị đẩy bởi một từ trường. Do đó, nhiều nhà sinh lí
khơng tin tưởng rằng trường hợp đối với tính nhạy cảm của các con chim và các con
ong đã được chứng minh. Nhưng vấn đề còn được bỏ ngõ. Có thể một Blakemore
khác sẽ tìm ra một phát minh làm đổi mới cách nhìn trong lĩnh vực này một cách rõ
ràng và triệt để, giống như những quan sát của Blakemore đối với các vi khuẩn nhạy
từ đã gây ra.

Vật Lí và đồ chơi

Raymond C. Turner được nhiều người biết tiếng qua các cơng trình của ơng về
vật lí đồ chơi. Ơng đỗ bằng cử nhân khoa học tại học Viện công nghệ Carnegie và
tiến sĩ vật lí chất rắn tại Đại học Pittsburg năm 1966. Ơng hiện là giáo sư vật lí tại
trường Đại học Clemson bang Carolina. Ơng trình bày tại nhiều cuộc hội thảo và các
bài giảng tại các cuộc gặp mặt các thầy giáo trong cả nước về việc sử dụng đồ chơi
trong giảng dạy vật lí. Ơng cũng tham gia trong các ủy ban địa phương và quốc gia
của Hội những thầy giáo vật lí ở Mĩ. Ơng cơng bố nhiều bài báo về vật lí và đồ chơi

trong “Tạp chí Mĩ về vật lí và các thầy giáo vật lí”.

Những ngun lí cơ bản của vật lí có thể thường được chứng minh qua những
đồ chơi bình thường. Bằng cách hiểu rõ nguyên lí hoạt động của các đồ chơi, các
bạn có thể hiểu rõ hơn thế giới xung quanh các bạn. Đồ chơi thường được sử dụng
để minh họa nhiều nguyên lí vật lí cơ học : một tên lửa nước có thể được dùng để
chứng minh sự bảo tồn động lượng, trong lúc đó một xe đua hay một xe xích bánh
nóng có thể được giải thích khi dùng định luật bảo toàn năng lượng.(1) Tuy nhiên
tiểu luận này chỉ giới hạn trong việc thảo luận một số đồ choi dính dáng đến từ học
và ánh sáng.

</div>
<span class='text_page_counter'>(66)</span><div class='page_container' data-page=66>

thay đổi như vậy. Kết quả là dây tóc của đèn dao động tới lui nên ánh sáng trở nên
bập bùng.

Câu hỏi 1: Bạn thấy chuyển động của dây tóc thay đổi như htế nào khi từ
trường được làm cho nhỏ hơn.

Thơng thường thì nam châm được đặt trong bóng đèn nhưng chiếc đèn đặc
biệt trong hình thì nam châm được gắn trên một cái vịng ở bên ngồi bóng đèn. Khi
bạn đưa nam châm càng xa đèn thì từ trường trên dây tóc đèn càng nhỏ và do đó
lực tác dụng lên dây tóc cũng càng nhỏ. Kết quả là đèn dao động với một biên độ
càng nhỏ.

Bạn sẽ thấy đèn như thế nào khi bạn dùng điện một chiều ? Trong trường hợp
này lực tác dụng chỉ có một chiều duy nhất nên dây tóc bóng đèn chỉ bị đẩy lệch về
một bên mà khơng cịn dao động như trước nữa.

Hình 2 giới thiệu một nhóm đồ chơi khác thường
được bày bán ở các cửa hàng tặng phẩm. Đó là con
cá heo lăn, vịng trịn khơng gian, con quay kì dị (2).

Tất cả đều là những đồ chơi động lực với một nét
chung : tất cả đều được giữ ln ln chuyển động.
Cá heo thì lăn, vịng trịn thì đu đưa cịn con quay thì
quay tít. Vậy chúng hoạt động như thế nào ? Tại sao
chúng giữ được luôn luôn chuyển động ? Chúng hoạt
động trên cùng một nguyên lí và chúng ta có thể tìm ra
manh mối kĩ xảo này bằng cách mở đáy của một trong
các đồ chơi trên để nhìn vào trong. Cá heo lăn với đáy
bị mở ra cho thấy trong hình 3. Chúng ta thấy có một
cuộn dây điện (thực ra là có hai cuộn đồng tâm với
nhau), một đèn bán dẫn và một bộ pin. Thêm vào đó trên mỗi con cá heo có một
nam châm nhỏ. Bộ pin cung cấp năng lượng cho cá heo lăn, tuy nhiên bạn cần phải
biết định luật cảm ứng Faraday và định luật Lenz mới hiểu được hoạt động của các
đồ chơi đó. Khi nam châm của cá heo đi qua gần cuộn dây, nam châm sẽ gây ra một
hiệu điện thế cảm ứng trong cuộn dây như định luật Faraday đã tiên đoán. Hiệu điện
thế cảm ứng này đã đưa vào mạch đèn bán dẫn làm khởi động mạch thứ hai gồm có
cuộn dây thứ hai và bộ pin. Cuộn thứ hai được cuốn ngược chiều với cuộn thứ nhất.
Theo định luật Lenz, hiệu điện thế cảm ứng trong cuộn thứ hai chống lại chuyển
động của cá heo. Ngược lại dòng điện trong cuộn thứ hai thì lại làm tăng chuyển
động. Cá heo bị kéo nhẹ khi nó tiến lại gần cuộn dây hay bị đẩy nhẹ khi nó tiến ra xa
và điều này khơng phụ thuộc gì vào việc tiến lại gần từ bên phải hay từ bên trái. Hai
đồ chơi còn lại cho thấy trên hình khơng khác xa đồ chơi cá heo lăn, nhưng chúng lại
hoạt động hoàn toàn theo cùng một nguyên tắc. Mỗi đồ chơi đều có một nam châm
chuyển động theo tiên đoán của định luật Faraday, sẽ gây một hiệu điện thế cảm
ứng trong một cuôn dây. Hiệu điện thế này khởi động mạch điện thứ hai. Dòng điện
trong mạch thứ hai sẽ làm tăng tốc độ của nam châm chuyển động.

</div>
<span class='text_page_counter'>(67)</span><div class='page_container' data-page=67>

thường ? Khảo sát kính tiềm vọng cho thấy nó gồm hai gương nghiêng một góc 450
so với phương thẳng đứng. Ánh sáng từ một vật sẽ bị phản xạ đi xuống dưới từ
gương trên và đi ra ngoài từ gương dưới. Một ảnh thẳng đứng sẽ được quan sát

bình thường như được vẽ trong hình 5a. Tuy nhiên khi gương trên quay ngược lại
thì các tia sáng phản xạ tạo nên một ảnh lộn ngược như cho thấy trong hình 5b.
Bằng cách vẽ các tia sáng bạn có thể dễ dàng thấy tại sao ảnh lại thẳng đứng trong
một kính tiềm vọng thông thường nhưng bị lộn ngược khi một gương được quay một
góc 1800_.

Câu hỏi 2. Bạn sẽ quan sát thấy như thế nào khi người ta quay gương trên của
kính tiềm vọng một góc 900_{để nhìn sang một bên ?}

Điều này khơng phải dễ giải thích khi các tia ánh sáng được vẽ trong không
gian ba chiều. Kết quả là cho thấy ảnh bị quay về một bên.

Bức xạ kế cho trên hình 6 được bày bán trong những cửa hàng bán các sản
phẩm mới có trong nhiều năm nay nhưng hoạt động của nó có lẽ là một điều bí ẩn
đối với nhiều người (3). Nó gồm một chong chóng có bốn tấm cánh, một mặt bôi
đen, mặt kia để trắng. Các cánh này có thể quay tự do xung quanh một trục thẳng
đứng đặt bên trong một vỏ bảo vệ bằng thuỷ tinh. Khi người ta đặt bức xạ kế trước
một chùm ánh sáng mặt trời hay gầm một bóng đèn sáng vừa phải thì các chong
chóng bắt đầu quay khá nhanh.

Câu hỏi 3. Làm thế nào ánh sáng lại gây nên sự chuyển động của chong chóng
?

