Con quay quay thì đứng, dừng thì đổ: mô men động lượng và tiến động

Con quay đứng được trên một mũi nhọn vì khi quay nhanh, nó có mô men động lượng: một thứ "quán tính của sự xoay" khiến trục quay rất khó bị lật. Trọng lực vẫn kéo con quay đổ, nhưng thay vì ngã xuống, trục quay chỉ đảo vòng chầm chậm. Khi ma sát làm con quay chậm dần, quán tính xoay yếu đi, trục lắc mỗi lúc một rộng và con quay đổ.

Con quay dân gian: con cù, con vụ và hội đánh quay

Ở nhiều vùng miền Bắc, trẻ con gọi con quay là con cù; ở nhiều nơi miền Nam gọi là con vụ. Con quay gỗ truyền thống được đẽo từ khúc gỗ cứng, phần thân phình tròn, phía dưới thuôn nhọn và đóng một chiếc đinh sắt làm chân. Người ta quấn dây quanh thân, cầm đầu dây rồi ném mạnh xuống đất: dây tuột ra làm con quay xoay tít khi chạm đất.

Ở vùng cao phía Bắc, đánh quay là hoạt động dân gian ngày Tết và ngày hội của nhiều dân tộc như người Mông, người Dao. Con quay của họ to, nặng, đẽo từ gỗ rắn. Có lối chơi một bên thả quay cho đứng, bên kia ném quay của mình vào để làm đổ hoặc bật quay đối phương ra ngoài.

Đẽo con quay gỗ cần dao, đục hoặc máy tiện, nên đó là việc của người lớn. Nhưng hiểu vì sao nó đứng được thì bạn chỉ cần bìa cứng và một cây bút chì.

Quán tính của sự xoay

Bạn đã biết quán tính: xe buýt phanh gấp thì người trên xe chúi về phía trước, vì cơ thể "muốn" tiếp tục đi thẳng. Vật đang xoay cũng có một kiểu quán tính tương tự: nó "muốn" tiếp tục xoay quanh đúng cái trục cũ. Các nhà vật lý gọi đại lượng này là mô men động lượng.

Mô men động lượng của con quay lớn khi:

• Quay nhanh: càng nhiều vòng mỗi giây càng khó lật.
• Nặng: cùng hình dạng, con quay nặng hơn giữ trục tốt hơn.
• Khối lượng dồn ra xa trục: đây là điểm quan trọng nhất. Một con quay có vành dày, nặng ở mép giữ thăng bằng tốt hơn hẳn con quay có cùng khối lượng nhưng dồn hết vào giữa.

Bạn có thể thấy điều thứ ba ở vận động viên trượt băng nghệ thuật. Khi đang xoay mà dang tay ra, họ quay chậm lại; khi khép tay sát người, họ quay nhanh vọt lên. Mô men động lượng được giữ nguyên, nên khối lượng dồn vào trong thì tốc độ quay phải tăng để bù lại.

Vì sao con quay không đổ mà lại đảo vòng

Không có con quay nào dựng thẳng tuyệt đối. Ngay từ khi chạm đất, trục đã hơi nghiêng. Trọng lực kéo phần trên xuống, tạo ra một lực xoắn muốn lật con quay. Với một vật đứng yên, lực xoắn ấy làm nó ngã ngay. Nhưng với vật đang xoay, lực xoắn lại làm trục lệch sang bên, vuông góc với hướng lẽ ra nó bị kéo đổ. Kết quả là đầu trục vẽ một vòng tròn chậm trong không khí. Hiện tượng này gọi là tiến động.

Lúc con quay quay nhanh, vòng đảo nhỏ và chậm, nhìn như đứng im, trẻ con gọi là quay "ngủ". Khi chậm lại, vòng đảo rộng ra và nhanh hơn, trục còn lắc thêm những gợn nhỏ, gọi là chương động. Đến khi mép con quay chạm đất, nó lăn ra và dừng.

Trái Đất cũng là một con quay

Trái Đất tự quay quanh trục nghiêng khoảng 23,5 độ. Lực hút của Mặt Trăng và Mặt Trời lên phần phình ở xích đạo làm trục ấy tiến động, giống hệt con quay, nhưng cực chậm: mỗi vòng mất khoảng 26.000 năm. Vì thế ngôi sao chỉ hướng bắc hôm nay (sao Bắc Cực) không phải lúc nào cũng là sao chỉ hướng bắc; vài nghìn năm nữa, vị trí ấy sẽ thuộc về một ngôi sao khác.

Ma sát: kẻ thù của con quay

Nếu không có ma sát, con quay sẽ quay mãi. Trên thực tế, có hai chỗ lấy mất năng lượng của nó:

• Chân quay cọ với mặt đất. Chân càng nhọn và cứng, mặt đất càng nhẵn, điểm tiếp xúc càng nhỏ thì ma sát càng ít. Vì thế người ta đóng đinh sắt làm chân và chọn chỗ đất nện chặt hoặc nền xi măng để đánh quay.
• Không khí cản thân quay. Con quay có gờ sần sùi hoặc hình dạng to bè sẽ chậm nhanh hơn.

