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

Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - 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

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 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 vàướt là khoảng 0,7 và 0,4 Giá trị này nằm giữa khoảng giá trị rất lớn khi khô (0,9) vàrất 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 dẻocủa chúng và độ dãn của cao su Thay vì chỉ phụ thuộc hệ số ma sát giữa bề mặtđường và lốp xe (hệ số này quyết định bởi bản chất của mặt đường và cao su củalốp xe) Khả năng dừng tối đa cũng còn phụ thuôc vào độ bền của lốp xe với lực xérách khi xe thắng gấp Khi xe thắng gấp trên đường khô, lực ma sát tạo ra có thể lớnhơn sức bền của bề mặt lốp xe Kết quả là thay vì chỉ bị trượt trên đường, cao su cóthể bị xé rách Rõ ràng độ bền chống lại xé rách sẽ phụ thuộc vào lớp bố cũng nhưhình dạng các khía

Trọng lượng của xe được phân bố không đều trên diện tích tiếp xúc với mặtđường, tạo các vùng áp suất cao thấp khác nhau (giống như khi bạn đi bộ bằng dépmỏng 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 bạnlái xe trên đường tốt, bạn chỉ cần lốp xe có khía vừa phải Nếu bạn lái xe trên đườngbùn 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 tăngtốc” Lốp xe đua trên đường khô có bề mặt tiếp xúc nhẵn Lốp có khía được dùngphổ biến để tạo rãnh cho nước thoát ra khi chạy trên đường ướt (Hình P.102) Bởi vìnếu 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 vàxây dựng những cây cầu dài hơn, đẹp hơn

Những cây cầu đầu tiên là những thân cây hay tấm đá gác lên hai bờ Khoảngcách giữa những tấm đó phụ thuộc vào chiều dài và sức bền của vật liệu Sự pháttriển của giàn cầu, một tổ hợp các xà nối với nhau sao cho mỗi thanh chia một phầntrọng 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 nhẹhơn và cứng hơn một thanh đơn và có thể chịu tải trên một khoảng cách lớn hơn.Trong thuật ngữ hiện đại thiết kế giàn cầu cần kiến thức về sự cân bằng và sức bềnvật liệu

Hình P.201 - Cầu Mỹ

Thuận thuộc tỉnh Vĩnh

Long - Việt Nam là một

cầu treo chống đỡ tải trọng

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 cầuvòng 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 lựcnén 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 dâycáp thép giữa những trụ cao Đầu dây cáp được neo trên bờ bên kia bằng các chỗneo bằng bêtông cứng Nhờ có tỉ số sức bền trên trọng lượng lớn, cầu treo có thểlàm dài hơn các loại cầu khác Cầu Askashi-Kaikyo ở Nhật là cầu có nhịp dài nhấttrên thế giới, với khoảng cách 170m giữa các trụ

Các cầu treo ngày nay dựa nhiều vào các nhà thiết kế của cầu Brooklyn, JohnRoebling 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 nămsau, việc thiết kế hoàn thành, John Roebling chết vì bệnh uốn ván do tai nạn ngay tạichỗ làm cầu Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ và giám sát việc xây dựng bằng cáchdùng 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 làcó

Thực phẩm bạn ăn là nhiên liệu cung

cấp năng lượng cho bạn tồn tại và làm việc

Các chất xúc tác, gọi là các enzyme, cho

phép đốt cháy nhiên liệu này ở nhiệt độ cơ

thể, biến đổi năng lượng hoá học thành

nhiệt và năng lượng khác Nếu bạn nạp vào

quá nhiều nhiên liệu, một phần năng lượng

sẽ được lưu trữ trong khối lượng cơ thể và

bạn sẽ tăng cân Nếu bạn nạp vào quá ít

năng lượng, bạn sẽ giảm cân Do đó, nếu

bạn muốn duy trì cân nặng, năng lượng bạn

nạp vào phải bằng năng lượng cơ thể bạn

sử dụng Sự cân bằng năng lượng này đôi

khi được gọi là năng lượng đủ sống

Ở mọi nơi trên thế giới, năng lượng đều được đo bằng Jun Calori là đơn vịdùng 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 trìnhbày năng lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng cơ thể Đường biên dưới ứng vớingười ít hoạt động Đường biên trên ứng với người rất hoạt động Ở Mỹ hầu hết mọingười 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 cầnkhoảng 8000 Calori mỗi ngày

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

Số Calori dùng bởi người nặng 70kg trong 10 phút

Trượt tuyết (đường bằng) 108 452,000

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 nhậnmáu giàu oxy từ phổi và bơm nó đi khắp cơ thể qua động mạch Máu chảy từ độngmạch đến tĩnh mạch qua các mao mạch

Y học quan tâm đến áp suất trong hai hoạt động của quả tim: huyết áp TâmThu, khi trái tim co lại; và huyết áp Tâm Trương, khi tim nghỉ giữa hai nhịp đập Hoạtđộng bình thường của trái tim làm cho huyết áp dao động giữa hai giá trị này Giá trịcao hay thấp bất thường của huyết áp có thể chỉ ra tình trạng bệnh tật vơí mức độnghiêm trọng khác nhau

Cách trực tiếp nhất

để đo huyết áp là nhét một

ống đầy chất lỏng vào

động mạch và nối nó tơí

một máy đo áp suất Mặc

dù điều này thỉnh thoảng

được làm, nhưng nó rất

bất tiện Phương pháp

thường được dùng nhất là

dùng một máy đo huyết áp

Một băng không đàn hồi có

ruột có thể thổi phồng lên

được được đặt vào cánh

tay, ở độ cao vào cỡ độ

cao của tim Băng được

nối trực tiếp tơí áp kế(Hình

P.401) Khi băng được bơm phồng; nếu đủ áp suất, máu chảy qua động mạch tay sẽdừng lại Nêú băng đủ dài và bó sát vào cánh tay, áp suất trong mô của cánh tay sẽbằng áp suát trên băng và cũng bằng áp suất trong động mạch Thực tế là nguyên lýPascal 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 đườngchấm chấm trên hình P.401 Tại điểm mà áp suấtđộng mạch hơi vượt qua áp suất trong băng, máu sẽchảy qua Sự tăng tốc của máu qua mạch sẽ tạo ramột tiếng kêu nhận biết được nhờ ống nghe Khi cótiếng kêu này, áp kế chỉ áp suất cực đại hay tâm thu.Khi áp suất trong băng tiếp tục giảm, có một tiếng kêukhác, ứng vơí áp suất tâm trương Số đọc trên hìnhP.401 ứng vơí hai áp suất này và thường đọc là “110trên 80” là giá trị bình thường cho người khoẻ mạnh