Nguyên nhân có thể của sự quay là do áp suất bức xạ của ánh sáng. Giả sử
rằng ánh sáng đến đập vng góc với các mặt của cánh chong chóng như phác họa
trong hình 7. Ánh sáng đập trên mặt bơi đen của cánh bị hấp thụ nên truyền cho
cánh động lượng toàn phần của mình ; ánh sáng đập trên mặt để trắng của cánh bị
phản xạ làm quay ngược động lượng của ánh sáng và truyền cho chong chóng một
động lượng gấp đôi. Như vậy lực đẩy trên mặt trắng lớn gấp đôi lực đẩy trên mặt bôi
đen, kết quả là cánh sẽ quay theo chiều mặt đen dẫn trước, mặt trắng theo sau. Tuy

nhiên khi quan sát các cánh quay chúng ta lại thấy ngược lại nghĩa là mặt trắng lúc
nào cũng dẫn trước, mặt đen theo sau. Vấn đề là ở chỗ vỏ thủy tinh không được hút
chân không tốt nên khơng khí trong đó giữ một vai trị quan trọng trong sự chuyển
động của cánh. Khi mặt đen của chong chóng hấp thu năng lượng thì mặt trắng lại
phản xạ, kết quả là mặt đen của cánh chong chóng trở nên nóng hơn mặt trắng. Sự
chênh lệch nhiệt độ làm cho chong chóng chuyển động vừa do đối lưu của khơng khí
trong vỏ bọc vừa do sự truyền động lượng. Các phân tử khơng khí tiếp xúc với một
cánh rời khỏi cánh đó với năng lượng tùy thuộc vào nhiệt độ của phần tiếp xúc. Các
phân tử rời khỏi mặt đen nóng hơn của cánh có động năng trung bình lớn hơn và do
đó động lượng lớn hơn so với mặt trắng lạnh hơn. Động lượng giật lùi ở cánh ở mặt
đen nóng hơn sẽ lớn hơn mặt trắng lạnh hơn. Kết quả là động lượng tổng hợp làm
cho chong chóng quay theo chiều mặt trắng lúc nào cũng dẫn trước. Cánh quay ở
đây cũng là do sự truyền một động lượng nhưng không phải là do động lượng của
ánh sáng gây ra.

</div>
<span class='text_page_counter'>(68)</span><div class='page_container' data-page=68>

nhận chùm tia và chỉ báo nếu người mang nó đã bị “bắt”. Nhưng tính chất của bức
xạ điện từ ấy là gì ? Có khá nhiều câu hỏi mà bạn có thể hỏi về bức xạ và sau đó có
thể trả lời bằng thực nghiệm. Chùm tia truyền theo đường thẳng hay sẽ uốn cong
quanh các góc ?

Nếu bạn thử nghiệm bạn sẽ tìm thấy chùm tia truyền theo đường thẳng mà
khơng uốn cong quanh các góc như là sóng âm. Tuy nhiên nó có thể phản xạ quanh
một góc khi dùng một gương hoặc một tấm kim loại dùng như một mặt phản chiếu.
Trong chương 39 các định luật về phản xạ và khúc xạ của ánh sáng được trình bày.
Tất nhiên bạn có thể nghĩ ra nhiều câu hỏi hơn nữa và có thể nghiên cứu bằng thực
nghiệm. Bạn có thể có khả năng phỏng đốn câu trả lời cho một số những câu hỏi
trên khi biết khẩu súng trong hình được gọi là súng hồng ngoại.

Chỉ có một số ít trong rất nhiều đồ chơi là có thể minh họa cho những ngun lí
cơ bản của vật lí. Chỉ có trí tưởng tượng và tài khéo léo của bạn mới hạn chế bạn

trong việc áp dụng những định luật cơ bản của vật lí vào những vật bình thường dù
là đồ chơi. Khoa học cũng có thể là một thú vui.

Tài liệu tham khảo

1. Stanley J. Briggs “Vật lí các bánh xe nóng” The Physic Teacher, 5 – 1970
2. H. Richard Crame “Các vật hoạt động ra sao”, The Physic Teacher 2 – 1984
3. Franks. Crawford “Bức xạ kế Crooke chạy giật lùi”, American Journal of Physic, 11
– 1989.

<b>Thơng tin bằng sóng sáng dùng sợi quang học</b>

Suzanne R.Nagel là íamđốc của phịng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển sản
xuất của ATET – Bell Laboratories ở Princeton. Bà đỗ tiến sĩ về kĩ thuật gốm tại
trường Đại học Rutger. Bà là tác giả của 30 bài báo kĩ thuật và khoa học thủy tinh và
công nghệ dẫn sáng. Những nghiên cứu của bà bao gồm việc xử lí và tối ưu hóa các
tính chất của sợi quang trong thơng tin, có liên quan chặt chẽ đến việc sản suất
chúng.Bà tích cực tham gia vào việc tuyên truyền khoa học kĩ thuật cho phụ nữ và
những người nhỏ tuối. Bà hiện nay là người đàn bà đầu tiên được bổ nhiệm ở Bell
Labo.

Một cơng nghệ mới có tính cách mạng – thơng tin bằng sóng sáng – đang cải
tạo mạng lưới thơng tin tồn thế giới. Một lượng thơng tin khổng lồ - tín hiệu lên
tiếng, tín hiệu hình, và số liệu – có thể truyền đi nhanh chóng và hiệu quả từ địa
phương này đến địa phương khác bằng cách dùng một mạng sợi quang học phát
triển chưa từng thấy. Những bó sợi thủy tinh mảnh như tóc mang lượng thơng tin
đến những nơi rất xa dưới dạng của những xung ánh sáng. Tại sao thơng tin bằng
ánh sáng lại có ý nghĩa như thế về việc “dẫn sáng” của sợi quang học diễn ra như
thế nào ? Hãy thử tìm câu trả lời ngắn gọn cho những câu hỏi trên.

</div>
<span class='text_page_counter'>(69)</span><div class='page_container' data-page=69>

Tại sao thông tin bằng ánh sáng lại có thể truyền thơng tin bằng số nhiều như
vậy so với hệ thống thông tin thông thường ? Sỡ dĩ như vậy là vì tốc độ thơng tin có
thể truyền đi phụ thuộc trực tiếp vào tần số của tín hiệu. Ánh sáng có tần số trong
khoảng từ 1014_{– 10}15_{Hz so với tần số sóng vơ tuyến là vào khoảng 10}6_{Hz còn tần}
số vi ba là 108_{– 10}10_{Hz. Vì lẽ đó một hệ thống truyền tin thực hiện với tần số ánh}
sáng vế lí thuyết có thể truyền một lượng thơng tin thực hiện với tần số vô tuyến hay
tần số vi ba. Tốc độ truyền tin bằng số được xác định bởi số bít được truyền đi trong
một giây.

Một hệ viễn thông bằng ánh sáng đơn giản cho trong hình 1. Thơng tin truyền đi
có thể là tín hiệu âm thanh của điện thọai, tín hiệu hình, hoặc số liệu số của một máy
tính.

Tín hiệu tiếng và hình được mã hóa thành một dãy số nhị nguyên gồm các số
không và một. Tồn bộ những tín hiệu ấy được trộn lẫn với nhau thành một dịng
đơn có tốc độ truyền rất cao trong một đơn vị đa thành phần. Chúng ta chỉ xét sự
trộn tín hiệu tiếng để truyền tin. Mỗi tín hiệu tiếng đòi hỏi 6,4.104_{bit/s. Nếu như tốc}
độ truyền số liệu của hệ là 1 Gbit/sec (1.109 bit/s) thì số kênh tiếng có thể trộn lẫn
nhau là vào khoảng 15000 (1.109_{chia cho 6,4.10}4_{). Điều đó thực sự diễn ra như thế}
nào ? Trong máy phát sóng sáng mỗi “số một” tương ứng với một xung điện còn mỗi
“số khơng” tương ứng với khi khơng có xung điện. Các xung điện này được dùng để
bật hay tắt nguồn sáng rất nhanh, giống như bật hay tắt công tắc đèn. Nguồn sáng
có thể là một laser hay một điốt phát quang (LED). Như vậy trong máy phát của hệ
thống liên lạc bằng sóng ánh sáng, thơng tin được trộn với nhau thành một chuỗi
xung điện có tốc độ truyền số liệu rất cao dùng để bật hay tắt nguồn sáng rất nhanh.
Tồn bộ thơng tin được mã hóa theo hệ nhị nguyên như vậy sẽ được chuyển thành
một loạt các lóe sáng theo thời gian để truyền tin.

</div>
<span class='text_page_counter'>(70)</span><div class='page_container' data-page=70>

cũng có một bộ phận “giải đa thành phần” để tạo ra các tín hiệu và tái tạo lại thành
tiếng, hình hay số liệu máy tính.

Mặc dù đây chỉ là một sự mô tả rất sơ sài để hiểu một hệ thống liên lạc bằng
sóng sáng hoạt động như thế nào, nhưng cũng cho thấy những ý tưởng cơ bản :
thông tin được chuyển thành xung ánh sáng, xung này được truyền đến một khoảng
cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó được truyền trở lại thành thơng tin.

Bây giờ chúng ta có thể khảo sát hơi chi tiết một tí về sợi quang được dùng
như thế nào dể truyền thông tin dưới dạng những xung ánh sáng. Tính chất quan
trọng đầu tiên của sợi quang là khả năng dẫn ánh sáng từ nơi này đến nơi khác.
Nguyên lí cơ bản mà sợi quang đã dùng là sự phản xạ toàn phần, cấu tạo của dẫn
sáng minh họa trong hình 2.

