Chuồn chuồn tre đậu đầu ngón tay: trọng tâm nằm dưới điểm tựa

Chuồn chuồn tre đậu được trên đầu ngón tay vì trọng tâm của nó nằm thấp hơn điểm tựa. Hai cánh dài được uốn chúc xuống và chéo về phía trước, đầu cánh làm dày và nặng hơn, nên toàn bộ trọng lượng con chuồn chuồn dồn về một điểm ngay dưới mỏ của nó. Bị đẩy lệch, nó chỉ đung đưa vài cái rồi lại tự trở về thế cân bằng.

Món đồ chơi khiến người lớn cũng phải ngạc nhiên

Chuồn chuồn tre là đồ chơi dân gian quen thuộc ở các làng nghề quanh Hà Nội, phố cổ và các khu du lịch khắp nước. Thân là một thanh tre nhỏ, cánh là hai nan tre vót mỏng, cả con thường được sơn màu sặc sỡ. Người bán hay đặt nó trên đầu ngón tay, trên mép cốc, trên đầu bút, thậm chí trên chóp mũi mình, và con chuồn chuồn cứ thế đứng nghiêng ngó, chạm nhẹ thì lắc lư như đang sống.

Điều lạ là chỗ chuồn chuồn chạm vào ngón tay chỉ là đầu mỏ, một điểm rất nhỏ ở tận cùng phía trước. Nhìn bằng mắt, ta tưởng phần lớn thân dài phía sau phải kéo nó lộn ngửa. Thế mà không. Bí mật nằm ở một khái niệm vật lý: trọng tâm.

Trọng tâm là gì

Mỗi vật đều có vô số phần nhỏ, phần nào cũng bị Trái Đất hút xuống. Nhưng khi tính chuyện cân bằng, ta có thể coi như toàn bộ trọng lượng của vật dồn vào một điểm duy nhất. Điểm ấy gọi là trọng tâm.

• Thước kẻ thẳng đều: trọng tâm ở chính giữa. Đặt chỗ giữa lên ngón tay thì thước nằm cân.
• Cái búa: trọng tâm lệch hẳn về phía đầu sắt nặng.
• Chiếc nhẫn hay cái vòng: trọng tâm nằm ở giữa vòng, nơi không có chút vật liệu nào.

Ví dụ cuối cùng rất quan trọng: trọng tâm không nhất thiết nằm trong thân vật. Chuồn chuồn tre chính là một vật như thế. Trọng tâm của nó nằm ở khoảng không ngay dưới đầu mỏ, giữa hai đầu cánh chúc xuống.

Ba kiểu cân bằng

Các nhà vật lý chia cân bằng làm ba loại, tuỳ trọng tâm nằm ở đâu so với điểm tựa:

Kiểu cân bằng	Trọng tâm so với điểm tựa	Đẩy lệch thì sao	Ví dụ
Bền	Nằm dưới	Tự trở về chỗ cũ	Chuồn chuồn tre, quả lắc đồng hồ, chiếc võng treo
Không bền	Nằm trên	Đổ luôn, không trở về	Cây bút dựng đứng trên đầu ngón tay, quả bóng đặt trên đỉnh dốc
Phiếm định	Đi qua đúng điểm tựa	Đứng yên ở chỗ mới	Quả bóng trên sàn phẳng, bánh xe quay quanh trục giữa

Hãy nghĩ đến quả lắc. Khi đẩy nó lệch sang bên, quả nặng bị nâng lên cao hơn một chút. Trọng lực kéo nó xuống lại chỗ thấp nhất, và chỗ thấp nhất chính là vị trí cân bằng. Chuồn chuồn tre làm y như vậy: bị nghiêng đi, trọng tâm bị nâng lên, rồi trọng lực kéo nó về.

Ngược lại, cây bút dựng đứng có trọng tâm cao hơn điểm tựa. Lệch đi một chút là trọng tâm hạ xuống thấp hơn, trọng lực càng kéo nó đổ nhanh hơn. Không có lực nào kéo bút về chỗ cũ.

Người thợ đặt trọng tâm vào đúng chỗ bằng cách nào

Người làm chuồn chuồn tre có ba "chiêu" để kéo trọng tâm xuống thấp và về phía trước:

1. Cánh dài và chéo ra trước. Hai đầu cánh vươn vượt qua cả đầu mỏ, kéo phần nặng về phía trước, cân lại với cái đuôi dài phía sau.
2. Cánh uốn chúc xuống. Khi hơ nóng, nan tre mềm ra và có thể uốn cong; nguội đi thì giữ nguyên dáng. Cánh cong xuống đưa khối lượng xuống dưới điểm tựa.
3. Đầu cánh để dày, gốc cánh vót mỏng. Khối lượng dồn ra đầu cánh, tức dồn ra xa và xuống thấp. Có người còn gắn thêm chút sáp hay bột đất vào đầu cánh cho nặng.

Chẻ tre, vót nan và hơ lửa uốn cánh đều dùng dao sắc và lửa, nên chỉ người lớn làm. Ở các làng nghề, thợ làm quen tay mỗi ngày nhiều con, nhưng họ đã trải qua rất nhiều lần cứa tay khi mới học. Bạn có thể làm một con chuồn chuồn bằng bìa, an toàn mà vẫn thấy đủ phép màu, ở mục Thử làm bên dưới.