Số đo thực hiện bằng kỹ thuật này có thể thănggiáng tuỳ theo cách quấn băng cũng như việc ước lượng điểm tại đó âm thanh thayđổi Tình trạng của áp kế, kích thước của tay và tốc độ băng được bơm hơi và nhảhơi cũng có thể có ảnh hưởng Hình P.402 so sánh áp huyết đo trực tiếp từ độngmạch 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 vàHUYẾT ÁP

Sphygmomameter cuff băng của máy đo huyết ápInflation bulb bóng bơm hơi

Diastolic pressure áp huyết tâm trươngsystolic pressure áp huyết tâm thucuff pressure áp suất trong băngArterial pressure pulses xung áp suất động mạchIntraarterial pressure áp huyết trong động mạchcuff pressure áp huyết trong băng

Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều

Thủy triều là quen thuộc với bất cứ ai đã từng sống gần bờ biển Ngoài biểnkhơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét Khi thủy triều tiến gần bờ, địa hình của bờthường 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 điệnkhác

Thủy triều chủ yếu gây ra do sức hút của Mặt Trăng Ngoài thủy triều trên đạidương, Mặt Trăng cũng gây ra điạ triều trên mặt đất, nhưng điạ triều khó quan sáthơn 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 vìlực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, phần nước ở phía Trái Đấtgần Mặt Trăng sẽ bị hút về Mặt Trăng với lực lớn hơn lực trung bình, trong khi phầnnước ở phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ hơn lực trung bình Hơn nữa chuyểnđộng của Trái Đất quanh khối tâm cũng làm tăng chổ phồng của thuỷ triều về phíaMặt Trăng Kết quả là xuất hiện hai chỗ phồng lên của đại dương ở hai phía đối nhaucủa 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

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 địnhluật III Newton, một moment lực với cùng độ lớn sẽ tác động lên Trái Đất làm nóquay 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 quaychậm lại, và tuần trăng sẽ ngắn lại do Mặt Trăng quay nhanh lên Do sự tăng củavận 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 mỗinăm, và Mặt Trăng đang đi xa khoảng 3cm mỗi năm Các tính toán chỉ ra rằng MặtTrăng sẽ tiếp tục đi xa Trái Đất cho đến khi nó đạt khoảng cách khoảng 75 lần bánkính Trái Đất Khi đó độ dài của ngày trên Trái Đất sẽ bằng tuần trăng, và Trái Đất vàMặt Trăng sẽ quay cùng tốc độ Khi đó Trái Đất sẽ luôn luôn quay một mặt về phíaMặt 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 MặtTrăng vì sự quay của Trái Đất Hình nhìn từ trên cực xuống (kích thước thuỷ triều đãphóng 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 mộthiện tượng vật lí lý thú xảy ra mỗi khi bạn thở Nó luôn luôn xảy ra mà có thể bạnkhông hề biết, nhưng hiện tượng đó thật là kỳ diệu

Không khí đi vào hai cuống phổi và chianhánh 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 Phổingười lớn có khoảng 600 triệu phế nang.Sức căng bề mặt của chất phủ mặt trong củaphế nang điều khiển nhiều chức năng quantrọng của phổi Trước hết, hãy xét hai quảbóng 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 tolên trong khi quả bóng nhỏ lại cho đến khimất hẳn Chúng ta có thể hiểu được điềunày trên quan điểm năng lượng Giống nhưmột giọt chất lỏng tự do có hình cầu để làmgiảm tối thiểu năng lượng bề mặt, các bongbóng xà phòng cũng biến đổi sao cho diệntích bề mặt là tối

thiểu Diện tích bề mặt của một quả cầu lớn sẽ nhỏ hơn

khoảng 30% so với diện tích bề mặt của hai quả cầu nhỏ

với cùng thể tích như quả cầu lớn Do đó, khi mở van, hai

bong bóng sẽ nhập thành một

Nếu hiệu ứng bóng bóng lớn thu lấy bóng bóng nhỏ

xảy ra trong phổi, các phế nang nhỏ hơn sẽ biến mất và

các phế nang lớn hơn sẽ to lên Điều này không xảy ra nhờ

chất bề mặt phổi, chất này phủ bên trong phổi Thực

nghiệm chứng tỏ rằng sức căng của chất bề mặt phổi tăng

theo diện tích, trái với nước và hầu hết các chất lỏng khác

Điều này có nghĩa là năng lượng bề mặt của các phế nang

lớn hơn Mặc dù có tỉ số bề mặt trên thể tích nhỏ hơn,

năng lượng bề mặt vẫn có thể bằng năng lượng bề mặt của phế nang nhỏ hơn Do

đó các 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 diệntích cũng giải thích một hiện tượng khác trong phổi Nếu bạn hít một hơi dài rồi thảlỏng cơ ngực, không khí sẽ bị đẩy ra khỏi phổi Một lý do của điều này là tính đàn hồicủa 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 hiệntường 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 vơídiện 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 cósức 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 bềmặt làm cho phổi khó nở ra Nếu không dược chữa trị tức thời, những em bé này sẽchết 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 Cácđường 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 hiệusuất động cơ Nhưng điều này có thể tiến đến mức nào? Chúng ta hãy tìm hiểu bằngcách 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

đây chúng ta sẽ xét động cơ xăng như là đại diện cho

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 rangoài 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 caohơn, rồi đi theo đường đoạn nhiệt đến điểm A trong kỳ sinh công Việc mở van xảlàm cho áp suất giảm đẳng tích xuống điểm B, và tiếp đó là sự giảm thể tích ở ápsuất 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 trìnhOtto với chu trình Carnot hoạt động cùng giữa hai nhiệt độ sẽ thấy hiệu suất của chutrình Carnot cao hơn chu trình Otto Chu trình Otto lại có hiệu suất lớn hơn chu trìnhthực của động cơ Động cơ xăng thực tế chỉ có hiệu suất khoảng 20-25%, khoảngbằng 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 suấtcao hơn Các cảm biến điện tử được lắp đặt để điều khiển việc xả, và việc máy tínhkiểm soát hỗn hợp không khí nhiên liệu nay đã phổ biến Các tiến bộ khác như đốtsạch, 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 tínhkiểm 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

Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động của động cơ bốn thì Pít-tông đi xuống và đi lênhai 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