Sợi quang gồm một lõi làm bằng vật liệu có chiết xuất lớn hơn vật liệu bọc lõi,
được gọi là “vỏ bọc”. Nhớ rằng chiết xuất là tỉ số
của vận tốc ánh sáng trong chân không chia cho
vận tốc ánh sáng trong vật liệu. Sợi quang làm
bằng thủy tinh thường được bọc bằng một lớp
chất dẻo bên ngoài để bảo vệ cho thủy tinh khỏi

bị xuớc cơ học và các ảnh hưởng khác của môi

trường. Một nguồn sáng như một laser hay một
điốt phát quang LED được đặt gần lõi của sợi
quang. Nguồn sáng bức xạ là một “hình nón”
ánh sáng dược kiên kết trong lõi của sợi quang.
Để cho ánh sáng được dẫn đi trong sợi, nó phải
thỏa mãn điều kiện phản xạ tồn phần. Như cho
thấy trong hình vẽ, đối với một số góc ánh sáng
được dẫn thành những đường chữ chi, trong lúc
đối với một vài góc khác thì khơng. Loại sợi

quang đơn giản này được dùng nhiều để dẫn
ánh sáng đến những khoảng cách ngắn (mét),
trong lúc đó để dẫn ánh sáng đến những
khoảng cách xa hơn dùng trong hệ viễn thơng thì dòi hỏi sợi quang phải được cấu
tạo đặc biệt hơn. Loại sợi quang đơn giản vẽ ở đầu của hình 3 được gọi là sợi
quang “đa một”, nhiều góc của ánh sáng được dẫn theo sợi quang và được nói làcó
chiết xuất nhảy bậc vì rằng nó có một lõi chiết xuất không đổi được bọc xung quanh
một vỏ bọc có chiết xuất nhỏ hơn.

Mặt cắt chiết xuất vẽ giá trị tương đối của chiết xuất như một hàm của vị trí
trong tiết diện của sợi quang. Mặt xung ánh sáng từ nguồn sáng sẽ được tạo đôi
trong sợi quang. Nhiều chùm hoặc góc của ánh sáng di chuyển với cùng vận tốc
được dẫn trong lõi. Chùm di chuyển dọc theo trục lõi đi một quãng đường ngắn hơn
là những chùm đi theo đường chữ chi kết quả là xung “hẹp” ban đầu được tạo đơi
trong sợi quang. Chính hiệu ứng này làm hạn chế việc khoảng giữa các xung vào để
cịn có thể thu được mà khơng bị chồng lên nhau ở phía đầu ra.

</div>
<span class='text_page_counter'>(71)</span><div class='page_container' data-page=71>

thành các đường tuần hoàn khi đi qua sợi quang. Một chùm sáng đi theo đường có
dạng tuần hồn mất phần lớn thời gian trong phần sợi quang có chiết xuất nhỏ hơn
do đó nó đi qua với vận tốc lớn hơn ! Như vậy khoảng cách chùm phải đi càng lớn
thì về trung bình có thể làm cho nó đi càng nhanh. Một loại sợi quang khác (vẽ cuối
của hình P.3003) khử hồn tồn sự mở rộng của xung do những góc khác nhau của
ánh sáng được dẫn trong sợi quang. Loại này được gọi là sợi đơn một vì nó chỉ dẫn
chùm sáng đi dọc trục của lõi. Điều này có thể thực hiện bằng cách dùng sự khác
nhau rất ít giữa chiết xuất của lõi và vỏ bọc, cũng như lõi phải làm rất nhỏ. Loại sợi
quang này có thể tải số liệu với tốc độ bít cao nhất.

Làm giảm tối đa sự mở rộng xung ánh sáng khi đi qua sợi quang giữ một vai trò
quan trọng để xác định tốc độ tối đa truyền thơng tin cũng như khả năng truyền xa.

Một tính chất quan trọng thứ hai của sợi quang đó là độ suy giảm quang học
của nó vì điều này quyết định tín hiệu truyền xa được bao nhiêu mà có cịn đủ mạnh
để phát hiện được khơng. Khi ánh sáng truyền qua một vật liệu, vật liệu đó thường
khơng trong suốt nên cường độ tín hiệu giảm dần theo khoảng cách. Ánh sáng đi
qua sợi quang bị suy giảm do bị hấp thụ và bị tán xạ. Rất đơn giản là do hấp thụ mà
một phần cường độ ánh sáng lại truyền cho chính bản thân vật liệu mà đáng lẽ nó
phải được truyền đi. Ngược lại do tán xạ mà ánh sáng khuếch tán hoặc bị lệch theo
nhiều phương khác nhau. Vì lẻ đó mà lượng ánh sáng bị tán xạ đi ra khỏi lỏi mà
đáng lẻ nó phải được truyền đi, dẫn đến sự giảm cường độ tín hiệu sáng. Trong sợi
quang học thủy tinh được làm bằng thủy tinh silic điơxic có độ tinh khiết rất cao đô
tán xạ bé, lượng ánh sáng khuếch tán và hấp thụ cực kì nhỏ ở vùng bước sóng hồng
ngoại gần. Các bước sóng này chỉ nhích hơn chút ít bước sóng của vùng phổ khã
kiến. Nhớ rằng ánh sáng khã kiến nằm trong vùng có bước sóng từ 380nm (tím )đến
700nm(đỏ). Bước sóng truyền tin thông dụng nhất là 1300nm(khoảng 2x104_Hz).
Trong sợi quang bằng thủy tinh silic điôxic, hơn 95% ánh sáng truyền đi xa được
1Km. Sự trong suốt rất cao ấy cho phép ánh sáng truyền đi xa được đến 20-200 km
mà vẫn cịn đủ mạnh để cho tín hiệu có thể phát hiện bằng đầu dị quang học trong
máy thu.

</div>
<span class='text_page_counter'>(72)</span><div class='page_container' data-page=72>

2,5Gbit/s (2,5.109_{) tương ứng với khoảng 35000 tiếng được chuyển tải qua sợi}
quang có kích thước xấp xĩ bằng sợi tóc người. Như có thể thấy ấn tượng thật khá
sâu sắc, tuy nhiên vẩn còn xa vài bật so với khả năng được tính lý thuyết. Trong
tương lai các hệ thơng tin sóng quang dựa trên sợi quang sẽ được tăng cường để
chuyển tải tiếng, hình và số liệu máy tính đi các nước và toàn thế giới.

Các tài liệu tham khảo để đọc thêm.

- “Viễn thông sợi quang” Academic Press 1970
- “Sợi quang trong thông tin” wiley ,1979 trang 410
- “Lý thuyết dẫn sóng quang học” Chapman và Hall1983 ,trang 734

- “Sợi quang học thông tin”, Quyễn 1 Academic P 1985 , trang 363
- D.J Morris “Mã xung dùng cho thông tin số liệu quang sợi”, Marcel Dekker , 1983

trang 217

- “Xử lý tín hiệu quang” A .Vanderlugr (ed) Wiley 1992
- “Viễn thông quang sợi”,Academic Press 1988

<b>Phép chụp ảnh toàn ký</b>

Tung .H Joeng tốt nghiệp Đại học Yale năm 1957 và tiến sĩ về vật lý hạt nhân
năm 1963 tại trường đại học Minnesota. Hiện nay ông là giáo sư Vật lý và giám đốc
trung tâm nghiên cứu Quang tử tại trường cao đẳng Lake Forest. Ngoài việc điều
hành nghiên cứu và các lớp học hè hàng năm về chụp ảnh nỗi, ông còn là cố vấn và
giãng bài về chụp ảnh nổi, cho hàng trăm trường đại học trên toàn thế giới. Ông là
hội viên của hội quang hoc Mỹ và là người được nhận huy chương Robert A Millikan
của liên hiệp các thầy giáo Vật lí ở Mỹ. Sở thích của ông là trượt tuyết, quần vợt tàu
lượn, chơi violông cho giàn nhạc giao hưởng bán chuyên nghiệp ở địa phương.

Nguyên lí của chụp ảnh tồn cảnh dựa trên ba khái niệm được giải Nôbel độc
lập dối với nhau, trao tặng cho Lawrence Bragg (1915) và Dennic Gabor (1971)

Mặc dù Gabor đã phát hiện trước năm 1949, sự phát triển của chụp ảnh tồn
cảnh chỉ mới có điều kiện thực hiện sau khi laser được phát minh năm 1960. Năm
1962 E .N. Leith và J. Upatnieks ở Mỹ và Yu . N Denisyuk ở Nga độc lập với nhau đã
có những đóng góp đầu tiên và biểu diễn các ảnh toàn cảnh như chúng hiện nay.

Chụp ảnh toàn cảnh là gì và nó “làm việc ra sao” ?

</div>
<span class='text_page_counter'>(73)</span><div class='page_container' data-page=73>

Để thực hiện một ảnh toàn cảnh, một phần ánh sáng ra khỏi laser được một

thấu kính hay một gương cong mở rộng
chùm tia rồi hướng lên trên kính ảnh. Đó
là chùm tựa R (quy chiếu). Phần cịn lại
của ánh sáng được dọi lên một vật ba
chiều mà ảnh của nó sẽ được ghi lại. Ánh
sáng tán xạ từ vật ấy về hướng kính ảnh
được gọi là chùm vật (0). Do ánh sáng
của hai chùm đều xuất phát từ cùng một
laser nên chúng kết hợp với nhau tạo nên

ảnh giao thoa rõ nét.