Con chuồn chuồn thật thì sao

Nếu nhìn kỹ cánh của một con chuồn chuồn thật, bạn sẽ thấy gần đầu mỗi cánh có một chấm sẫm màu nhỏ. Chấm này dày và nặng hơn phần màng cánh xung quanh. Nhiều nhà nghiên cứu côn trùng cho rằng nó hoạt động như một cục đối trọng nhỏ, giúp cánh bớt rung bần bật khi chuồn chuồn bay lướt nhanh. Thật thú vị khi người thợ làm đồ chơi và thiên nhiên cùng dồn khối lượng ra đầu cánh, dù vì những lý do khác nhau.

Cùng một nguyên lý trong đời sống

• Lật đật: đáy tròn và nặng, nên dù bị đẩy ngã, trọng tâm thấp kéo nó bật dậy.
• Người đi trên dây ở rạp xiếc cầm cây sào dài. Cây sào dài và nặng giúp cơ thể nghiêng chậm hơn, cho người biểu diễn thêm thời gian chỉnh lại thăng bằng. Có loại sào hai đầu trĩu xuống, kéo trọng tâm chung thấp hơn.
• Xe tải, xe buýt chất hàng nặng ở dưới, hàng nhẹ ở trên để trọng tâm thấp, khó lật khi vào cua.
• Tàu thuyền có đáy nặng hoặc chở vật dằn dưới khoang để không bị sóng lật úp.

Thử làm: chuồn chuồn bìa đậu đầu ngón tay

Vật liệu

• Bìa cứng mỏng (vỏ hộp ngũ cốc), giấy can hoặc giấy mỏng để vẽ mẫu
• Hai đồng xu nhỏ giống nhau, hoặc hai cục đất nặn bằng hạt đậu, hoặc bốn chiếc kẹp giấy
• Kéo, băng dính, bút màu

Các bước

1. Vẽ con chuồn chuồn nhìn từ trên xuống: thân dài khoảng 10 cm, hai cánh dài chừng 9 cm mỗi bên. Cánh chéo về phía trước sao cho đầu cánh vượt qua đầu chuồn chuồn khoảng 2 cm.
2. Cắt hình ra bìa, tô màu tuỳ thích.
3. Dán một đồng xu ở mặt dưới mỗi đầu cánh.
4. Đặt đầu chuồn chuồn (chỗ mỏ) lên đầu ngón tay. Nếu nó chúi đầu xuống, dịch đồng xu ra sau một chút. Nếu nó ngửa đuôi xuống, dịch đồng xu ra xa hơn về phía trước.
5. Khi đã đậu được, uốn nhẹ hai cánh chúc xuống. Bạn sẽ thấy nó đứng vững hơn và đung đưa êm hơn.

Thí nghiệm thêm

• Bỏ một đồng xu đi. Con chuồn chuồn nghiêng về bên nào? Vì sao?
• Thử đặt nó lên đầu bút, mép cốc, sợi dây căng. Ở đâu nó cũng đứng được nếu điểm tựa là đầu mỏ.
• Tìm trọng tâm bằng dây dọi: buộc một chiếc ốc nhỏ vào sợi chỉ làm dây dọi. Treo con chuồn chuồn bìa (chưa gắn xu) lên một chiếc ghim qua một lỗ nhỏ ở mép, treo dây dọi cùng chỗ, kẻ đường dây dọi lên bìa. Làm lại với một lỗ khác. Hai đường cắt nhau ở đâu, trọng tâm nằm ở đó. Gắn xu rồi làm lại, bạn sẽ thấy trọng tâm dịch về phía đầu cánh.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao chuồn chuồn tre đứng được trên đầu ngón tay?

Vì trọng tâm của nó nằm thấp hơn điểm tựa là đầu mỏ. Hai cánh dài chúc xuống và chéo về phía trước, đầu cánh nặng, kéo trọng tâm xuống dưới. Khi bị nghiêng, trọng lực kéo nó trở lại vị trí cân bằng.

Trọng tâm là gì?

Trọng tâm là điểm mà ta có thể coi toàn bộ trọng lượng của vật dồn vào đó khi tính chuyện cân bằng. Với vật đều đặn như thước kẻ, nó ở chính giữa. Với vật cong như chiếc nhẫn hay chuồn chuồn tre, trọng tâm có thể nằm ở khoảng không bên ngoài thân vật.

Cân bằng bền và cân bằng không bền khác nhau thế nào?

Cân bằng bền là khi bị đẩy lệch, vật tự trở về chỗ cũ, thường vì trọng tâm nằm dưới điểm tựa. Cân bằng không bền là khi lệch đi một chút vật đổ luôn, vì trọng tâm nằm trên điểm tựa, như cây bút dựng đứng.

Trẻ em có tự làm chuồn chuồn tre được không?

Phần chẻ tre, vót nan và hơ lửa uốn cánh dùng dao sắc và lửa nên chỉ người lớn làm. Trẻ có thể làm chuồn chuồn bằng bìa cứng với hai đồng xu dán ở đầu cánh, an toàn và cho thấy đúng cùng nguyên lý.

Chuồn chuồn tre làm bằng bìa thì cần chỉnh gì để đứng được?

Chỉnh vị trí đồng xu ở đầu cánh. Chuồn chuồn chúi đầu thì dịch xu lùi lại, ngửa đuôi thì dịch xu ra trước. Uốn hai cánh hơi chúc xuống giúp nó đứng vững và đung đưa êm hơn.