Air and fuel hỗn hợp không khí và nhiên liệu

exhaust valve van xả

Intake stroke kỳ hútcompression stroke kỳ nénpower stroke kỳ sinh côngexhaust 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 ngànngười được chuyên chở trên không đi khắp thế giới Một chiếc máy bay nặng hơnkhông 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 đãthử 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 Giữmép giấy gần miệng và thổi mạnh ở phía trên tờ giấy (Hình P.803) Chuyển độngcủa dòng không khí phía trên tờ giấy làm tờ giấy nâng lên Hiệu ứng này cũng giốngnhư hiệu ứng nâng cánh máy bay Thêm vào đó, góc đụng, hay độ nghiêng củacánh đối với dòng khí, có thể được thay đổi để làm tăng lực nâng Nếu mép trướccủa cánh cao hơn mép sau, lực không khí tác dụng vào phía dưới cánh sẽ nhiềuhơn 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 khôngcòn 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) đềutăng Cánh máy bay được thiết kế sao cho phi công có thể thay đổi hình dạng cánhtrong khi bay, tạo ra lực nâng lớn hơn ở tốc độ thấp khi cất cánh và hạ cánh và giảmbớt 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 máybay 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 khehướng lớp không khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy và tăng lực nâng Ởtốc độ cao, phi công đóng khe lại và thụt các cánh phụ vào để giảm lực kéo Hànhkhách 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 giảthiết 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

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 dàicủa 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 đoánnày rút ra trên cơ sở mô hình về tiêu thụ năng lượng cực tiểu và mô hình rất dơngiản 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 vớitiết 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 phươngcủa 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 Mộtlần nữa chúng ta giả thiết rằng tất cả các chân có cùng tỉ lệ, tức là chiều rộng vàchiều 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 mộtMoment 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 khôngđúng 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 nhữngngười chân ngắn, trong khi tốc độ của họ khi chạy không phải luôn luôn lớn hơnnhững 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.1001minh họa cường độ của âm thanh nhỏ nhất mà tai có thể nghe được ở các tần sốkhác nhau Miền cực tiểu của đường cong là nơi tai nhạy nhất ứng với tần số 3-4kHz 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 giữabiên độ và cường độ Để tìm biên độ của một âm thanh có thể nghe được bởi mộtngười thính tai, chúng ta có thể dùng giá trị tối thiểu có thể nghe thấy được củacường độ, là 10-12W/m2 , và tần số 4000Hz ứng với vùng tần số nhạy nhất Khidùng các giá trị này, cùng với các tham số thích hợp khác, chúng ta tìm ra biên độdao động khoảng 3 x 10–12m Đây quả thật là một sự dịch chuyển rất nhỏ; nó cỡ gầnbằng 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 làtần số của tiếng khóc trẻ sơ sinh Tuy nhiên, vùng này hơi cao hơn dải tần số củatiếng nói người lớn, chủ yếu nằm trong miền 500-2000Hz Các máy trợ thính thụđộng 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 taingười 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 taiphục hồi khả năng nghe trở lại Tai sẽ bị hư hỏng nhiều hơn nếu nghe tiếng ồn lặplại 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 nhạclớn 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 biếnkhắp thế giới Nhiều người không suy nghĩ gì khi dùng nó để hâm thức ăn, hay khinấu nhanh một món gì đó Nhưng tại sao lò vi sóng nấu nhanh như vậy? Nó hoạtđộng 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 nhanhchóng, 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 visóng đi vào khoảng 2 đến 4 cm Khi nó đi vào, nó bị hấp thụ, làm toả ra nhiệt do sựphá vỡ liên kết giữa các phân tử khi các phân tử nước đổi hướng quá nhanh

Lò vi sóng có thể nấu nhanh chóng là vì vi sóng đi xuyên qua lớp ngoài củathức ăn và nung nóng ngay bên trong lòng thức ăn Trong lò thông thường, nănglượng 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 Hiệuứng này được giảm bớt bằng cách dùng cac cánh quạt (bộ khuấy) để làm tan sóngđứng và bằng cách quay mâm đựng thức ăn Thức ăn đựng trong hộp kim loại sẽkhông 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, đủcao 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 ranhằm hạn chế bức xạ có thể thoát ra từ lò vi sóng Ở Mỹ tiêu chuẩn này qui định ởkhoảng cách 2cm từ cửa lò mật độ năng lượng bức xạ không được vượt quá1mW/cm2 Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng ở mức từ 0,1 đến 1,0 mW/cm2 khônggây nguy hiểm rong khoảng thời gian 8 giờ Để an toàn, một vỏ đóng kín bảo đảmcho bức xạ không thoát ra khỏi lò Thêm vào đó, điện tự ngắt khi bạn mở cửa lò, đểcho phép bạn thấy bên trong lò, hầu hết các lò vi sóng có một cửa sổ bằng lưới kimloại Lưới này là không trong suốt với bước sóng dài nhưng có thể cho ánh sáng điqua

Máy ghi điện tâm đồ

Ứng dụng của điện tử học trong công nghiệp,viễn thông, máy tính và giải trí là đáng kể Tuynhiên, điện tử học còn có ảnh hưởng lớn lao đến yhọc 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 mụcđích chẩn đoán khác Một trong những ví dụ kinhđiển về điện tử trong y học là máy ghi điện tâm đồ,một công cụ đã trở thành tiêu chuẩn trong chẩnđoán Về cơ bản máy ghi điện tâm đồ bao gồmmột bộ khuếch đại điện tử gắn với những máy ghi

để biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của mộtđiện thế gắn liền với nhịp

tim Ở trạng thái nghỉ bìnhthường, các cơ như là tráitim, có điện tích âm bêntrong 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 đổinhanh điện tích xảy raqua màng, tạo ra sự khửcực Thực tế sự trao đổiion đi qua màng thườngtạo ra một sự phân cựcngược nhỏ (HìnhP.1301b) Ngay sau khikhử cực, cơ quay về trạng thái ban đầu vàphân cực trở lại (Hình P.1301c) Chuỗi thay đổinày 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 hoạtđộng khoảng 100mV (Hình P.1302) Kết quả của các hoạt động này là một xung điệnxảy 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, điệntâm 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 độngđiện của não có thể ghi lại theo cách cơ bản giống như đã làm với tim Ở bề mặt dađầu tín hiệu này chỉ có độ lớn cỡ 50mV Do đó, để ghi được sóng não, các hoạtđộng 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 khôngphải 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 taytới cùi chỏ có thể gây đau và khó chịu nhưng cũng dòng điện đó nếu đi từ tay nàysang tay kia ngang qua ngực có thể gây chêt người

Dòng điện có thể gây nguy

hiểm cho cơ thể theo ba cách:

được Dòng điện cỡ 20mA có thể làm khó thở và dòng điện cỡ 75mA có thểlàm ngưng thở hoàn toàn

