Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

Nội dung text: Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

1. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG KIẾN THỨC VẬT LÝ HỌC & ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG Phạm Thị Hồng Nhung (sưu tầm) TRANG 1
2. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ma sát của lốp xe hơi 3 Những cây cầu 4 Năng lượng con người 6 Đo huyết áp 8 Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều 10 Sức căng bề mặt và phổi 11 Động cơ xăng 12 Máy bay bay như thế nào? 15 Đi và chạy 16 Tai người và việc nghe 18 Lưỡng cực và lò vi sóng 19 Máy ghi điện tâm đồ 20 Điện giật 21 Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 22 Nghịch lí anh em sinh đôi 24 Photon và sức nhìn 25 Kính hiển vi điện tử 26 Màn hình tinh thể lỏng 27 Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm 28 Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo 30 Vật Lí về không trọng lượng 34 Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném 38 Sức cản khí động lực học 40 Âm học của phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật? 44 Sự hoàn chỉnh hiệu năng cho phòng Hòa Nhạc 45 TRANG 2
3. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Sự sôi và hiệu ứng Leidenfrost 49 Phải chăng sự tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu của chúng ta 53 Bay bằng từ 59 Từ học và đời sống 63 Vật Lí và đồ chơi 67 Thông tin bằng sóng sáng dùng sợi quang học 70 Phép chụp ảnh toàn ký 74 Ứng dụng của laser 79 Y học hạt nhân 85 Ma sát của lốp xe hơi 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 trò 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 bôi trơn giữa mặt đường và lốp xe. Lốp xe có TRANG 3
4. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 khô 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 khô, 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 không 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 về điều kiện thời tiết và chất lượng mặt đường, cũng như vận tốc bạn lái xe. Nếu bạn lái xe trên đường tốt, bạn chỉ cần lốp xe có khía vừa phải. Nếu bạn lái xe trên đường bùn hay tuyết, bạn cần lốp xe thiết kế cho các điều kiện này. Xe đua chạy trên đường siêu tốc được trang bị lốp rộng, nhẵn gọi là “lốp tăng tốc”. Lốp xe đua trên đường khô có bề mặt tiếp xúc nhẵn. Lốp có khía được dùng phổ biến để tạo rãnh cho nước thoát ra khi chạy trên đường ướt (Hình P.102). Bởi vì nếu không có khía, lốp xe đua không thể chạy trên đường ướt. Những cây cầu Làm sao để qua sông? 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. TRANG 4
5. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Các khoảng cách dài hơn có thể đạt được bởi cầu vòng cung. Thiết kế cơ bản của cầu vòng cung đã được hoàn thiện từ nhiều thế kỷ trước bởi người La Mã. Bí mật của cầu vòng cung là trọng lượng của nó và của tải đều là lực nén, điều này cho phép dùng đá làm vật liệu xây dựng. Một vài cây cầu đá làm từ thời La Mã đến nay vẫn con đứng vững. Thiết kế của vòng cung tạo ra một lực hướng xuống và ra mép đáy vòng cung. Một cầu vòng cung xây dựng đúng đắn có thề dài hàng trăm mét. Ví dụ, cầu vòng cung thép băng qua vịnh Sydney (Úc) dài 503m và cầu trên sông Gorger ở Đông Virginia (Mỹ) dài 518m. Cả hai cầu 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 vòng 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 bêtông 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 TRANG 5
6. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Ông bị liệt một phần, và giám sát phần còn lại của công việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ Ông là Emily thực hiện các lệnh của ông 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. Hình P.204 - Cầu Pont du Gard ở gần Nîmes, miền Nam nước Pháp. Cầu là một hệ thống ống dẫn nước và được xây bởi người Roman vào đầu thế kỷ thứ nhất TCN. Cấu trúc vững chãi này vẫn đứng vững để chứng thực cho kỹ năng siêu việt của những người kỹ sư Roman. Năng lượng con người Định luật bảo toàn năng lượng có áp dụng cho cơ thể bạn không? 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 TRANG 6
7. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Không 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. Khi bạn tăng cường hoạt động, nhu cầu năng lượng của bạn sẽ tăng lên. Ví dụ, hình B 3.2 chỉ ra tốc độ sử dụng năng lượng tăng lên khi tăng tốc độ đi bộ. Tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng lên khi đi nhanh hơn có nghĩa là khi bạn nhấc chân hoặc tay, một ít năng lượng cần dùng để thắng ma sát bên trong cơ thể. Hơn nữa, các bắp thịt là kém hiệu quả trong việc chuyển năng lượng hoá học thành cơ năng. Chỉ khoảng một phần năm hoá năng dùng bởi các bắp thịt được chuyển thành cơ năng; phần còn lại tiêu tán dưới dạng nhiệt; điều đó giải thích tại sao bạn nóng hơn khi chạy. Mức tiêu thụ năng lượng 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 TRANG 7
8. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 thông 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. Y học quan tâm đến áp suất trong hai hoạt động của quả tim: huyết áp Tâm Thu, khi trái tim co lại; và huyết áp Tâm Trương, khi tim nghỉ giữa hai nhịp đập. Hoạt động bình thường của trái tim làm cho huyết áp dao động giữa hai giá trị này. Giá trị 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 TRANG 8
9. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Số đo thực hiện bằng kỹ thuật này có thể thăng giáng tuỳ theo cách quấn băng cũng như việc ước lượng điểm tại đó âm thanh thay đổi. Tình trạng của áp kế, kích thước của tay và tốc độ băng được bơm hơi và nhả hơi cũng có thể có ảnh hưởng. Hình P.402 so sánh áp huyết đo trực tiếp từ động mạch vơí áp huyết đo gián tiếp bằng máy đo huyết áp. 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 TRANG 9
10. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Thủy triều chủ yếu gây ra do sức hút của Mặt Trăng. Ngoài thủy triều trên đại dương, Mặt Trăng cũng gây ra điạ triều trên mặt đất, nhưng điạ triều khó quan sát hơn. Khi Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo của nó, Trái Đất cũng chuyển động, bởi vì cả hai cùng chuyển động quanh khối tâm của hệ Mặt Trăng-Quả Đất. Bởi vì lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, phần nước ở phía Trái Đất 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 toán của cực đại này (Hình TRANG 10
11. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 toán 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 luôn luôn quay một mặt về phía Mặt Trăng, giống như Mặt Trăng hiện nay chỉ luôn luôn 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 không bao giờ ngờ rằng, trong phổi có một hiện tượng vật lí lý thú xảy ra mỗi khi bạn thở. Nó luôn luôn xảy ra mà có thể bạn không hề biết, nhưng hiện tượng đó thật là kỳ diệu. Không khí đi vào hai cuống phổi và chia nhánh nhỏ cho đến tận cùng là các túi nhỏ, gọi là các phế nang (Hình P.601). Ở đó xảy ra sự trao đổi các chất khí với máu. Phổi 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 phòng 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 phòng 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. TRANG 11
12. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 tuí 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, không khí sẽ bị đẩy ra khỏi phổi. Một lý do của điều này là tính đàn hồi của các mô làm phổi co lại và ép hơi ra. Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng tỏ rằng chỉ có tính đàn hồi của phổi không 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 không 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, không có đủ chất bề mặt làm cho phổi khó nở ra. Nếu không 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 hô hấp. Hình P.601 - Mô hình bằng nhựa của đường dẫn không khí trong phổi. Các đường tận cùng bằng các phế nang. Hình P.602 (a) Hai bong bóng xà phòng bán kính khác nhau nối qua một ống (b) Khi van mở ra, bong bóng lớn hơn sẽ phình to trong khi bong bóng nhỏ co lại. 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 mô 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 lòng động cơ. Ví dụ về động cơ đốt trong bao gồm động cơ xăng, động cơ diesel và turbine khí. Ở TRANG 12
13. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 không 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 piston đi xuống trong kỳ hút. Trong kỳ nén chất khí được nén đoạn nhiệt đến điểm C. Việc đánh lửa làm cho khí thay đổi đẳng tích đến điểm D có nhiệt độ và áp suất cao hơn, rồi đi theo đường đoạn nhiệt đến điểm A trong kỳ sinh công. Việc mở van xả làm cho áp suất giảm đẳng tích xuống điểm B, và tiếp đó là sự giảm thể tích ở áp suất không dổi khi piston di chuyển trong kỳ xả. 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 soát hỗn hợp không 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 không nghi ngờ gì nữa sẽ bao gồm việc máy tính kiểm soát quá trình đốt và kiểm soát bằng điện tử việc truyền năng lượng giữa động cơ và các bánh xe trong mọi tình huống TRANG 13
14. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động của động cơ bốn thì. Pít-tông đi xuống và đi lên hai lần trong mỗi chu kỳ. Hình P.702 - Giản đồ cho: (a) - Động cơ xăng thực (b) - Chu trình Otto lý tưởng hoá MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Intake valve van hút Air and fuel hỗn hợp không khí và nhiên liệu Spark plug bugi exhaust valve van xả crankshaft trục khuỷu Intake stroke kỳ hút compression stroke kỳ nén TRANG 14
15. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG power stroke kỳ sinh công exhaust stroke kỳ xả ingition quá trình đánh lửa Máy bay bay như thế nào? Hàng không 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 dòng không 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 dòng khí chuyển động. Không khí chuyển động phía trên cánh phải đi một đoạn đường dài hơn không khí chuyển động phía dưới cánh. Kết quả là, không 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 dòng khí chuyển động tương đối so với cánh. Điều này ứng với hoặc là cánh chuyển động qua không khí đứng yên hay không khí chuyển động qua cánh đứng yên. Bạn có thể thấy hiệu ứng này bằng cách lấy 1 tờ giấy khoảng 10x15cm. Giữ mép giấy gần miệng và thổi mạnh ở phía trên tờ giấy (Hình P.803). Chuyển động của dòng không khí phía trên tờ 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 dòng khí, có thể được thay đổi để làm tăng lực nâng. Nếu mép trước của cánh cao hơn mép sau, lực không 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 quá lớn, dòng sẽ chuyển động xoáy và hiệu áp suất không còn nữa. Nếu xoáy lớn, máy bay sẽ chòng chành. Nói chung, khi dòng khí qua cánh tăng, cả lực nâng và lực kéo (lực cản) đều tăng. Cánh máy bay được thiết kế sao cho phi công có thể thay đổi hình TRANG 15
16. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 không khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy và tăng lực nâng. Ở tốc độ cao, phi công 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 không tuân theo chính xác phương trình Bernoulli. Lý do là phương trình Bernouli chỉ đúng cho lưu chất không nén được và không nhớt, trong khí không 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 không khí, ngay cả khi độ lớn không tuân 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 mô tả chân bằng một mô 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: Biểu thức này phụ thuộc vào chiều dài của thanh và gia tốc trọng trường giống như biểu thức cho chu kỳ của con lắc đơn. Hệ số 2/3 là do khối lượng phân bố đều trên thanh, thay vì tập trung ở điểm cuối thanh. Biểu thức này cho một giá trị gần đúng về chu kỳ dao động tự do của chân. Bạn có thể tự làm thí nghiệm để kiểm tra 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 mô hình này để ước tính nhịp đi của một TRANG 16
17. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG người. Chúng ta giả sự rằng nhịp đi tự nhiên là nhịp đi đòi 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 đoán là người có chân dài hơn sẽ đi nhanh hơn. Dự đoán này rút ra trên cơ sở mô hình về tiêu thụ năng lượng cực tiểu và mô hình rất dơn giản của chân. Tuy nhiên, dự đoán này rất phù hợp với kinh nghiệm thông thường. Khi một người chạy, mô 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 Vận tốc sẽ tỉ lệ với tần số nhân với chiều dài bước chân Do đó chúng ta có dự đoán rằng, đối với động vật có hình dạng chân đơn giản, vận tốc khi chạy không phụ thuộc vào chiều dài chân. Dự đoán này dĩ nhiên là không TRANG 17
18. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG đúng một cách chặt chẽ. Tuy nhiên, mô 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. Tai người và việc nghe 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, không khí dao động. Dao động của không 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 10–12m. 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 không khí. Không 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 - 6m. Dầu giá trị này lớn hơn biên độ của âm thanh nhỏ nhất, nó vẫn còn khá nhỏ. Nếu một tờ giấy dày cỡ này, 400 trăm tờ giấy mới dày cỡ 1mm. Hình P.1002 trình bày sơ đồ tai. Ống tai ngoài tác động như một bộ khuếch đại đối với một số tần số. Hãy xét ống tai như một ống bịt một đầu bởi màng nhĩ. Chúng ta đã biết sự cộng hưởng của 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 TRANG 18
19. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG nói người lớn, chủ yếu nằm trong miền 500-2000Hz. Các máy trợ thính thụ động không 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 -15kHz 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. Lưỡng cực và lò vi sóng Mặc dù lò 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 lò 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 không 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 cô 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 lòng chất đó. Các vi sóng, là các sóng tần số cao, có thể tạo ra điện trường thay đổi nhanh chóng. Ở Bắc Mỹ, lò 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 lò (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 không khí, thuỷ tinh, giấy và nhiều loại nhựa. Vi sóng bị phản xạ trên kim loại, nhưng bị hấp thụ bởi nước, chất béo và đường. Trong hầu hết các thức ăn vi sóng đi vào khoảng 2 đến 4 cm. Khi nó đi vào, nó bị hấp thụ, làm toả ra nhiệt do sự phá vỡ liên kết giữa các phân tử khi các phân tử nước đổi hướng quá nhanh. TRANG 19
20. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Lò vi sóng có thể nấu nhanh chóng là vì vi sóng đi xuyên qua lớp ngoài của thức ăn và nung nóng ngay bên trong lòng thức ăn. Trong lò thông thường, năng lượng chỉ truyền tới bề mặt thức ăn. Bởi vì vi sóng phản xạ ở thành bên trong của lò, nó có thể tạo thành sóng dừng trong lò, tương tự như sóng âm tạo thành sóng dừng trong ống. Các nút và bụng của sóng dừng sẽ làm cho thức ăn chín không 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 không nấu được vì vỏ kim loại ngăn không cho vi sóng vào bên trong. Cần cẩn thận khi dùng lò vi sóng. Công suất của lò vi sóng khoảng 500W, đủ cao để gây cháy. Tuy nhiên, một mức năng lượng vi sóng rất thấp không 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 thoát ra từ lò 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 không thoát ra khỏi lò. Thêm vào đó, điện tự ngắt khi bạn mở cửa lò, để cho phép bạn thấy bên trong lò, hầu hết các lò 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 thông, máy tính và giải trí là đáng kể. Tuy nhiên, điện tử học còn 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 đoán khác. Một trong những ví dụ kinh điển về điện tử trong y học là máy ghi điện tâm đồ, một công cụ đã trở thành tiêu chuẩn trong chẩn đoán. 