Sau đó, khi được dọi bằng chùm tựa R,
ảnh toàn cảnh tác dụng như một cách tử
nhiễu xạ phức tạp. Ảnh nhiễu xạ phục hồi
lại một cách chính xác mặt đầu sóng bắt
nguồn từ vật ban đầu. Để hiểu rõ hơn
quá trình ấy, đầu tiên hãy sét trường hợp
dùng một vật đơn giản nhất, đó là một
điểm trong khơng gian. Hình 1a cho thấy
hai chùm tia từ xa đến kính ảnh và giao
thoa với nhau dưới góc 900_{. Ảnh giao}
thoa giống hệt như ảnh giao thoa qua hai
khe Young nhưng với khoảng cách giữa
hai khe khá rộng. Kết quả có được là một
tập hợp các vân rất mịn với khoảng cách
không đổi giữa hai cực đại kế tiếp. Kính
ảnh, sau khi phơi sáng và hiện hình, trở
thành một cách tử nhiễu xạ có độ tán sắc
rất cao.

Câu hỏi 1

Tìm khoảng cách giữa các cực đại
kế tiếp theo bước sóng của ánh sáng.
Biết rằng phim chụp ảnh thông thường có
thể ghi được 200 vạch trên 1mm, hỏi
phim ấy có thể để dùng để ghi tồn cảnh được khơng ?

Câu hỏi 2

Hãy tìm năng suất phân giải của cách tử nói trên, biết rằng cách ấy có kích
thước 10 X 10 cm2_.

Hình P.3401b cho thấy làm thế nào để hồi phục mặt sóng của chùm vật O. Ánh
sáng laser từ chùm tựa R dọi lên ảnh toàn cảnh. Toàn bộ ánh sáng nhiễu xạ tạo
thành một ảnh ảo của vật O . Nếu nhìn qua ảnh tồn cảnh theo hướng tới O chúng
ta sẽ thấy một chấm sáng trong không gian ba chiều.

</div>
<span class='text_page_counter'>(74)</span><div class='page_container' data-page=74>

Nếu chúng ta thay đổi điểm O bằng một vật ba chiều được dọi bằng ánh sáng
laser, chùm vật O bây giờ gồm một tập hợp nhiều nguồn điểm, đại diện cho những
tâm tán xạ của vật. Ảnh ghi bây giờ trên kính ảnh là một sự chồng chất nhiều cách
tử. Khi người ta dọi ảnh ghi được bằng chùm R (hay R’ ) nguời ta có thể quan sát
được ảnh ảo hay ảnh thật của vật.

Ảnh ghi trên được gọi là ảnh toàn cảnh khi dùng tia laser truyền qua. Ảnh này
một tính chất đáng chú ý là một phần nhỏ bất kì của nó cũng có thể hồi phục được
tồn bộ bức tranh của vật. Tuy nhiên ảnh tồn cảnh càng lớn thì độ phân giải của
ảnh càng cao, nghĩa là càng chứa đựng nhiều thơng tin.

Hình P.3402 biểu diễn ảnh giao thoa tổng quát giữa chùm tựa R và chùm vật O
trên một mặt chứa các nguồn. Các đường biểu diễn vĩ trí của những cực đại giao
thoa, ở giữa các đường này là những cực tiểu : Một hình ảnh tương tự khi dùng
những sóng nước tạo nên trong một thùng nước gợn sóng. Đường trung trực của
đọan R O là đường giao thoa bậc khơng, đó là quỹ tích những điểm có một lộ trình
như nhau từ R và O.

Trong một không gian ba chiều, ảnh nhiễu xạ là một hình trịn xoay trục là RO.
Đó là một họ các mặt hypecboloit trịn xoay có tiêu điểm là R và O.

Tại vùng A cách R và O đủ xa, ảnh hồn tồn giống như ảnh có được trong
giao thoa hai khe young như đã xét trước đây. Vùng B gồm những sóng chuyển
động ngược chiều nhau tạo thành sóng đứng. Những bụng (antinode) dọc theo
đường thẳng nối R và O cách nhau một khoảng bằng một nữa bước sóng. Vùng C
biểu diễn những vân đạc thù của vân trong giao thoa kế Michelson.

Nói chung khoảng cách R O là vài nghìn bước sóng của ánh sáng cịn các ảnh
nhiễu xạ thì hết sức nhỏ. Để đơn giản hình P.3402 là trường hợp đặc biệt trong đó R
và O chỉ cách nhau một số nhỏ bước sóng.

Câu hỏi 3

Để ghi lại ảnh giao thoa ở vùng B khi dùng ánh sáng từ laser He – Ne có bước
sóng 633nm, hỏi độ phân giải nhỏ nhầt cần thiết cho nhũ tương kính ảnh tính theo
vạch/mm ?

</div>
<span class='text_page_counter'>(75)</span><div class='page_container' data-page=75>

Ảnh tòan cảnh “phản xạ ánh sáng trắng” dáng chú ý này có thể nhìn thấy khi
dùng một nguồn điểm ánh sáng như đèn dây tóc “đốt nóng” từ R. Ảnh thật hay ảnh
ảo được tạo nên có màu sắc của ánh sáng laser được dùng. Bằng cách này làm cho
nhũ tương phình ra hay co lại, người ta có thể thu được các màu khác. Loại ảnh

toàn cảnh này được dùng phổ biến trong kính lọc giao thoa.

Câu hỏi 4

Dùng một lớp nhũ tưong đủ dày để ghi lại một ảnh tồn cảnh truyền qua, bạn
có thể hồi phục lại ảnh bằng ánh sáng của đèn đốt nóng được khơng ?

Chụp ảnh tồn cảnh

Hình 3 cho thấy một hệ đơn giản nhất để chụp ảnh toàn cảnh phản xạ ánh
sáng trắng. Chùm ánh sáng từ lối ra của một laser He – Ne công suất 1 – 5 mW
được mở rộng bằng một gương lõm. Một số tia đi thẳng đến kính ảnh làm nhiệm vụ
chùm tựa, trong đó R là tiêu điểm của gương. Ánh sáng đi xuyên qua kính ảnh dọi
sáng vật và bị tán xạ ngược lại về phía kính ảnh làm nhiệm vụ chùm vật.

Kính ảnh và vật được đặt trên mặt của một ống cao su bơm căng (như một
chiếc săm ôtô chẳng hạn), để hấp thụ những dao động cơ học từ phía dưới. Tồn bộ
các chi tiết được giữ chặt bằng nam châm hay bằng keo dán. Điều đó là cần thiết vì
trong thời gian chụp có thể lâu đến nhiều giây, một chuyển động tương đối giữa vật
và kính ảnh sẽ làm nhịe ảnh giao thoa và đưa đến thất bại …

Chú ý rằng ảnh toàn cảnh này được ghi trong vùng B của hình 2 ; ảnh giao
thoa gồm những mặt suốt bề dày của nhũ tương. Sự nhiễu xạ Bragg cho phép hồi
phục lại ảnh khi dùng một nguồn điểm ánh sáng trắng. Như đã nói ở trên, màu của
ảnh được xác định bởi sự co lại hay giãn ra củ nhũ tương khi kết thúc. Có lẽ vì đó
khi chỉ dùng một laser He – Ne,người ta có thể tạo màu cho ảnh bằng những kĩ thuật
hóa học. Các nghệ sĩ tạo nên ảnh nhiều màu bằng cách chụp nhiều lần, giữa cá`c
lần chụp phải cho nhũ tương phình ra một cách hợp lí.

Lí thuyết cơ bản để giải thích các ảnh màu ghi trên nhũ tương khơng có màu có

thể hiểu được khi xem lại những vấn đề liên quan đến hiện tượng giao thoa trên các
bong bóng xà phịng hay trên những bản mỏng khác.

Ảnh tịan cảnh có nhiều màu thật có thể thu được bằng cách tổ hợp ánh sáng
từ các laser có ba màu cơ bản : đỏ, của He – Ne, xanh lá cây của argon, xanh da
trời của krypton. Chùm ánh sáng “trắng” ấy được thay cho chùm đỏ tía trong hình 3.

Hình 4 cho thấy chúng ta dùng một phân tử quang học ảnh toàn cảnh (HOE
holographic optical element) như thế nào để tổ hợp ánh sáng từ ba laser. Phân tử
này được chế tạo bằng cách sử dụng cấu hình của hình 1a.