Dòng điện giữa 100 và 200mA làm cho tim loạn nhịp Kết quả có thể chếtngười Ở dòng điện lớn hơn, tim có thể ngừng đập hoàn toàn không loạn nhịp Trongtình trạng này, cơ hội sống sót có thể tốt hơn, vì nhịp tim dễ khôi phục khi ngưng hẳnhơn là khi loạn nhịp Liệu pháp để chống loạn nhịp dùng trong cấp cứu là dùng mộtxốc 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

muscle paralysis liệt cơ

severe shock sốc nghiêm trọng

breathing stops ngưng thở

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

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

Hạt nhân của nguyên tử hydro(proton) cómoment lưỡng cực từ, khi các proton này đặt trong từtrường đều, hầu hết các moment từ này sẽ xếp theohướng của từ trường vì đó là trạng thái có nănglượng cực tiểu Khi đó nếu proton chịu tác dụng củasóng điện từ tần số cao ở tần só cộng hưởng một số

sẽ bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơntương ứng với trạng thái xếp ngược chiều từ trường.Khi đó, năng lượng của sóng tới bị hấp thụ cộnghưởng Chính do sự hấp thụ cộng hưởng này màphương 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 hưởngcủa mỗi hạt nhân Hydro phụ thuộc vào trường tác dụng lên nó Nếu trường khôngđều, mà biến đổi tăng dần(gọi là gradient từ trường), thì tần số cộng hưởng sẽ phụthuộc vào vị trí của hạt nhân trong trường Do đó tín hiệu cộng hưởng từ sẽ chothông tin về vị trí của các moment từ hạt nhân Nếu sự tăng của từ trường đượckiểm soát chặt chẽ, thì chúng ta sẽ thu được hình ảnh về mật độ của các nguyên tửHydro ở trong vật

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 trongviệc 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 cáchướng 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 nănglượng của sóng này rất nhỏ, MRI là an toàn hơn nhiều so với tia X, vì tia này có thểphá vỡ liên kết hóa học trong cơ thể

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

Phương pháp MRI làm lộ rõ cấu trúc khác nhau giữa não bộ của một người lớntrưởng 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 thểnhìn thấy ở vùng màu xám nhạt trên hình Tuy nhiên, không phải tất cả mọi bệnhnhân tâm thần phân liệt đều có dấu hiệu không bình thường này

Nghịch lí anh em sinh đôi

Một điểm hấp dẫn của thuyết tương đối là nghịch lí anh em sinh đôi Vấn đềnày đươc phát biểu một cách đơn giản Tưởng tượng có 1 cặp sinh đôi giống hệtnhau, một là nhà khoa học và một là phi hành gia Phi hành gia đi tàu vũ trụ lên thămmột 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 tuổitrong 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 phihành 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 giatốc khi quay quanh ngôi sao, rối gia tốc khi quay về Trái Đất Không phụ thuộc vàochuyến bay tiến hành như thế nào, phi hành gia buộc phải gia tốc lúc ra đi và lúcquay 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 cóthể coi Trái Đất là hệ qui chiếu quán tính, người sống trên Trái Đất sẽ có quan điểmđúng: 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 điphi 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

gian đó Chỉ sau khi họ cùng gặp lại nhau trong cùng hệ qui chiếu quán tính họ mớithấy sự khác biệt.

Hình P.1701 - Thiên hà Centaurus A ở khoàng cách từ 10 đến 28 triệu năm ánhsáng, 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 vớivận 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 bàotrong suốt

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

Thiết bị thí nghiệm tạo ra một nháy sáng khoảng 0.1s rơi vào một vùng võngmạc có khoảng 500 thụ thể que Ánh sáng có cường độ cực đại tại 510nm, tươngứng với vùng nhạy nhất của thụ thể que Mục đích thí nghiệm là nháy sáng ngẫunhiên và hỏi xem lúc nào thấy nháy sáng Cường độ của ánh sáng được hạ thấp tớimức 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 rấtnhỏ! 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 thụthể que Một số photon bị phản xạ bởi giác mạc và thủy tinh thể Thêm vào đó, chấtlỏng trong mắt cũng hấp thụ hay tán xạ khoảng một nửa ánh sáng, do đó chỉ khoảng

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 thínghiệm 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 mộtphoton là rất nhỏ Do đó, chúng ta kết luận rằng một photon sẽ kích thích một thụ thểque Nhưng kích thích một thụ thể que không đủ – phải 5 hay nhiều hơn bị kích thíchđồng thời mới thấy được nháy sáng

Làm sao chúng ta giải thích được chỉ cần 1 photon là kích thích được một thụthể que, nhưng phải 5 photon mới gây được cảm giác sáng? Các thụ thể que bị kíchthích khi chúng được cung cấp đủ năng lượng, năng lượng này là do photon cungcấp Nhưng năng lượng này cũng có thể là năng lượng nhiệt của môi trường Tínhtoán 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 sựkích 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 sóngcủa 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 từtrường thích hợp Ví dụ, từ trường của solenoid tác dụnggiống như một thấu kính

hội tụ đối với electron(Hình P.1901) Trong kínhhiển 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 cầnkhảo sát Khi chùm quét qua mẫu, electron tới(electron sơ cấp) làm bật ra cácelectron thứ cấp từ bề mặt của nơi chùm tới hội tụ, các electron thứ cấp này đượchội tụ vào một điện cực dương Cường độ của dòng thứ cấp thay đổi khi chùmelectron 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 độđược dùng để tạo nên một ảnh giống như ảnh tivi trên đèn hình; tạo nên hình ảnh 3chiều (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 kimloại Indi dùng để làm điện cực, mỗi diod được đặt cách nhau 100mm, tính từ tâmđến tâm

Màn hình tinh thể lỏng

Hãy nhìn quanh bạn Rất có thể xung quanh bạn đang có một màn hình tinh thểlỏng (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 theotrục phân tử Một

lớp mỏng vật liệunày được kẹpgiữa điện cựctrong suốt và tấmlọc phân cực(Hình P.2102)

Hai tấm phân cựcđược đặt vuônggóc với nhau Hai

bề mặt được xử

lý sao cho cácphân tử songsong với bề mặtnhưng quay mộtgóc 90o từ đỉnh xuống đáy khi không có điện thế giữa cácđiện 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 90o.Ánh sáng đi qua tấm phân cực thứ hai, đập vào tấm phản xạ rồi phản xạ trở lại hệthống

Khi có hiệu điện thế đặt vào tinh thể lỏng, các phân tử quay theo hướng điệntrường Mặt phẳng phân cực của ánh sáng sau khi qua tấm phân cực không đượcquay nữa Do đó, tấm phân cực thứ hai sẽ không cho ánh sáng qua Nếu màn hìnhdạng đoạn được dùng, các đoạn có điện thế sẽ trở nên tối trên nền sáng Nếu đặthai 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 khidài 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, cácdòng xe kéo dài qua nhiều ngã tư sẽ bịchặn lại làm cả khu vực bị tắc đường Bởi

tắc nghẽn mới có thể dịch chuyển, nên cóthể cần nhiều giờ để giải phóng các xe kẹttrong vùng bị tắc