Thử quay cùng một con quay trên mặt bàn kính, trên sàn gạch và trên tấm thảm: bạn sẽ thấy thời gian quay chênh nhau rõ rệt.

Con quay trong máy móc thật

Tính chất "giữ trục" của vật quay nhanh được dùng trong rất nhiều thiết bị:

Thiết bị	Dùng con quay để làm gì
La bàn con quay trên tàu biển	Một con quay quay rất nhanh giữ hướng ổn định để chỉ hướng bắc thật, không bị thân tàu bằng thép làm lệch như la bàn kim nam châm
Máy bay, tên lửa	Con quay trong thiết bị dẫn đường cho biết thân máy đang nghiêng bao nhiêu
Kính viễn vọng không gian	Bộ con quay giúp kính giữ đúng hướng nhìn trong thời gian dài
Điện thoại thông minh	Có "cảm biến con quay", nhưng thật ra không có gì quay: đó là một chi tiết rất nhỏ rung liên tục, đo được khi máy bị xoay. Nó mang tên con quay vì làm cùng một việc là cảm nhận sự xoay

Xe đạp đang chạy khó đổ cũng một phần nhờ hai bánh xe quay, nhưng các nhà khoa học đã chỉ ra đó không phải lý do chính; cách người lái bẻ lái và hình dạng càng trước quan trọng hơn. Đây là ví dụ hay cho thấy: một giải thích nghe hợp lý vẫn cần được kiểm tra bằng thí nghiệm.

Thử làm: ba con quay bìa, một câu hỏi

Câu hỏi của bạn: khối lượng đặt ở đâu thì con quay quay lâu nhất?

Vật liệu

• Bìa cứng (vỏ hộp bánh), compa hoặc nắp hộp tròn để vẽ
• Ba cây bút chì ngắn đã gọt (người lớn gọt giúp nếu dùng dao), hoặc ba que tre tròn đầu
• Tám đồng xu giống nhau hoặc tám chiếc kẹp giấy, băng dính
• Đồng hồ bấm giờ

Các bước

1. Cắt ba đĩa bìa tròn giống hệt nhau, đường kính khoảng 10 cm. Dùng thước tìm tâm, nhờ người lớn đục lỗ vừa khít bút chì.
2. Đĩa A: để trơn, không gắn gì.
3. Đĩa B: dán bốn đồng xu sát quanh tâm, cách tâm chừng 1 cm, chia đều bốn phía.
4. Đĩa C: dán bốn đồng xu sát mép đĩa, chia đều bốn phía.
5. Xỏ bút chì qua tâm mỗi đĩa sao cho đầu nhọn thò xuống khoảng 2 cm. Dán băng dính cố định.

Đo

Trên cùng một mặt bàn nhẵn, vê mạnh bằng hai ngón tay để quay từng con quay. Bấm giờ từ lúc buông tay đến lúc mép đĩa chạm bàn. Mỗi con quay làm năm lần, bỏ lần dài nhất và ngắn nhất, lấy trung bình ba lần còn lại.

Thường thì đĩa C, với đồng xu ở mép, quay lâu nhất dù nặng bằng đĩa B. Nếu kết quả của bạn khác, hãy tìm nguyên nhân: lỗ ở tâm có lệch không, đồng xu dán có đều bốn phía không, lần vê có mạnh như nhau không? Con quay lệch tâm sẽ rung lắc và mất năng lượng rất nhanh. Tìm ra lý do một kết quả "sai" cũng là làm khoa học.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao con quay quay thì đứng được?

Vật đang quay có mô men động lượng, khiến trục quay khó bị lật. Trọng lực vẫn kéo con quay đổ, nhưng khi quay nhanh, lực ấy chỉ làm trục đảo vòng chậm (tiến động) chứ không làm con quay ngã.

Vì sao con quay quay chậm dần rồi đổ?

Ma sát ở chân quay và sức cản không khí lấy dần năng lượng của con quay. Khi quay chậm, mô men động lượng giảm, vòng đảo của trục rộng ra cho đến khi mép con quay chạm đất và nó lăn ra.

Con cù và con vụ có khác nhau không?

Đó là tên gọi theo vùng của cùng một món đồ chơi: con quay gỗ có chân nhọn, quấn dây rồi ném cho xoay. Nhiều nơi miền Bắc gọi là con cù, nhiều nơi miền Nam gọi là con vụ. Hình dáng và cỡ có thể khác nhau theo từng địa phương.

Làm sao để con quay quay lâu hơn?

Dồn khối lượng ra mép, giữ con quay cân đối quanh tâm, làm chân nhọn và cứng, và quay trên mặt nhẵn, cứng. Vê hoặc ném mạnh hơn lúc đầu cũng giúp con quay có nhiều năng lượng hơn để tiêu dần.

Tiến động là gì?

Tiến động là khi trục của một vật đang quay đảo vòng chậm quanh phương thẳng đứng, thay vì đổ xuống dưới tác dụng của trọng lực. Con quay, bánh xe đạp tháo rời đang quay và cả Trái Đất đều có tiến động.