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 tim. Ở trạng thái nghỉ bình thường, các cơ như là trái tim, có điện tích âm bên trong màng và điện tích dương bên ngoài. Trong trạng thái này ta nói mô bị phân cực. Ở trạng thái này mô có một hiệu thế cỡ 85mV, gọi là điện thế nghỉ. Máy ghi điện tâm đồ đo điện thế này với điện cực bạc/clorit bạc (Hình P.1301a). Khi một xung thần kinh kích thích cơ, một sự thay đổi nhanh điện tích xảy ra qua màng, tạo ra sự khử cực. Thực tế sự trao đổi ion đi qua màng thường tạo ra một sự phân cực ngược nhỏ (Hình P.1301b). Ngay TRANG 20
21. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 ngoài (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. Điện giật Điện giật là mối nguy gắn liền với mọi thiết bị điện. Sự nguy hiểm này không 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 công 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 dòng nguy hiểm. Dòng 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 khô cho đến nhỏ khoảng 500W khi ướt. Sự nguy hiểm của điện giật không chỉ phụ thuộc vào dòng điện mà còn phụ thuộc vào đường đi của dòng diện qua cơ thể. Một dòng điện đi từ ngón tay tới cùi chỏ có thể gây đau và khó chịu nhưng cũng dòng điện đó nếu đi từ tay này sang tay kia ngang qua ngực có thể gây chêt người. Dòng 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 TRANG 21
22. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 3. Nó làm các cơ co giật không kiểm soát được. Dòng điện cỡ 20mA có thể làm khó thở và dòng điện cỡ 75mA có thể làm ngưng thở hoàn toàn. Dòng điện giữa 100 và 200mA làm cho tim loạn nhịp. Kết quả có thể chết người. Ở dòng điện lớn hơn, tim có thể ngừng đập hoàn toàn không 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 khôi 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 Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 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). Hạt nhân của nguyên tử hydro(proton) có moment lưỡng cực từ, khi các proton này đặt trong từ trường đều, hầu hết các moment từ này sẽ xếp theo hướng của từ trường vì đó là trạng thái có năng lượng cực tiểu. Khi đó nếu proton chịu tác dụng của sóng điện từ tần số cao ở tần só cộng hưởng một số sẽ bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn tương ứng với trạng thái xếp ngược chiều từ trường. Khi đó, năng lượng của sóng tới bị hấp thụ cộng hưởng. Chính do sự hấp thụ cộng hưởng này mà phương pháp này có tên là chụp ảnh cộng hưởng từ. Khi một vật chứa các nguyên tử Hydro đặt trong từ trường tần số cộng hưởng của mỗi hạt nhân Hydro phụ thuộc vào trường tác dụng lên nó. Nếu trường không đều, mà biến đổi tăng dần(gọi là gradient từ trường), thì tần số cộng hưởng sẽ phụ thuộc vào vị trí của hạt nhân trong trường. Do đó tín hiệu cộng hưởng từ sẽ cho thông tin về vị trí của các moment từ hạt nhân. Nếu sự tăng của từ trường được kiểm soát chặt chẽ, thì chúng ta sẽ thu được hình ảnh về mật độ của các nguyên tử Hydro ở trong vật. TRANG 22
23. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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 mô 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 toàn 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 Phương pháp MRI làm lộ rõ cấu trúc khác nhau giữa não bộ của một người lớn trưởng thành bình thường(bên trái) và não bộ của một bệnh nhân tâm thần phân liệt (bên phải). Não của bệnh nhân tâm thần phân liệt có vùng não thất phình to có thể nhìn thấy ở vùng màu xám nhạt trên hình. Tuy nhiên, không phải tất cả mọi bệnh nhân tâm thần phân liệt đều có dấu hiệu không bình thường này. TRANG 23
24. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Nghịch lí anh em sinh đôi Một điểm hấp dẫn của thuyết tương đối là nghịch lí anh em sinh đôi. 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 không phải là hệ qui chiếu quán tính, và hai quan điểm thời gian là không tương đương. Bởi vì trong trường hợp này có thể coi Trái Đất là hệ qui chiếu quán tính, người sống trên Trái Đất sẽ có quan điểm đúng: người trên phi thuyền sẽ chậm già hơn. Không có nghịch lý thực sư, hiệu ứng kéo dài thời gian thật sự xảy ra. Người đi phi thuyền sẽ chỉ thấy già hơn 5 tuổi, trong khi người trên Trái Đất đã già đi 35 tuồi. Tuy nhiên, sẽ không ai trong hai người nhận ra sự bất thường nào trong khoảng thời TRANG 24
25. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. Photon và sức nhìn “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. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đến giác mạc là vào võng mạc gặp thụ thể que. Một số photon bị phản xạ bởi giác mạc và thủy tinh thể. Thêm vào đó, chất lỏng trong mắt cũng hấp thụ hay tán xạ khoảng một nửa ánh sáng, do đó chỉ khoảng TRANG 25
26. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 45 trên 100 photon ban đầu thật sự đến mặt trước của võng mạc. Phần lớn các 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 không 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 môi trường. Tính toán chỉ ra rằng sự kích thích nhiệt ngẫu nhiên cùng cỡ với 5 photon. Do đó, chúng ta sẽ không thấy được nháy sáng nếu tín hiệu tạo ra không lớn hơn tín hiệu do sự kích thích ngẫu nhiên bằng nhiệt này. Kính hiển vi điện tử 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 toàn phần là tích của độ khuếch đại của vật kính với độ khuếch đại của thấu kính chiếu. Bằng cách lựa chọn đúng dòng của các thấu kính từ độ khuếch đại toàn 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. Trong kính hiển vi điện tử quét một chùm điện tử mảnh quét qua bề mặt của vật cần khảo sát. Khi chùm quét qua mẫu, electron tới(electron sơ cấp) làm bật ra các electron thứ cấp từ bề mặt của nơi chùm tới hội tụ, các electron thứ cấp này được hội tụ vào một điện TRANG 26
27. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG cực dương. Cường độ của dòng thứ cấp thay đổi khi chùm electron sơ cấp quét qua mẫu, bởi vì có nhiều electron thứ cấp bật ra hơn khi chùm 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. Màn hình tinh thể lỏng 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 còn 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 vuông góc với nhau. Hai bề mặt được xử lý sao cho các phân tử song song với bề mặt nhưng quay một góc 90o từ TRANG 27
28. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG đỉnh xuống đáy khi không có điện thế giữa các điện cực. Ánh sáng tới trên màn hình được phân cực thẳng bởi tấm phân cực thứ nhất. Khi ánh sáng đi qua lớp tinh thể lỏng, mặt phẳn phân cực quay một góc 90 o. 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 không 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. Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm Jeal Walker là giáo sư vật lí ở ĐHTH quốc gia Cleveland. Ông 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 ông 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 thông trong các thành phố lớn, nhất là giờ cao điểm, cần có sự điều phối cẩn thận. Nếu không, các dòng 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. Giả sử bạn phải xây dựng hệ thống đèn điều khiển giao thông cho một đường phố một chiều, trong đó có một số đường phố hẹp có lưu lượng giao thông lớn vào giờ cao điểm. Đèn xanh cần sáng trong 50s, đèn vàng 5’, và đèn đỏ 25’ (các số liệu này tiêu biểu dùng cho đường có mật độ giao thông cao trong thành phố). Để tăng lưu lượng giao thông tốt hơn bạn có xu hướng tăng thời gian sáng của đèn xanh, hoặc giảm thời gian sáng của đèn đỏ. Tuy nhiên bạn cần nhớ rằng giao thông ở các phố vuông góc không thể bị chặn lại quá TRANG 28
29. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG lâu, nếu không sẽ tạo ra dòng xe dài ở các phố này. 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 thông chỉ được thực hiện trong 50s. Mỗi khi có đèn xanh các dòng 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 quãng đường tối đa. Hàng đoàn dòng 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 vô 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 thông. Giả sử các xe đầu đoàn 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 v p 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 đoàn xe chạy thông suốt ? (Trả lời bằng các kí hiệu đã cho). Nếu đoàn 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 t r nào đó để thích ứng và một thời gian nữa để tăng tốc với gia tốc a, mới đạt được tốc độ xe chạy v p. 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 thông 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 v s. 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 Giả sử một xe cách xe đầu một đoạn d đang dừng ở chỗ giao nhau số 1 và thời gian khoảng sáng của đèn xanh ở chỗ giao nhau số 2 là t gr. Nếu đèn xanh ở chỗ TRANG 29
30. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG giao nhau số 2 phải tắt khi xe cách nó một đoạn d (cho phép xe vừa đủ qua ngã tư khi đèn vàng), thì thời gian bật đèn xanh trễ hơn giữa hai ngã tư phải bằng bao nhiêu? 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 đoàn xe (với chu trình tín hiệu giao thông). 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 không phải cả đoàn 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 thông 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 thông được thiết kế tốt vẫn có thể xảy ra tắc đường. Một lần tôi 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 đoàn 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 thoát sang khu vực ngoại ô. Chúng vừa rời khỏi chỗ chen chúc, thì một sóng khởi hành chầm chậm truyền qua đoàn xe dài 2 dặm, cho phép tôi bò dần lên phía trước, mỗi lần bò 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 tôi mất hơn 2 giờ mới thoát 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. Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo Kenneth Laws là giáo sư Vật lí ở Dickinson ở Carlisle, ở đó ông giảng dạy tử năm 1962. Ông đạt được các học vị B.S. MD và Ph.D ở Caltech, trường Đại học Tổng hợp Pensylvania và trường Đại học Bryn Mawr. Từ 1976 ộng nghiên cứu vũ balê cổ điển ở Central Pensylvania Youth Ballet và ở gần đây, đã áp dụng các nguyên lí vật lí vào động tác vũ đạo. Cônmg trình này dẫn tới nhiều bài giảng và lớp TRANG 30
31. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG học trong nước và được tập hợp trong một cuốn sách ”Vật lí học của vũ đạo” xuất bản 1984 (tái bản năm 1986) bởi Nhà xuất bản Schirmer Books. 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 : “Ôi chao ! Tưởng chừng như không thể làm nổi”. Thật vậy nghệ sĩ múa nhiều khi chuyển động một cách khiến ta kinh ngạc, thậm chí đôi khi còn 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 không phải là một vật rắn mà kích thước cùng hình thể đều không đổi và dễ dàng đo được. Tuy nhiên, một số động tác trong “từ vựng” vũ đạo có thể mô 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 đòi 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 không 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 vuông 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 quán 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 không 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 còn 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 còn 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. TRANG 31
32. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Một khi đã tạo lập được độ lớn của moment quay và thời gian kéo dài của nó, thì tốc độ quay được xác đinh bởi quán tính quay của thân mình. Trong tư thế bình thường piruet trên (h-3), quán tính quay là nhỏ, và có thể đạt được những tốc độ 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 quán 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 quán 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 cô quay, nhưng thân cô 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 quán 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 còn 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. TRANG 32
33. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Một động tác khác chứng minh cho một quá trình tương tự về sự chuyển moment động lượng giữa các phần khác nhau của thân mình. Một loạt các động tác 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 vòng quay trong một loạt vòng quay fuettê. Đây là một dạng của piruet lặp, trong đó, một lần trong mỗi vòng 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 không 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 vòng 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 quán tính quay của thân mình khi quay với vận tốc góc , trong tư thế piruet bình thường là I b = 0,62 K.m2, và lúc mà chân giang ngang và quay với tốc độ quanh trục thẳng đứng, đi 2 qua khớp nối hông là I l = 2.55 K.m (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 không 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 90 0, nhưng toàn thể thân mình phải quay đủ một vòng 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 không 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 không trung, ngay cả khi nó không có moment động lượng, được không ? Thật vậy, quay với moment động lượng bằng không, là có thể được. Chú ý rằng khi, người diễn viên rời mặt sàn (h-6a), chân trái anh ta vươn ra phía trước, ở đó, nó có quán tính quay lớn, vì ở xa trục quay. Nhưng thân mình, đầu, chân phải và cánh tay đều ở gần trục quay. Do đó,chân trái với quán tính quay lớn có thể quay một góc nhỏ theo một chiều, trong khi toàn thân quay một góc lớn, - gần 180 0 theo chiều ngược lại, moment động lượng của hai phép quay cộng lại vẫn bằng không, TRANG 33
34. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG trong suốt cả quá trình quay. Sau đó, khi đã quay rồi, các chân liền đổi vị trí, chân trái hạ xuống để tiếp đất, còn chân phải lại đưa lê tư thế tương tự trên không, nhưng bây giờ, ở sau thân mình. Sự quay đầy đủ được thực hiện mà không có moment động lượng toàn 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 không có thể biểu diễn hoàn toàn đơn giản, và chứng minh cho nguyên 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, vòng 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 quán 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 không, từ vị trí đầu, mô 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 ! Vật Lí về không trọng lượng 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 không 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 Không Gian của California thuộc trường Đại học Tổng hợp California, San Diego. TRANG 34
35. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Các chuyện kể trên báo chí, mô tả các nhà du hành vũ trụ “thoát khỏi sức kéo của trong lực Trái Đất” đã thúc giục một cô giáo trường cao đẳng trung than phiền 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 “không có trọng lực”. Đúng ra, tàu vũ trụ con thoi không thoát 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 “không có trọng lượng”, họ sẽ nổi lơ lửng trên bất kì cái cân nào gắn vào sàn. Họ không có trọng lượng không phải vì “thoát 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 không gian giữa các hành tinh, nếu không có lực nào tác dụng vào nó. Nó sẽ không 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 không khí (và có lẽ bởi các tòa 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 vòng 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 không 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 không 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 lông chim lên bề mặt Mặt Trăng (không có khí quyển, do đó, không có sức cản không 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 TRANG 35
36. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG tất – đều rơi với cùng một tốc độ, nên chúng không chuyển động đối với nhau. Chúng “nổi” lơ lửng. Tác dụng sinh lí của trọng lực Cũng có nhiểu tác dụng sinh lí liên quan với sự không có trọng lượng. Thân thể con người phát triển trên mặt Trái Đất ; nó chịu nhiều thay đổi nếu nó ở trong môi 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 không có lực kéo xuống tác dụng vào cột sống, nên các đĩa xốp trong cột sống không 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 còn 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 không 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 không 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, không có “phương ưu tiên”, không có “lộn ngược” hay “lộn xuôi”. Về phương diện sinh lí, không 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 không thẳng. Khi không có trọng lượng, các phần tử nhạy đó không ghi nhận được các sai khác trong sự định hướng và không 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 không gian bên ngoài Các nhà du hành vũ trụ phải thích nghi với một môi trường không thể bắt chước được trên Trái Đất. Các vật khi không có trọng lượng hình như chịu tác động của một loạt định luật vật lí khác. Thực ra, thì vẫn những định luật vật lí ấy, tuy nhiên, có sự tham gia của các định luật ấy thể hiện kém rõ rệt. Thí dụ, trên Trái Đất các hiệu ứng ma sát làm cho khó nghiên cứu các định luật Newton về chuyển động. Ma sát rất khó loại trừ vì trọng lực. Trong lực giữ cho các vật tiếp xúc với sàn, với bàn, hoặc với đất. Khi trọng lực không giữ cho các vật tiếp xúc với nhau nữa, thì rất dể loại trừ các hiệu ứng ma sát. Trạng thái không trọng lượng là một cải tiến lớn cho cái bàn có đệm không khí. Thật vậy một nhà du hành vũ trụ có thể coi là một bộ phận không tự nguyện của một phòng thí nghiệm sơ đẳng. Các định luật Newton về chuyển động trở nên rất thực và cái đụng chạm đến một vài thói quen. Các nhà du hành bị đặt đứng yên ở một cabin không có khả năng với được tới sàn, tới trần hoặc bất kì bức vách nào và sẽ ở yên – bị bỏ rơi ở giữa cabin – cho đến lúc một người TRANG 36
37. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG bạn đến bên để cung cấp một ngoại lực. Một củ lạc ném cho chuyển động sẽ chuyển động cho đến lúc nó va vào tường, vào sàn hoặc miệng một người nào đó. Và một cái vỗ vai mạnh có thể cho một xung đủ để làm cho một nhà du hành bị kéo lê qua phòng. 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 không 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 không 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 không quay. Các hiệu ứng của lực căng mặt ngoài là rất hiển nhiên trên Trái Đất : hình dáng của bong bóng xà phòng, giọt nước treo ở đầu vòi 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 ngoài 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 không có trọng lượng, lúc đó chất lỏng đúng là co lại thành hình cầu. Trên Trái Đất, cái đó không thể hiện rõ : sữa đổ đọng thành vũng trên sàn ; khi không có trọng lượng, sữa đó không tung toé 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 ngoài 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 không 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, côc- tay tôm, 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 yên trên thìa. Lực căng mặt ngoài giữ cho thức ăn đã pha nước ở trên thìa, nhưng cũng giúp cho đồ lỏng thoát 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 ngoài. TRANG 37
38. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Trên quỹ đạo, một cột chất lỏng không có trọng lượng : không có áp suất thủy tĩnh, và do đó không có các hiệu ứng nổi và kết lắng : các nút bầu (li-e) không nổi, một cái bọt sẽ không dâng lên trên mặt chất lỏng (nghĩa là các chất khí hòa tan vẫn nằm yên trong các đồ uống có ga, khiến chúng không ngon lắm) và sẽ không có lớp socola nào lắng ở đáy một cốc sữa socola. Chính nguyên 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 không 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 không có trọng lượng, thì không xảy ra đối lưu. Một lần nữa, vì có một cột không khí (chẳng hạn) không có trọng lượng nên không khí nóng không 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 toàn 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 ôxy của không khí bị cháy và bị cạn ở xung quanh ngọn lửa, thì không khí nóng đi lên và không khí lạnh đi đến để thế chỗ cho nó và để cung cấp thêm ôxy cần tiêu thụ. Không 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 thông 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 môi trường sống không bình thường. Nó cũng là môi 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. Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném Peter J. Brancazio là giáo sư vật lí ở Học viện Brooklyn, Trường Đại học tổng hợp City ở New York. Ông 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 ông 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, ông 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, không 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 không khí không 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 không 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 TRANG 38
39. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG chuyển động, cũng như do vật chuyển động trong chất lưu đứng yên : tức là lực được tạo ra bởi chuyển động tương đối. Việc nghiên cứu động lực học của chất lưu có giá trị thực tiễn rất lớn, trong một diện rộng, từ sự chảy của máu trong các mao mạch, đến việc thiết kế các con tàu, ô tô và máy bay. Tuy nhiên, có thể là một điều bất ngờ, khi được biết cũng chính các nguyên lí ấy lại được vận động viên sử dụng để nâng cao thành tích của họ trong nhiều môn 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 gôn không 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 không khí, ở nhiệt độ phòng, nước nhớt gấp chừng 40 lần không 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 trò : 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 dòng đuôi, mà tính chất đặc trưng là có áp suất thấp và chuyển động xoáy, hay không 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 thuôn”, 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 vuông góc với một phương chuyển động. Bất chấp tên gọi của nó, lực nâng phải được hiểu, không 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 vuông góc với vận tốc. TRANG 39
40. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Sức cản khí động lực học Lực cản tác dụng vảo một vật chuyển động trong một chất lưu bao giờ cũng tác dụng như một lực làm giảm tốc, nói chung, là giảm tốc độ chuyển động của vật đối với chất lưu. Nói chung, lực cản được sinh ra do sức cản nhớt lẫn sức cản theo hình dạng. Lực cản nhớt là quan trọng đối với những vật tương đối nhỏ chuyển động chậm trong chầt lưu nhớt. Đối kích thườc và tốc độ của vật bị ném, trong các môn 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 vuông góc với dòng 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 dòng chảy. Nói chung vật nào thuôn 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 C D bằng một phép đo trực tiếp. Cách làm tiêu chuẩn là đặt vật (hoặc một mô 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 kkhông 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). Môn thể thao sử dụng sự kiện các vật rơi tiến dần tới một tốc độ cuối cùng trong không khí, là môn 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 TRANG 40
41. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG hệ số cản và diện tích mặt trước. Khi giang cánh kiểu đại bàng với tay và chân giang rộng, người nhào lộn trên không chịu một lực cản lớn nhất và có tốc độ cuối cùng thấp nhất. Khi một vật rơi trong không khí gần tới tốc độ cuối cùng, thì chuyển động của nó lệch một cách đáng kể khỏi sự rơi tự do. Một cách tương tự chuyển động của một vật bất kì, bị ném như một viên đạn, sẽ lệch một cách rõ rệch khỏi đường đi parapol đối xứng theo lí thuyết, nếu tốc độ ném của nó sánh được với tốc độ cuối cùng của 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 không ; 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, quá 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 không 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 không khí chỉ khoảng 60% của nó trong chân không (xem h.4-14, về đồ thị so sánh). Do có kích thước lớn và hình dạng không 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 thuôn 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 không 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 “xoáy lại” (tức là xoáy cho mũi hướng xuống khi bóng đi xuống – một kết quả của việc sút bóng xoáy) 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 hoàn toàn do vận động viên cung cấp – một điều đặc biệt quan trọng là giữ cho lực cản được hết sức nhỏ. Trong môn trượt tuyết xuống dốc, trong đó đạt tốc độ cao đến 80 dặm/h (130 km/h) thì lực cản khí động lực hiển TRANG 41
42. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 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. 1. Giảm nhỏ diện tích hiệu dụng của mặt trước. Các vận động viên được dạy để giữ một thế đứng, trong đó thân thể họ va chạm hết sức ít với không khí. Bằng cách giữ cho phần trên của thân song song với mặt đất, chứ không vươn thẳng lên, diện tích hiệu dụng của mặt trước của thân mình có thể giảm được chừng 25%. 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 không 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 khuôn. 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 dòng khí thuôn hơn trong không khí quanh đầu họ. 3 .Mặc áo nhẵn, che kín da thịt. Quần áo mặc không khít làm tăng diện tích của vận động viên và tạo ra dòng xoáy. “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 ngoài 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 ngoài – 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 vuông 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 vuông 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 TRANG 42