Giả sử bạn phải xây dựng hệ thống đènđiều khiển giao thông cho một đường phốmột chiều, trong đó có một số đường phốhẹp có lưu lượng giao thông lớn vào giờcao điểm Đèn xanh cần sáng trong 50s,đèn vàng 5’, và đèn đỏ 25’ (các số liệu nàytiêu biểu dùng cho đường có mật độ giaothông cao trong thành phố) Để tăng lưulượng giao thông tốt hơn bạn có xu hướngtăng thời gian sáng của đèn xanh, hoặcgiảm thời gian sáng của đèn đỏ Tuy nhiênbạn cần nhớ rằng giao thông ở các phốvuông góc không thể bị chặn lại quá lâu,nếu không sẽ tạo ra dòng xe dài ở các phốnày

Vậy bạn phải đặt thời gian sáng cho đèn xanh như thế nào ở chỗ các đườnggiao nhau khác nhau ? Nếu bạn bố trí cho mọi đèn xanh cùng sáng đồng thời thìgiao thông chỉ được thực hiện trong 50s Mỗi khi có đèn xanh các dòng xe chuyểnđộng dọc trên đường cho đến khi tất cả các đèn đều chuyển đồng thời qua đỏ Cáclái 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 cuộcđua rõ ràng là nguy hiểm.

Một cách thiết kế tốt hơn và an toàn hơn là xếp xen làm sao cho đèn xanh tạimỗi 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 xeđầu đoàn vừa tới chỗ giao nhau số 2, ở đó đèn xanh đã sáng từ khi các xe này còncách chổ giao nhau một đoạn d Chúng tiếp tục chuyển động với tốc độ vp nào đó(tốc độ giới hạn) để đến chỗ giao nhau số 3, ở đây dèn xanh bắt đầu sáng khi chúngcách 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 đènxanh ở chỗ giao nhau số 2 để đoàn xe chạy thông suốt ? (Trả lời bằng các kí hiệu đãcho)

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 đâyđèn tín hiệu chuyển sang xanh thì người lái xe cần một thời gian tr nào đó để thíchứng và một thời gian nữa để tăng tốc với gia tốc a, mới đạt được tốc độ xe chạy vp.Trong thời gian tăng tốc thì xe đi được một đoạn đường nào đó nhưng nhỏ hơn lànếu 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 giaonhau số 2 cần bật xanh khi xe cách nó một đoạn d, thì đèn xanh này phải bật sauđèn 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 ngừngtrệ 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 sauvới vận tốc vs Mỗi lái xe chỉ bắt đầu phản ứng khi sóng này tới họ Những xe đứngsau 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 thờigian khoảng sáng của đèn xanh ở chỗ giao nhau số 2 là tgr Nếu đèn xanh ở chỗ giaonhau số 2 phải tắt khi xe cách nó một đoạn d (cho phép xe vừa đủ qua ngã tư khiđèn 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 đườngphố, 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 toànxanh) Các đường cong chỉ các thời gian gia tốc ban đầu ; các xe càng ở xa hơn vềphía sau càng bắt đầu gia tốc muộn hơn Đèn xanh ở mỗi chỗ giao nhau được bậtsớm 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 1trước khi đèn chuyển sang đỏ Nếu hiện tượng này lặp lại đối với một số chu trình tínhiệu giao thông thì độ dài của phần “bị loại” tăng lên, có lẽ nó kéo dài về phía cácngã tư trước, ở đó, sẽ chắn các se đi cắt ngang Hiện tượng đó, một khi xảy ra, sẽgây nên tắc nghẽn

Trả lời các câu hỏi

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 tửnăm 1962 Ông đạt được các học vị B.S MD và Ph.D ở Caltech, trường Đại họcTổng hợp Pensylvania và trường Đại học Bryn Mawr Từ 1976 ộng nghiên cứu vũbalê cổ điển ở Central Pensylvania Youth Ballet và ở gần đây, đã áp dụng cácnguyên lí vật lí vào động tác vũ đạo Cônmg trình này dẫn tới nhiều bài giảng và lớphọc trong nước và được tập hợp trong một cuốn sách ”Vật lí học của vũ đạo” xuấtbản 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 takinh 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 khichuyển động một cách khiến ta kinh ngạc, thậm chí đôi khi còn có vẻ như vi phạmcác 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 hìnhthể 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, hoặcquay trong không trung quay quanh một trục thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằmnghiêng, 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 độnglượng Thí dụ : người nghệ sĩ múa xoay sở như thế nào với moment quay tác dụngvào cơ thể để khởi sự một cái pirueti (quay tròn người quanh một thẳng đứng, vớimột chân trên sàn) ? Hoặc là làm thế nào để thực hiện được động tác nhảy xoayngười, 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 độnglực 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 tácdụng vào sàn, với một khoảng cách vuông góc d nào đó giữa chúng (h-2) các lựctương ứng do sàn tác dụng vào chân tạo ra một ngẫu lực (moment quay) tác dụngvào người, làm cho anh ta thu được một moment động lượng Khi người nghệ sĩđứng thẳng lên trên một chân sang tư thế piruet bình thường (h-3), thì đã có mộtchuyển 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 nàotác dụng vào người

Độ lớn của moment quay phụ thuộc vào cả cường độ các lực lẫn khoảng cáchgiữa 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 đổisong 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 lạicủa thân mình vươn lên trong hình thể piruet Sự xoắn đó nhằm mục đích giúp chomoment 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 dàithời gian tác dụng của moment quay, anh ta bù lại được moment quay nhỏ hơn vìhai chân cách xa nhau ít hơn, giúp cho anh ta đạt được moment quay cuối cùngđáng kể

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 bìnhthường 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 quaychậm 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 quayhơn

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 kíchthước lớn hơn 15% Chú ý rằng thể tích của người nghệ sĩ, và do đó, khối lượng phụthuộc vào lũy thừa ba của kích thước dài, và quán tính quay của thân mình phụthuộc 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 vớingười 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 vớingười kia 15%