Nói chung những cấu hình phức tạp hơn nhiều là cần thiết nhằm dọi sáng một
quang cảnh khá rộng cho nghệ thuật hơn hay hiệu quả hơn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(76)</span><div class='page_container' data-page=76>

( ảnh Leith ). Khi chúng đến kính ảnh từ hai phía khác nhau, như cho thấy trên hình
3, chúng ta có được ảnh tồn cảnh phản xạ (ảnh Denisyuk ) dùng một laser hồng
ngoại hay một laser YAG có một tần số gấp đơi, với một năng lượng 1 jun trong thời
gian nhỏ hơn 1 s,người ta có thể chụp ảnh tồn cảnh của người đang hoạt động
hoặc những vật đang chuyển động. Hình 5 cho thấy một cảnh với độ sâu trên 5 mét
được ghi lại bằng một laser hồng học. Nó cho thấy tịan cảnh phịng thí nghiệm cùng
với tác giả. Một người nào đó nhìn vào ảnh tịan cảnh truyền qua này có cảm giác
như có một cửa sổ cho phép nhìn tồn cảnh với góc khối là 2 stêradian.

Hiện nay những ảnh tòan cảnh thường thấy nhất, như những ảnh màu rực rỡ
in trên bìa của những tạp chí chụp những sinh vật đang chuyển động, là những phát
triển lai tạo nhằm hi sinh hiện tượng thị sai dọc.

Sự phát triển mới nhất trong chụp ảnh toàn cảnh cho phép ghi cả trăm người
đang họat động trên ảnh màu. Tuy nhiên sự ghi ba chiều chỉ là một phần của nhiều
áp dụng hấp dẫn của chụp ảnh toàn cảnh.

Những ứng dụng trong khoa học và trong kĩ thuật

HOE. Các phân tử quang học ảnh tồn cảnh có thể được tạo ra bằng quang
học hay như máy tính, lĩnh vực này của quang học nhiễu xạ được dùng như một đầu
phát hiện (HUD) trong máy bay , trong các thấu kính tiếp xúc hai trịng, trong các
máy qt và trong các quang phổ kế có năng xuất phân giải cao. Như một tổ hợp
kính lọc khơng gian nó là một bộ phận hồn chỉnh của bộ xử lí tín hiệu quang học.

Các thành phần của máy tính quang học

Các ảnh toàn cảnh được ghi trên những tinh thể khúc xạ quang có thể xóa
được, đại diện cho một hệ lưu trữ và hồi phục các số liệu trong các máy tính. Sự
truyền thơng tin từ chíp này sang chíp khác được hồn thành rất tốt nhờ các HOE
kết hợp với các quang sợi tích phân. Dùng kĩ thuật “trộn bốn sóng” thơng qua “sự kết
hợp pha” một ảnh toàn cảnh thực hiện trên một tinh thể sẽ gửi ngược lại về phía vật
nhiều ánh sáng hơn là nó nhận, như vậy tạo nên một “gương nghịch đảo thời gian”
có khếch đại.

Các phép đo y sinh và kĩ thuật

Phép đo giao thoa ảnh toàn cảnh so sánh hai trạng thái của một vật và cho thấy
những thay đổi với độ chính xác rất cao. Bằng cách cho ánh sáng từ một ảnh toàn
cảnh giao thoa với một ánh sáng từ một mẫu, những thay đổi “thời gian thực” có thể
quan sát trực tiếp. Hình 6 cho thấy một cơ quan phức tạp (một cái nấm) đang phát
triển với sự chuyển động của vật không biến dạng “được trừ đi” trên một bản ở phía
trái bằng cách di chuyển chùm vật đi qua một sợi quang.

Các phép đo chính xác với tốc độ nhanh

Trong 1 ps ánh sáng đi được 1/1000 bộ. Như vậy một xung ps từ một laser đi
qua một thấu kính phân kì truyền ra ngồi một dải ánh sáng khá định xứ.

</div>
<span class='text_page_counter'>(77)</span><div class='page_container' data-page=77>

tạo ra ảnh qua một môi trường trong mờ, như thịt con người để phát hiện ung thư vú
là điều có thể thực hiện được.

Do các ảnh tồn cảnh truyền qua có độ sâu của trường thực tế là khơng có giới
hạn nên các sự kiện thoảng qua trong một không gian rộng lớn có thể được ghi lại
và sau đó đem ra nghiên cứu. Thí dụ những vết của các hạt có thời gian sống
khoảng vài picogiây được ghi lại trong buồng bọt tại Phịng thí nghiệm quốc gia
Enrico Fermi.

Ảnh tồn cảnh như một thú vui

Giống như chụp ảnh thường, chụp ảnh tồn cảnh có thể dễ dàng cho sinh viên
với mọi lứa tuổi và mọi khuynh hướng học được. Cùng với sự vui thích và bổ ích các
bạn tự nhiên sẽ bị quyến rũ để học tất cả những tư tưởng đã giành được giải Nobel.

<b>Ứng dụng của laser</b>

Elsa Garmire là giáo sư về kĩ thuật điện và vật lí. Hiện bà là giám đốc Trung
tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại học Tổng hợp Nam California, Garmire tốt
nghiệp khoa vật lí của Đại học Harvard năm 1961, bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện kĩ
thuật Massachussette năm 1965 về quang học phi tuyến dưới sự hướng dẫn của
nhà vật lí được giải thưởng Nobel C.H Townes. Bà là tác giả của hơn 160 bài báo và
hơn 9 bằng sáng chế phát minh, là nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực điện tử học
lượng tử và các dụng cụ quang học tuyến tính và phi tuyến trong suốt 25 năm qua.
Bà là thành viên của Viện hàn lâm kĩ thuật quốc gia, thành viên của Hội quang học
Mĩ và là chủ tịch của Hội này từ năm 1993.

Laser – Chiến tranh giữa các vì sao – Những chiếc máy ánh sáng thần kì là
những từ gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho các nhà khoa học cũng như
các kĩ sư. Mấy năm sau khi phát minh ra laser năm 1958, laser còn được gọi là “giải
pháp tìm kiếm bài tốn”. Bây giờ sau 35 năm, laser thực sự giải quyết được nhiều
bài toán. Trong tiểu luận này chúng tơi chỉ muốn trình bày một số ít trong hàng ngàn
ứng dụng của laser.

Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp (tiết 40-5). Ánh
sáng do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hồn tồn xác định. Tính
kết hợp ấy đạt được là do kết quả ở lối ra được chuẩn trực đơn sắc. Những ứng
dụng của laser liên quan mật thiết đến tính chất kết hợp này.Thí dụ ánh sáng có số
pha hồn tồn xác định có thể chuẩn trực qua kính viễn vọng để áp dụng chẳng hạn
trong việc quan sát và liểm tra hoặc có thể hội tụ lại trên một điểm khá nhỏ ở đó
cường độ đạt được rất cao. Hơn nữa khả năng đo pha của ánh sáng cùng với
cường độ có thể cung cấp thơng tin mới. Phần lớn những ứng dụng mô tả trong tiểu
luận này là sử dụng các đặc trưng này. Những ứng dụng có tính chất đặc thù phụ
thuộc vào những đặc tính của laser được sử dụng mà ta sẽ mộ tả sơ lược ngay dưới
đây.

</div>
<span class='text_page_counter'>(78)</span><div class='page_container' data-page=78>

Để phát ánh sáng kết hợp, một laser cần phải có một mơi trường khếch đại và
các gương để cung cấp năng lượng do phản xạ ngược lại (tiết 35-7). Bằng một mô
tả một trong số rất nhiều laser đã được dùng rộng rãi hiện nay. Các chất khí, chất
lỏng (các dung dịch thuốc nhuộm) ; tinh thể (YAG - grơnát ittri alumin), thủy tinh và
chất bán dẫn GaAs đều có thể dùng trong laser. Ngay cả các excimer (các phân tử
gồm khí hiếm và các halogen như ArF) và các khí ngồi vũ trụ cũng được chứng
minh là thể hiện tính chất laser. Vùng bước sóng của laser kéo dài từ vùng cực tím
xa ( <200 nm) đến vùng hồng ngoại xa (>200 mm). Các laser có thể hoạt động với
lối ra là một bước sóng liên tục hay là một xung nhờ các kỹ thuật chuyển mạch như
“chuyển mạch Q” (QS), “khố mod” (ML) hay “phóng điện bằng điện trường ngang
trong khí quyển” (TEA). Cơng suất bức xạ của các laser rẻ tiền (như He - Ne, GaAs)

là vài milioát mW, trong lúc đó cơng suất cực đại của các laser xung có th6ẻ đến
hàng gigat GW. Các đặc tính khác như tính hiệu quả và bền vững có thể cũng là
bền vững đối với một số ứng dụng cụ thể.