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) Cáichân duỗi thẳng ngang có quán tính quay đối với trục quay lớn gấp gần bốn lần quántính quay của thân mình, trong tư thế piruet, thành thử, khi quay, nó có thể có mộtmoment động lượng đáng kể trong khi phần còn lại của thân mình vẫn hướng vềkhán giả Như vậy khoảng thời gian mà người nam tác dụng moment quay vào eobạn 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 vàogối trái, thì moment động lượng lớn được chuyển từ cái chân vừa quay vào thânmình coi như một vật nguyên vẹn, và tạo ra một tốc đọ quay lớn hơn, so với khi quay

mà không dùng chân quay

Một động tác khác chứng minh cho một quá trình tương tự về sự chuyểnmoment 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 chuyểnđộng tác này kết hợp với nhau một cách tốt đẹp Hình 5 trình bày một vòng quaytrong một loạt vòng quay fuettê Đây là một dạng của piruet lặp, trong đó, một lầntrong mỗi vòng quay, khi nghệ sĩ múa hướng mặt về phía khán giả, thì chân phảichuyển từ tư thế piruet chạm vảo đầu gối trái, ra phía trước, quay chân duỗi thẳng từphía trước sang bên, rồi lại trở về đầu gối trái Trong thới gian đó moment độnglượng của sự quay được tích lũy trong cái chân đang quay cho phép phần còn lạicủa thân mình dừng lại không quay nữa, khi hướng mặt về phía khán giả Quãngnghỉ này nhằm hai mục đích Thứ nhất, nó làm cho hình dạng của động tác phù hợpvới 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 mộtvòng quay được để dành để thân mình hướng về khán giả giữa các vòng quay lêntiếp Thứ hai, nhịp nghỉ cho phép người múa hạ từ tư thế kiễng trên đầu một chânsang tư thế đặt cả bàn chân Từ tư thế này, một lực xoắn tác dụng vào sàn, nhờchân trái đặt cả bàn chân xuống sàn có thể tạo ra một moment quay thay cho phầnmomen 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 giandành cho sự quay, trong mỗi chu trình của động tác Giả sử rằng quán tính quay củathân mình khi quay với vận tốc góc , trong tư thế piruet bình thường là Ib = 0,62K.m2, và lúc mà chân giang ngang và quay với tốc độ quanh trục thẳng đứng, điqua khớp nối hông là Il = 2.55 K.m2 (Các số liệu này, cũng như các số liệu khác đốivới một nghệ sĩ múa có thể tìm được trong bài “Vật lí học của vũ đạo”, của KennethLaws, Schirmer Books, 1984, tr.137) Nếu moment động lượng gần đúng là khôngđổi trong một chu kì chọn vẹn của động tác, và sự chuyển hóa giữa hai hình thể lànhanh, gọn, thì có thể tính được tỉ số Cái chân giang ra trong pha hoạtđộng đã quay một góc chừng 900, 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 khôngthường 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 bắtchéo nhau trong không trung, thành thử lại tiếp đất bằng chân khác với chân cất khỏimặt đất (xem h.6) Động tác có hiệu quả nhất nếu sự quay có vẻ như chỉ xảy ra ngaysau khi diễn viên rời sàn Liệu thân mình có thể quay, để thay đổi hướng của nótrong 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 ýrằng 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 vàcánh tay đều ở gần trục quay Do đó,chân trái với quán tính quay lớn có thể quaymột góc nhỏ theo một chiều, trong khi toàn thân quay một góc lớn, - gần 1800 theochiều ngược lại, moment động lượng của hai phép quay cộng lại vẫn bằng không,trong suốt cả quá trình quay Sau đó, khi đã quay rồi, các chân liền đổi vị trí, chântrái 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 momentđộng lượng toàn phần.

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

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

Vì ma sát giữa chân trụ và sàn thường làm nhiễu loạn quá trình này, nên cócách 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 !

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 nhómSTS-7, chuyến bay thứ hai của Challenger, phóng vào tháng 6 năm 1983), và lầnphóng thứ 13 (của nhóm STS-41G phóng vào tháng mười năm 1984) Năm 1986 bàđược bổ nhiệm vào Ủy ban điều tra tai nạn của tàu vũ trụ con thoi Challenger, trựcthuộc Tổng thống Cho đến lúc hoàn thành việc điều tra, bà hoạt động dưới danhnghĩa Trợ lí đặc biệt của giám đốc của NASA, giúp việc phát triển kế hoạch dài hạncủa NASA, về dùng người để thăm dò vũ trụ Hiện nay, bà là giáo sư vật lí và giámđốc Viện Không Gian của California thuộc trường Đại học Tổng hợp California, SanDiego

Các chuyện kể trên báo chí, mô tả các nhà du hành vũ trụ “thoát khỏi sức kéocủa 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 dạykhoa học” Quan điểm của cô là những thuật ngữ như “g bằng không” đều gây hiểulầm và nhiều người hiểu nó thành “không có trọng lực” Đúng ra, tàu vũ trụ con thoikhông thoát khỏi xiềng xích của trọng lực Thực ra, chính trọng lực đã giữ con tàu vàmọi vật bên trong, ở trên quỹ đạo quanh Trái Đất Sự lẫn lộn nảy sinh vì các nhà duhành trong tàu con thoi đều “không có trọng lượng”, họ sẽ nổi lơ lửng trên bất kì cáicân 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 cáibuồng 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 dụngvào nó Nó sẽ không đâm sầm vào Trái Đất, vì nó có một vận tốc nằm ngang đủ đểvượt “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 vàimét, 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 vàivòng, một tàu vũ trụ cần được cung cấp nhiều năng lượng hơn, để đặt nó lên quỹđạo 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 dùngnhiên liệu rắn và ba động cơ nhiên liệu lỏng : xem h-1 Tên lửa nhiên liệu rắn cháytrong hai phút đầu, các động cơ phóng, trong 8,5 phút đầu Thế là đủ hợp thành mộtlực 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 nhỏcủa con tàu được đốt cháy trong chừng hai phút, để cấp thêm đủ năng lượng, làmcho quỹ đạo thành tròn Các động cơ quỹ đạo này sẽ tắt khi vận tốc đúng đắn đã đạtđược 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 tốc8km/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 đểquay quanh Trái Đất, thì trọng lực không gia tốc các vật về phía “sàn”con tàu ; nó giatốc cả các vật lẫn sàn Mọi vật trong tàu đều ở cùng trên một quỹ đạo, mọi vật đềurơi cùng nhau quanh Trái Đất Chuyện chúng rơi cùng nhau, là hệ quả của nguyên lítương đương được Galileo chứng minh lần đầu tiên Ông chứng minh rằng (khi bỏqua 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 nhiềulần, thường là chính xác hơn, nhưng chưa bao giờ gây xúc động hơn cuộc thửnghiệm 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 cáchnhau một độ dài của cánh tay áo vũ trụ, và để chúng rơi Chúng va vào Mặt Trăngcùng với nhau Nguyên lí tương đương được chứng minh trong mỗi chuyến bay củatàu con thoi : vì mọi vật trong tàu – nhà du hành, cái bút chì, vệ tinh, cuốn sổ tay, bíttất – 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 thểcon người phát triển trên mặt Trái Đất ; nó chịu nhiều thay đổi nếu nó ở trong môitrường mới đó Có lẽ sự thay đổi dễ thấy nhất là mặt nhà du hành phị ra.Trên TráiĐất trọng lực kéo chất lỏng của cơ thể xuống chân Trên quỹ đạo, sự phân bố cânbằng của chất lỏng khác đi, và nó có xu hướng kéo về phần trên cơ thể Một ảnhhưởng lí thú khác là nhà du hành cao thêm chừng một inch khi ở trên quỹ đạo Vìkhông có lực kéo xuống tác dụng vào cột sống, nên các đĩa xốp trong cột sốngkhông bị nén lại nữa Vì các đĩa giãn ra, nên nhà du hành “lớn lên” Hiệu quả nàykhông 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 rấtcăng để bơm máu đi khắp cơ thể Việc đưa máu từ chân trở về, hoặc đưa lên não dễdàng 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 TráiĐất, hệ thống tim mạch, một lần nữa, lại phải bơm máu chống lại trọng lực, và phải ởtrạng thái có thể làm được điều đó Nếu nhà du hành chỉ ở trên quỹ đạo chừng mộttuần, thì đó không phải là một vấn đề lớn, nhưng là một vấn đề quan trọng cần phảiđược nghiên cứu đối các chuyến bay xa trong một trạm không gian, và cần có mộtcuộc 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 “lộnngược” hay “lộn xuôi” Về phương diện sinh lí, không có cách nào phân biệt đượctrên và dưới Các phần tử nhạy góp phần vào sự thăng bằng của ta và giúp ta địnhhướng, đều nằm trong tai trong và đều nhạy cảm đối với trọng lực Trái Đất Nếu đầunghiêng đi, thì các cấu trúc giồng như sợi tóc bị uốn cong và gửi tín hiệu về não, chobiết rằng đầu không thẳng Khi không có trọng lượng, các phần tử nhạy đó không ghinhận được các sai khác trong sự định hướng và không có cái chỉ thị sinh lí quenthuộc 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 haichân 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 bắtchước được trên Trái Đất Các vật khi không có trọng lượng hình như chịu tác độngcủa 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 cáchiệu ứng ma sát làm cho khó nghiên cứu các định luật Newton về chuyển động Masát 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 dểloại trừ các hiệu ứng ma sát Trạng thái không trọng lượng là một cải tiến lớn cho cáibàn có đệm không khí Thật vậy một nhà du hành vũ trụ có thể coi là một bộ phậnkhông tự nguyện của một phòng thí nghiệm sơ đẳng Các định luật Newton vềchuyển động trở nên rất thực…và cái đụng chạm đến một vài thói quen Các nhà duhành bị đặt đứng yên ở một cabin không có khả năng với được tới sàn, tới trần hoặcbất kì bức vách nào và sẽ ở yên – bị bỏ rơi ở giữa cabin – cho đến lúc một ngườibạn đến bên để cung cấp một ngoại lực Một củ lạc ném cho chuyển động sẽ chuyểnđộng cho đến lúc nó va vào tường, vào sàn hoặc miệng một người nào đó Và mộtcái vỗ vai mạnh có thể cho một xung đủ để làm cho một nhà du hành bị kéo lê quaphòng

Con người đã học được cách ứng xử với định luật về tác dụng và phản tácdụng 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 duhành không bị neo mà kéo một cái ngăn kéo, thì kết quả là đáng thất vọng, nhưng cóthể lường trước được xem h-2 Ngăn kéo lại không mở, nhưng nhà du hành lạichuyển 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 hànhquay, chứ ốc không quay

Các hiệu ứng của lực căng mặt ngoài là rất hiển nhiên trên Trái Đất : hình dángcủa bong bóng xà phòng, giọt nước treo ở đầu vòi nước và các mặt khum ở đầu cáccột nước dâng lên trong ống thủy tinh Lực căng mặt ngoài là kết quả của các lựcgiữa các phân tử Các phân tử trong một chất lỏng cảm nhận một lực hút chúng lạivới nhau, khiến cho những phân tử ở mặt ngoài chịu một lực tổng hợp nhỏ giữ nótrong chất lỏng Một cách tương tự, nếu một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn, thìcác phân tử trong chất lỏng sẽ cảm nhận một lực hút nhỏ lại gần các phân tử ở mặtchất rắn

Lực căng mặt ngoài có xu hướng làm cho tỉ số điện tích trên thể tích của mộtchất 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 tungtoé 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 thểlàm cho chất lỏng “dính” vào vật rắn.Chính là vì lực căng mặt ngoài mà người ta cóthể ăn uống như người bình thường (nghĩa là theo kiểu dưới đất) trong vũ trụ Cácnhà 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 Nóđược pha nước trở lại, bằng cách cắm cái kim của súng phun nước xuyên qua nắpchất dẻo, và phun nước vào Mọi thức ăn đó (thí dụ : mì ống và pho mát, côc- taytôm, súp cà chua) ít nhất cũng có phần lỏng, khi chúng đã được pha nước và lựccăng 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 thìanghêng 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 giúpcho 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 tháikhông trọng lượng, chất lỏng sẽ trườn thong thả qua cọng rơm và tụ tập lại thànhmột giọt lớn – một khối cầu - ở đầu hở của cọng rơm Mọi cọng rơm trong tàu vũ trụđều được cung cấp với một cái kẹp nhỏ để thắt kín lại và giữ cho chất lỏng khỏi trèo

ra ngoài

Trên quỹ đạo, một cột chất lỏng không có trọng lượng : không có áp suất thủytĩnh, 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 vẫnnằm yên trong các đồ uống có ga, khiến chúng không ngon lắm) và sẽ không có lớpsocola nào lắng ở đáy một cốc sữa socola