Để tạo khuyếch đại, có thể thực hiện kích thích bằng phóng điện (chất khí) tiêm
dịng (chất bán dẫn), đèn xung (chất rắn), các laser khác (laser màu) hoặc các phản
ứng hóa học. Các hình 1-4 cho thấy sơ đồ một số loại laser. Những đặc trưng của
các laser rất khác nhau: giá từ vài đô la đến vài triệu đơ la; cơng suất từ microốt
mW đến gigaốt GW; kích thước từ vài phần mười milimét đến hàng chục mét; độ
rộng vạch từ 10-1_{đến 10}-15_{; độ dài xung từ 10}-14_{giây đến liên tục.}

Chỉ một số ít laser mới có thị trường bn bán. Cho tới đây laser He-Ne còn là
loại laser ờ vùng khả kiến rẻ tiền duy nhất. Bây giờ nó được thay bằng loại laser bán
dẫn vùng khả kiến (hàng triệu cái đã được dùng trong các máy in laser). Sở dĩ như
thế là vì laser bán dẫn nhỏ và rẻ tiền, có hiệu suất cao có thể biến điệu được, hàng
triệu chiếc cũng đã được dùng trong các dàn CD và trong thông tin cáp quang.
Laservùng hồng ngoại xa của khí CO2 là loại laser có hiệu suất cao hiệu quả nhất, nó
được dùng để cắt và đốt nóng. Các laser Ar, excimer và Nd: YAG được dùng tong y
tế.

Cắt, phẫu thuật và xử lý vật liệu

</div>
<span class='text_page_counter'>(79)</span><div class='page_container' data-page=79>

Laser còn được dùng để tẩy các vết chàm cũng như các loại ung thư da. Như vậy rõ
ràng là laser đã cứu nhiều sinh mạng.

Các laser CO2 đã được điều tiêu có thể được dùng để cung cấp nhiệt cho nhiều
ứng dụng. Thí dụ như hàn quai vào nồi. Ở đây sự quan trọng của laser là ở chỗ
đồng của nồi dẫn nhiệt tốt, để phân bố nhiệt một cách nhanh chóng và thức ăn chín
đều trong đó thép khơng gỉ của quai lại có độ dẫn nhiệt kém. Cách hàn thơng thường
gặp khó khăn lớn khi hàn các kim loại có độ dẫn nhiệt khác nhau. Nhiệt độ cao của

laser cho phép hàn trong một thời gian rất ngắn nên độ dẫn nhiệt khác nhau khơng
cịn tác dụng.

Các laser phối hợp với máy tính cho phép tự động hóa sản xuất, chẳng hạn cắt
quần áo tự động. Kích thước quần áo được lập chương trình trong máy tính để điều
khiển một gương di động tập trung những tia laser lên những lớp vải cần cắt. Laser
có thể cung cấp nhiệt tại một điểm nhất định để xử lí các mặt như trong việc tôi một
số bộ phận của trục cam ô tô. Nếu như tồn bộ trục cam được nung nóng để tơi thì
khơng tránh khỏi làm trục sẽ hơi bị vênh làm mất chính xác. Ngược lại laser có thể
tập trung nhiệt đúng trên các mặt cam cần tôi của trục cam nên có thể giữ được độ
chính xác cao.

Chùm tia laser hội tụ khá chính xác tại một điểm nhỏ được dùng trong nhiều
công việc sản xuất các màng mỏng bán dẫn. Sự cắt xén bằng laser các điện trở, loại
bỏ những vật liệu thừa làm cho điện trở tăng. Một chíp các mạch tổ hợp cùng loại có
thể được nối tiếp điểm kim loại bằng một chùm laser Nd : YAG.

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LASER TIÊU BIỂU

MÔI
TRƯỜNG

KHẾCH ĐẠI

CÔNG
SUẤT

ĐỈNH DÀI ĐỘ XUNG

BƯỚC

SÓNG CÔNG DỤNG
Khí

Hene

Argon

CO2

CO2 TEA

1nW
10nW
210W
200W
5MW
liên tục
liên tục
liên tục
20ns
633nm
633nm
488nm
10,6 m
10,6 m

Máy quét mã vạch dùng trong siêu thị
Tiêu khiển, y học

Cắt và hàn

Xử lí nhiệt
Bán dẫn

GaAs
AIGaAs
GalnAsP
5mW
50mW
20mW

liên tục
biến điệu
biến điệu
840nm
760nm
1,3 m
Đĩa Laser
In Laser

Truyền tin sợi quang
Chất rắn

Hồng ngọc
Nđ : YAG
Nđ : YAG
Nđ : YAG
Nđ : thủy tinh

100mW
50W
50MW
2KW
100TW
10ns
liên tục
20ns
60ps
11ps
694nm
1,06 m
1,06 m
1,06 m

</div>
<span class='text_page_counter'>(80)</span><div class='page_container' data-page=80>

1,06 m
Chất màu

(thuốc nhuộm)
Chất màu
Chạy vòng
Rh6G

100mW
10
10kW

tiếp tục
10

10fs

Thay đổi được
600nm

Quang phổ

Nghiên cứu khoa học

Hoá học
Hf

50mW 50ns

3 m Vũ khí
Excimes

ArF
XeCL

10MW
50KW

20ns
10ns

193nm
375nm

Gia công vật liệu

Áp dụng trong y học

Các hùm laser mạnh có thể hạ ngay cả tên lửa đã được Mĩ dự định nghiên cứu
dưới tên gọi SDI (Sáng kiến phòng thủ chiến lược). Yêu cầu đặt ra của kế hoạch này
là chế tạo những laser đặt trong các vệ tinh và hướng chúng rất chính xác để hạ tên
lửa trước khi tên lửa bay đến đích. Ý tưởng này khá hấp dẫn vì ánh sáng chuyển
động nhanh hơn tên lửa, tyu nhiên những thách thức về kĩ thuật làm cho chương
trình này bị nhiềungười hồi nghi.

Photon học. Laser tác động mạnh đến công nghệ thông tin

Laser đã trở thành quan trọng trong thông tin liên lạc, lưu trữ, thu nhận và xử lí
thơng tin, đến nỗi có cả một tên mới cho loại cơng nghệ này – đó là phơtơn học (như
điện tử học trước kia - ND). Ánh sáng laser có thể để truyền thơng tin. Một ví dụ loại
này là máy quét (scaner) laser trong các siêu thị. Trong máy này mã số vạch trên
hàng hoá được được quét bằng một tia laser He-Ne. Ánh sáng phản xạ được thu
nhận bằng một tín hiệu ánh sáng biến điệu thay đổi với thời gian theo hình của mã
vạch. Máy thu biến đổi tín hiệu ánh sáng biến đổi tín hiệu ánh sáng thành một tín
hiệu điện. Việc đọc thông tin bằng ánh sáng là một áp dụng quan trọng của laser.
Thơng tin gốc có thể được in ra, giống như mã số vạch của máy quét laser trong
siêu thị, hoặc có thể khắc thành những lỗ nhỏ trên đĩa như đĩa laser.

Hệ thống điều khiển trong gia đình dùng các đĩa laser để cung cấp những tín
hiệu số cho tiếng hay hình. Thơng tin được lưu giữ trong các đĩa này bằng cách dùi
một loạt các lỗ nhỏ trên bề mặt phản xạ bằng một chùm laser mạnh và được biến
điệu. Đầu phát của một laser bán dẫn dọi ánh sáng lên đĩa, từ đấy ánh sáng phản xạ
lên đến một máy thu, trừ trường hợp có một lỗ trên lớp phản xạ. Khi đĩa quay, hình
ảnh các lỗ được chuyển động thành tín hiệu số chứa đựng thông tin âm thanh đã
được mã hóa.

</div>
<span class='text_page_counter'>(81)</span><div class='page_container' data-page=81>

Thơng tin cũng có thể đặt dấu ấn lên trên một chùm sáng bằng cách biến điệu
ngay chính laser. Trong máy in laser của hệ máy tính người ta dùng một laser bán
dẫn đã được biến điệu vế ngun lí về in xêrơ. Ánh sáng laser được hội tụ vả quét
trên một khoảng trống bằng xêlen, ở đó cá điện tích được tạo thành do được chiều
sáng. Các điện tích này có tác dụng giữ các hạt cacbon của mực in. Người ta lăn
giấy in trên trống này. Dười tác dụng của nhiệt mực in dính lên giấy tao nên một bản
in. Thách thức của ứng dụng này là phải tạo được một laser bán dẫn có cơng suất
đủ lớn trong vùng ánh sáng đỏ, là vùng mà xêlen bắt nhạy. Các laser loại này hiện
nay khá rẻ và có thể dùng làm những mũi dị để đọc thông tin.

Trong một hệ thông thông tin quang học, một laser đã biến điệu phát ra một
chùm ánh sáng mang thơng tin đến một máy thu có thể cách xa nhiều cây số. Trong
một hệ quang sợi, lối ra của một laser bán dẫn được biến điện bằng cách thay đổi
dịng điện ni và được hội tụ trong một sợi quang (xem tiểu luận 12). Để liên lạc
đến vệ tinh hay ngược lại từ vệ tinh, các hệ thống quang học “đường ngắm” rất quan
trọng. Trong áp dụng này người ta dùng một laser Nd : YAG cùng với một máy biến
điệu bên ngoài cấu tạo bằng một thể LiNbO3 (Lithium niobate) hoạt động như một
cửa trập máy ảnh.