Chính nguyên lí này – vật năng chìm xuống và vật nhẹ hơn thì nổi lên – cũngtạo ra sự đối lưu nhiệt Trên mặt đất, khi nào một phần của một chất lỏng hoặc chấtkhí bị nóng lên, hay lạnh đi, là có đối lưu Một cái bọt không khí bị nung nóng thì nởrộng, trở thành nhẹ hơn, và do đó (trên mặt đất) sẽ nổi lên, một cái bọt lạnh, trở nênnặng hơn và rơi xuống Khi không có trọng lượng, thì không xảy ra đối lưu Một lầnnữa, vì có một cột không khí (chẳng hạn) không có trọng lượng nên không khí nóngkhông 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 chưađược thực hiện) là đốt một que diêm hoặc thắp một ngọn nến trong con tàu vũ trụtrên quỹ đạo Khi ôxy của không khí bị cháy và bị cạn ở xung quanh ngọn lửa, thìkhông khí nóng đi lên và không khí lạnh đi đến để thế chỗ cho nó và để cung cấpthêm 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 vàihiệu ứng vật lí thông thường thì vắng mặt, trong khi một số khác lại rõ ràng như đậpvào mắt Như bạn có thể tưởng tượng, đây là một môi trường sống không bìnhthường Nó cũng là môi trường thí nghệm độc nhất : môi trường cung cấp cho ta cơhội để thực hiện các thí nghệm cơ bản về vật lí, hóa học và sinh lí học, trong nhữngđiều 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 tổnghợp City ở New York Ông có học vị Ph.D về vật lí thiên thể tại trường Đại học Tổnghợp 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 củaông 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 AmericanJournal of Physics Là một vận động viên lâu năm, một nhà thể thao nhiệt tình, ôngcảm 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 trởnào đó, đối với chuyển động của nó Lực do chất lưu tác dụng vào vật nhất thiết làmcho chuyển động của vật bị thay đổi phần nào Chúng ta có thể nghĩ rằng lực hãm làkhá lớn nếu vật chuyển động trong một chất lỏng, nước chẳng hạn ; nhưng nếu chấtlưu là một chất khí, không khí chẳng hạn, thì ta có thể cho rằng lực sẽ nhỏ đến mứckhông ảnh hưởng thực tế nào vào chuyển động của vật Tuy nhiên, như chúng ta sẽthấy, 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 khítác 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 dochuyển động sinh ra Hơn nữa, lực tồn tại hoặc do vật đứng yên trong chất lưuchuyển động, cũng như do vật chuyển động trong chất lưu đứng yên : tức là lựcđược tạo ra bởi chuyển động tương đối

Việc nghiên cứu động lực học của chất lưu có giá trị thực tiễn rất lớn, trong mộtdiện 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 trongnhiều môn thể thao, vì các động lực học có ảnh hưởng thực sự đến chuyển độngcủa nhiều vật ném dùng cho thể thao Các lực này làm cho một người giao quả bóngchày có thể ném quả bóng đi theo đường cong, và là nguyên nhân của cú lệch sangphải hoặc sang trái trong một quả bóng bạt gôn không đúng Chúng xác định kĩ thuậtđặc biệt cho việc ném quả bóng đá, hoặc phóng cái lao Chúng cũng là lực chủ yếucản 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 vớichất lưu Tất nhiên lực cũng phụ thuộc vào các tính chất của bản thân chất lưu Tínhchất then chốt là độ nhớt của chất lưu, nó là thước đo của lực cản bên trong chốnglại sự chảy, do tương tác giữa các phân tử chất lưu sinh ra Khi chất lưu tiếp xúc vớimặt ngoài của một vật nhúng chìm, sự nhớt của nó sẽ tác dụng một lực ma sát hãmsong 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 nàygiải 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 nhẵnhơn 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 mặtvật có xu hướng lấy đi năng lượng của chất lưu Các mất mát năng lượng này xuấthiện 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 tronglớp biên sẽ có khả năng tăng tốc, để giữ cho vẫn tiếp xúc với mặt vật Tuy nhiên ởcác tốc độ cao các mất mát năng lượng trở nên lớn, đủ để ngăn không cho tiếp tụctiếp 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 ởmặt trước của vật sẽ lớn hơn áp suất ở mặt sau, kết quả là sinh ra một lực hãm tổnghợp 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 chochất lưu không rời xa khỏi mặt

Các lực sinh ra bởi sức cản nhớt và sức cản do hình dạng đuợc phân bố trêntoàn 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 chuyểnđộng tương đối của vật đối với chất lưu, (tức là đối song với vector vận tốc) và mộtlực 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) mànhư một lực ngang, hoặc hướng sang bên, có thể làm cho vật bị lệch theo phươngbất kì nào vuông góc với vận tốc

Sức cản khí động lực học

Lực cản tác dụng vảo một vật chuyển động trong một chất lưu bao giờ cũng tácdụng như một lực làm giảm tốc, nói chung, là giảm tốc độ chuyển động của vật đốivới chất lưu Nói chung, lực cản được sinh ra do sức cản nhớt lẫn sức cản theo hìnhdạng Lực cản nhớt là quan trọng đối với những vật tương đối nhỏ chuyển độngchậm 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 độngviên nữa, lực cản nhớt là tương đối nhỏ, so với lực cản do hình dáng, và lực cản khíđộng lực có thể biểu diễn bằng một phương trình khá đơn giản Xét theo khía cạnhnăng lượng và động lượng, có thể chứng minh rằng lực trên đơn vị diện tích, do mộtchất lưu tác dụng vào một vật nhúng chìm là tỉ lệ với đại lượng ,(trong đó làkhối 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 kiệmvuông góc với dòng chảy) Có thể đổi thành p.t, bằng cách đưa vào một hệ số tỉ lệkhông 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 lựccản do hình dạng, và nó phụ thuộc bản chất của vật (kích thước, hình dạng và sựnhẵn, hoặc không đều đặn của mặt) cũng như vào các đặc trưng của dòng chảy Nóichung 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 CD bằng một phép đo trực tiếp Cách làm tiêuchuẩn là đặt vật (hoặc một mô hình theo tỉ lệ thích hợp) trong một ống thổi, để lợidụng 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 mộtquả 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 tăngcho đến lúc lực cản bằng trọng lượng của vật Từ lúc ấy, vật đã đạt được tốc độ cuốicùng của nó (xem p.t 6-19)

Môn thể thao sử dụng sự kiện các vật rơi tiến dần tới một tốc độ cuối cùngtrong không khí, là môn nhào lộn trên không trung Một người nhảy ra khỏi một máybay 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 hướngthân mình, trong lúc rơi, người nhào lộn có khả năng làm tăng hoặc giảm độ lớn củalực cản, do đó, chọn lựa một cách có hiệu quả tốc độ cuối cùng bằng cách thay đổi

hệ số cản và diện tích mặt trước Khi giang cánh kiểu đại bàng với tay và chân giangrộng, người nhào lộn trên không chịu một lực cản lớn nhất và có tốc độ cuối cùngthấp 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 mộtvật bất kì, bị ném như một viên đạn, sẽ lệch một cách rõ rệch khỏi đường đi parapolđối xứng theo lí thuyết, nếu tốc độ ném của nó sánh được với tốc độ cuối cùng của