Sự biến thiên bên ngoài với hiệu suất cao hơn có thể hoạt động nếu như ánh
sáng được hạn chế trong những ống dẫn sóng quang học được gọi là quang học tổ
hợp. Mơ ước cuối cùng của quang học tổ hợp là thay thế các hệ quang học rời rạc
và phức tạp bằng một “chíp” bán dẫn duy nhất chứa đựng tất cả dụng cụ quang học
cần thiết cho thế hệ ánh sáng như biến điệu, tổ hợp, xử lí và thu nhận. Chúng ta
đang đứng ở ngưỡng cửa của sự phát triển của mạch quang học tổ hợp có thể cạnh
tranh với mạch điện tử tổ hợp. Thuật ngữ “quang – điện tử” được dùng cho những
mạch tổ hợp các thành phần điện tử và quang học trong cùng một “chíp”.

Laser : phương tiện do tốt nhất

Tính kết hợp của laser làm cho chúng trở thành lí tưởng cho nhiều phép đo
như phép đo giao thoa và quang phổ học.

Giám sát những chuyển động nhỏ của quả đất khi động đất có thể theo dõi
được nhờ một giao thoa kế laser.

Rađa laser (liđar) cung cấp những số đo chính xác về các khoảng cách dến
Mặt Trăng hoặc đến các vệ tinh. Người đầu tiên lên Mặt Trăng đã đặt ở đó một chiếc
gương chế tạo đặc biệt để phản xạ ánh sáng ngược lại mà không phụ thuộc vào
phương. Một chùm laser xung hồng ngọc đã được chuẩn trực nhờ một kính viễn
vọng ở Texas và hướng lên chiếc gương đó trên Mặt Trăng, từ đó nó được phản xạ
lại kính viễn vọng. Thời gian trễ của tín hiệu trở về xác định khoảng cách đến Mặt
Trăng với một sai số cỡ 1 vài centimet.

</div>
<span class='text_page_counter'>(82)</span><div class='page_container' data-page=82>

của vật. Nếu chỉ cần vật di chuyển một phần của bước sóng là đủ dể phát hiện được
bằng cách chụp ảnh nổi hai lần phơi sáng trước và sau khi di chuyển, kết quả thể
hiện trên các dải vân giao thoa thu được trên ảnh.

Sự đơn sắc của tia laser dã cho phép làm một cuộc cách mạng trong quang
phổ học nhằm do sự hấp thụ và bức xạ của ánh sáng trong các môi trường nguyên
tử và phân tử. Bằng cách xác định cẩn thận những bước sóng đặc trưng bị hấp thụ
hay bức xạ các nhà quang phổ có thể thu được những thông tin quan trọng về trang
thái của các nguyên tử hay phân tử đã hấp thụ hay bức xạ ánh sáng. Quang phổ học
rất cần thiết cho nhiều lĩnh vực khoa học như hóa học, vật lí, sinh học và thiên văn
học. Những cuộc cách mạng thật sự về nhận thức do khả năng của tia laser mang
lại đã làm hẹp độ rộng của các vạch khi đo đến thừa số 1010_!

Một phương pháp mới trong đo lường là dùng sợi quang để phát hiện sự biến
đổi của một đại lượng vật lí. Sợi quang có thể cung cấp phương tiện để phân bố ánh
sáng đến một vị trí ở xa hoặc có thể bản thân nó là một yếu tố cảm biến (một xenxơ).

Loại thứ nhất là một xenxơ nhiệt độ ở đáy một giếng sâu mà ánh sáng theo sợi
quang truyền đến. Xenxơ này gắn với một đầu sợi quang là một miếng vật liệu bán
dẫn có độ truyền qua phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, tiếp theo sau là một cái gương.
Luợng ánh sáng phản xạ qua đó phụ thuộc vào nhiệt độ nên có thể dùng để đo nhiệt
độ từ xa. Nguyên tắc này cũng có thể áp dụng cho một loạt ứng dụng khác như đo
huyết áp, vị trí (phát hiện động đất) và các vật gây ô nhiễm.

Bản thân các sợi quang cũng có thể được dùng như là các xenxơ khi gài chúng
vào trong một nhánh của giao thoa kế để tăng độ nhạy có thể dùng một cuộn dài. Thí
dụ trong phịng thí nghiệm của chúng tơi, chúng tơi nhận thấy rằng một cuộn dây sợi
quang có thể phát hiện nhiệt của tay chúng tôi cách xa hơn 10cm. Hai loại (cảm
biến) xenxơ cuộn sợi quang thực tiễn nhất được dùng rộng rãi hiện nay là các xenxơ
âm và xenxơ quay quán tính. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện hiện nay
cho mọi loại cảm biến quang sợi dùng cho y tế, thương mại và quân sự.

Một trong những hướng phát triển hấp dẫn nhất trong đo đạc bằng laser là
dùng một tính chất làm vi phạm độ đơn sắc vốn đã được nhiều người gán cho laser.
Đó là khả năng thực hiện các laser màu hoạt động trên cả một vùng tần số rộng và
sau đó tạo nên những xung ánh sáng cực ngắn chỉ khoảng 10-14_{giây. Trong lúc thời}
gian phản ứng điện tử điển hình là nano giây thì các xung ánh sáng cực ngắn có thể
thăm dị vật chất nhanh hơn nhiều. Chúng ta gọi chế độ 10-15_{– 10}-13_{giây là chế độ}
femto giây.

Các xung cực ngắn được tạo nên từ laser bằng các phương pháp “khoá mod”
(mode lockinh), tức là dùng các laser có nhiều mod và tạo điều kiện để khoá đồng
thời các mod ấy với pha như nhau ở một thời điểm cho trước. Đo các mod ấy dao
động với những tần số khác nhau nên chúng nhanh chóng sẽ khơng cịn đồng pha
và thực tế là bị triệt tiêu trong khoảng thời gian bằng nghịch đảo của hiệu tần số của
chúng, để tạo nên xung cực ngắn. Xung càng ngắn theo thời gian bao nhiêu thì độ
rộng của giải tần mà laser yêu cầu là phải rộng bấy nhiêu. Các xung ngắn nhất có

được do dùng những laser màu có giải tần rất rộng bao trùm gần hết tồn bộ vùng
khả biến, trong vật lí, hố học hoặc các quá trình điện tử xảy ra femto này.

</div>
<span class='text_page_counter'>(83)</span><div class='page_container' data-page=83>

Các áp dụng của laser trong xã hội chúng ta và những công dụng mới được
phát hiện gần như hàng ngày : chúng tôi chỉ mới nói đến một số ứng dụng quan
trọng nhất. Việc nghiên cứu mạnh mẽ là cần thiết để đem lại kết quả hoàn toàn cho
những ý nghĩa trên cũng như phát hiện nhiều áp dụng mới. Laser hiện nay chiếm vị
trí của điện tử ở cuối những năm 1950. Ai có thể hình dung được những ứng dụng
của chúng trong thế kỷ 21 ?

Y học hạt nhân

Russel K. Hobbie là giáo sư vật lí của trường Đại học Tổng hợp Minnesota.
Ơng tốt nghiệp đại học tại Viện Cơng nghệ Massachussette (M.I.T) và bảo vệ luận án
tiến sĩ tại Đại học Havard. Các lĩnh vực nghiên cứu của ông bao gồm : y học phóng
xạ chuẩn đốn, sự tạo ảnh bằng cộng hưởng từ hạt nhân, tâm đồ kí, tin học chuẩn
đốn bệnh…Ơng là tác giả cuốn sách giáo khoa “Vật lí dùng trong y học và sinh học”
xuất bản năm 1988.

Richard L. Morin là phó giáo sư thuộc Khoa y học phóng xạ của trường Đại học
Tổng hợp Emory và bảo vệ luận án tiến sĩ về y học phóng xạ tại trường Đại học tổng
hợp Oklahoma. Lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu của ông là những ứng dụng của máy
tính trong y học phóng xạ và y học hạt nhân.

Y học hạt nhân xử dụng những lượng nhỏ chất phóng xạ dựa vào cơ thể người
như một dụng cụ chẩn đốn. Các hình ảnh có thể tạo được ra cho thấy sự phân bố
của chất phóng xạ trong các bộ phận khác nhau của cơ thể. Độ phân giải không gian
của các bức ảnh được tạo ra trong y học hạt nhân thường cỡ một vài milimét. Ảnh
tia X cho thông tin về cấu trúc – tức giải phẫu của một vùng. Trong khi đó, các bức
ảnh của y học hạt nhân lại cho thông tin về sinh lý học – đó là lượng dược phẩm

phóng xạ đã thụ lại trong cơ quan mà ta quan tâm. Bằng cách đo độ phóng xạ trong
một vùng như một hàm số của thời gian, đơi khi ta có thể kiểm tra được cả q trình
sinh lý.

Có nhiều hạt nhân phóng xạ có thể được dùng trong nghiên cứu chẩn đốn.
Tuy nhiên, đa số điều khơng có hiệu quả. Vì độ phóng xạ điều được đo bằng các
đêtectơ đặt ở ngoài cơ thể, nên đối với các hạt nhân chỉ phát các hạt hoặc
chúng điều vơ dụng vì các hạt đó khơng đi xa được, hầu hết điều bị hãm dừng lại
trước khi thoát được ra khỏi cơ thể. Nhiều hạt nhân lại phát cả hạt phôtôn – tia
gamma - kèm theo các hạt hoặc . Vì có một lượng thích hợp các phơtơn thốt
được ra ngồi cơ thể nên chúng có thể phát hiện được.

Nửa thời gian sống của các hạt nhân củng rất quan trọng. Nó cần phải sống đủ
dài để có thể tạo ra được, đưa vào cơ thể bệnh nhân và đo đạc được. Mặt khác, (giả
sử rằng tất cả các hạt nhân điều có trong cơ thể) chúng ta lại muốn các hạt nhân đó
phải phân rã khá mạnh, bởi vì chỉ những hạt nhân phân rã trong q trình đo mới
cho thơng tin hữu ích ; các hạt nhân phân rã muộn hơn thì chẳng có ích lợi gì, hơn
nữa cịn tăng liều lượng phóng xạ mà cơ thể bệnh nhân nhận được.

Hai đồng vị thường được sử dụng nhiều nhất, đó là 99m_{Tc (“Tecneti – 99 – m”)}
và 131_{I (“Iot – 131”)}

</div>
<span class='text_page_counter'>(84)</span><div class='page_container' data-page=84>

khơng thốt ra ngối cơ thể ). Như tên của nó
gợi ý (“technical – có nghĩa là kĩ thuật”),
tecnơti khơng có trong tự nhiên. Nó được tạo
thành từ phân rả của 99_{Mo, một sản phảm}
phân hạch (xem chương 48 ) được tạo ra
trong các lị phản ứng hạt nhân. 99_{Mo, có nữa}
thời gian sống là 67 giờ và hàng tuần, một
đến hai lần, được chở tới các bệnh viện trong

khắp đất nước. Mỗi một ngày các bệnh viện
điều tiến hành tách lấy 99_{Tc đã được tạo thành}
và dùng cho khám bệnh ngày hơm đó. Vị trí
trong cơ thể mà tecnơti sẻ đi tới được điều
khiển bằng cách gắn nó vào một hóa chất có
tính chất mong muốn. Ví dụ, nó có thể được với phôtpho hữu cơ để giúp cho việc
khám xương, hoặc nó có thể được gắn với các hạt lưu huỳnh ở dạng keo để giúp
khám về gan.

Đồng vị 131_{I là một nhóm dược phẩm phóng xạ tuyệt vời để nghiên cứu tuyến}
giáp. Tuyến giáp có vị trí ở cổ. Nó tiết ra hai loại hoocmơn để điều chỉnh tốc độ trao
đổi chất của cơ thể. Cả hai hóomơn này điều chứa Iôt – 131 phân rã bằng tổ hợp
bức xạ và với nữa thời gian sống là 8 ngày. Đa số các tia diều có năng lượng
bằng 364 keV. Đồng vị này của Iôt củng được tạo ra như một sản phẩm phân hạch
trong các lò phản ứng hạt nhân.

Đêtectơ được dùng nhiều nhất là các mấy tính đếm nhấp nháy. Một số chất
nhấp nháy, tức là phát ra ánh sáng thấy được, khi có các hạt , hoặc phơ tơn đập
vào. Một ống nhân quang rất nhạy dùng hiệu ứng quang điện (chương 43 ) để phát
hiện ánh sáng đó. Hình P.3601 cho thấy một ống nhân quang ngắm thẳng vào khối
chất nhấp nháy. Chất nhấp nháy được bảo vệ bằng một ống chuẩn trực bằng chì để
đảm bảo cho chỉ những phôtôn tới từ một hướng xác định mới đập vào được chất
nhấp nháy. Tồn bộ đtectơ này có thể đựơc đặt để quan sát thận và độ phóng xạ
trong thận có thể được kiểm tra sau khi người bệnh đã uống được phẩm phóng xạ
và nó đã được chuyển tới thận. Loại đêtectơ này được dùng rộng rãi trong giai đoạn
đầu của y học hạt nhân. Nhưng nó khơng thật hiệu quả, bởi vì phạm vi quan sát là
nhỏ so với kích thước của nhiều cơ quan trong cơ thể nên có nhiều phân rã xảy ra
mà khơng được phát hiện, kết quả là việc khám bệnh mất nhiều thời gian và bệnh
nhân phải uống liều lượng cao .

Camera nhấp nháy hoạt động cũng theo nguyên tắc như trên. Nhưng hiệu quả
hơn nhiều. Một khối chất nhấp nháy lớn, thường có đường kính từ 0,25 đến 0,4m,
được chắn một phía bởi một ống chuẩn trực có nhiều lỗ. Phía kia được ngắm thẳng
bằng một hệ thống gồm 19 hoặc 34 ống nhân quang, như được vẽ trên hình P.3602.
Các ống nhân quang này được nối với các dụng cụ điện tử cho phép xác định vị trí
các chớp sáng do sự tương tác của phôtôn với chất nhấp nháy bằng cách so sánh
có bao nhiêu ánh sáng tới từ các nhân quang khác nhau. Khi đó các thiết bị điện tử
sẽ ghi lại các số đếm vào bộ nhớ của một máy tính. Sau khi khám song, sự phân bố
khơng gian của độ phóng xạ sẽ được hiển thị trên một màn hình. Một camera nhấp
nháy được cho trên hình 3.

</div>
<span class='text_page_counter'>(85)</span><div class='page_container' data-page=85>

trường hợp, dược phẩm phóng xạ được hấp thụ bởi chỗ thương tổn nhanh hơn so
với các mô xung quanh. Điều này dẫn tới những “điểm nóng” trên hình chụp. Một ví
dụ là bệnh xương, trong đó có sự quay vịng phơtpho lớn hơn bình thường. Một ảnh
quét xương được cho trên hình 4. Các điểm nóng được nhìn rõ trên hai rẻ sườn phía
trước. Cũng có cả chất phóng xạ ở ruột và thận, điều này có thể nhìn rõ từ phía
trước và phía sau, tương ứng.

Trong đa số trường hợp, chỗ tổn thương hấp thụ chất phóng xạ ít hơn các mô
xung quanh, điều này dẫn tới các “điểm lạnh”. Hình 5 cho thấy ảnh quét của một
tuyến giáp bình thường đã được hấp thụ 131_{I. Ảnh này của cổ đã được phóng đại lên}
nhiều so với ảnh qt tồn thân. Hình 6 cho thấy một điểm lạnh ở phía dưới tuyến
giáp của bệnh nhân (tức là bên trái phía dưới của hình vẽ) cũng như một điểm nóng
ở phía trên thùy phải. Điểm lạnh có thể xuất hiện khi hạch tuyến giáp khơng tạo ra
được hcmơn tuyếngiáp hoặc trong ung thư phát triển nhanh tới mức vượt quá sự
cung cấp máu.

Hình 7 cho thấy sự phân
bố máu trong phổi bình
thường. Chất phóng xạ

trong phổi bệnh nhân bị
chắn một phần đối với
camera bởi tim người đó
làm che khuất phía dưới
của lá phổi trái. Một ví dụ
khác về các điểm lạnh
được cho trên hình 8 mà

ta cần so với phổi bình

thường cho trên hình 7.
Bệnh nhân trong hình 8 có
một số cục (làm) tắt mạch (cục nghẽn). Một số cục này được vỡ ra từ các cục nghẽn
lớn hơn có thể là ở tĩnh mạch chân bệnh nhân. Những cục này đi qua các tĩnh mạch
ngày càng lớn hơn cho tới khi nó đi vào phía phải của tim rồi được bơm vào phổi.
Trong phổi, nó đi qua các động mạch ngày càng nhỏ hơn cho tới khi nó bị tắc lại ở
động mạch có kích thước trung bình và hồn tồn làm nghẽn nó, do đó khơng cho
máu chảy tới cả một vùng trong phổi.

Các hình quét 7 và 8 được thực hiện bằng cách gắn 99m_{Tc vào các tiểu cầu}
anbumin có đường kính hơi lớn hơn một mao mạch. Các tiểu cầu này được tiêm vào
tĩnh mạch ở cánh tay, đi qua tim và “cư trú” trong các mao mạch ở phổi. (Có đủ các
tiểu cầu để chặn khí một phần nhỏ các mao mạch). Bình thường phổi sẽ phóng xạ
đều. Nếu có vùng trong phổi bị nghẽn mạch, các tiểu cầu không thể đi tới được vùng
đó của phổi vì vậy sẽ xuất hiện các điểm lạnh.

</div>
<span class='text_page_counter'>(86)</span><div class='page_container' data-page=86></div>

<!--links-->