Súng phun nước ống tre: áp suất, pít-tông và vì sao lỗ nhỏ bắn xa

Súng phun nước ống tre, nhiều nơi gọi là ống thụt, bắn được tia nước xa vì cái thụt đẩy nước trong ống rộng ra một lỗ rất nhỏ. Lượng nước bị đẩy đi mỗi giây phải chui qua lỗ nhỏ ấy, nên nó buộc phải chạy nhanh hơn gấp nhiều lần. Lỗ càng nhỏ so với lòng ống, tia nước càng phóng nhanh, nhưng tay đẩy cũng phải mạnh hơn và nước ra ít hơn mỗi lần.

Món đồ chơi của những trưa hè

Trẻ con ở các làng quê nhiều vùng từng tự làm ống thụt nước từ một đoạn tre hoặc nứa. Chọn một ống thẳng, giữ lại một đầu có mấu (đốt tre) và dùi một lỗ nhỏ xuyên qua mấu. Đầu kia để hở. Cái thụt là một que tre nhỏ hơn lòng ống, đầu que quấn giẻ hoặc sợi vải cho thật khít. Nhúng đầu có lỗ vào chậu nước, kéo que ra để hút nước vào, rồi đẩy mạnh que vào để tia nước vọt ra.

Cưa ống, dùi lỗ qua mấu tre cứng, vót que đều dùng dụng cụ sắc nên là việc của người lớn. Phần thú vị nhất là hiểu vì sao một cú đẩy tay chậm rãi lại biến thành tia nước vọt xa hàng mét.

Áp suất: lực chia cho diện tích

Khi bạn đẩy cái thụt, bạn ấn một lực lên toàn bộ mặt nước trong ống. Áp suất là lực đó chia cho diện tích nó ép lên. Cùng một lực, ép lên diện tích nhỏ thì áp suất lớn; ép lên diện tích lớn thì áp suất nhỏ. Đó là lý do mũi kim dễ đâm thủng vải, còn bàn tay ấn mạnh mấy cũng không thủng.

Nước có một tính chất đặc biệt: gần như không nén lại được. Không khí thì khác, bóp quả bóng bay thì không khí bên trong co lại. Nhưng nước trong ống không thể co lại để nhường chỗ, nên khi bị đẩy, nó chỉ còn một đường thoát: lỗ nhỏ ở đầu ống.

Thế kỷ 17, nhà khoa học người Pháp Blaise Pascal phát biểu một quy luật mang tên ông: áp suất tác dụng lên chất lỏng đựng trong bình kín được truyền đi nguyên vẹn đến mọi chỗ trong chất lỏng. Ấn ở đầu thụt, áp suất lan khắp lòng ống, đến tận lỗ phun.

Lỗ nhỏ, nước chạy nhanh

Hãy tưởng tượng một đoàn người đi trong hành lang rộng rồi phải chui qua một cánh cửa hẹp. Nếu muốn số người đi qua mỗi phút vẫn như cũ, những người ở cửa phải đi rất nhanh. Nước cũng vậy. Lượng nước đi qua lòng ống mỗi giây phải bằng lượng nước đi ra khỏi lỗ mỗi giây, vì nước không biến đi đâu và không nén lại được.

Từ đó có một quy tắc đơn giản: tốc độ nước nhân diện tích chỗ nó đi qua thì không đổi. Diện tích hình tròn tỉ lệ với bình phương đường kính, nên:

Đường kính lòng ống	Đường kính lỗ phun	Diện tích lòng ống gấp diện tích lỗ	Nước ở lỗ chạy nhanh gấp tốc độ cái thụt
2 cm	1 cm	4 lần	4 lần
2 cm	5 mm	16 lần	16 lần
2 cm	2 mm	100 lần	100 lần

Nghĩa là nếu bạn đẩy cái thụt đi 10 cm trong một giây, với lỗ 2 mm trên ống 2 cm, nước ra khỏi lỗ với tốc độ khoảng 10 mét mỗi giây. Thực tế thấp hơn một chút vì nước cọ vào thành lỗ và giẻ quấn cái thụt không kín tuyệt đối.

Đổi lại là gì

Không có gì miễn phí. Lỗ nhỏ thì tia nhanh, nhưng tay phải đẩy mạnh hơn, vì áp suất trong ống phải cao hơn để ép nước qua lỗ hẹp. Mỗi lần thụt, nước ra cũng ít hơn và chậm hết hơn. Lỗ quá nhỏ thì đẩy không nổi, hoặc nước rỉ ngược qua chỗ giẻ quấn. Người làm ống thụt giỏi tìm được cỡ lỗ vừa với sức tay.

Tia nước bay theo đường cong

Khi rời lỗ phun, giọt nước không còn gì đẩy nữa. Nó tiếp tục bay đi nhờ quán tính, đồng thời bị trọng lực kéo xuống. Hai chuyển động cộng lại vẽ ra một đường cong hình vòng cung, các nhà toán học gọi là đường parabol.

• Bắn thẳng ngang: tia nước rơi xuống đất khá sớm.
• Chếch lên quá cao: tia nước vút lên rồi rơi xuống gần chỗ đứng.
• Chếch lên vừa phải: tia bay xa nhất. Nếu không có không khí cản, góc tốt nhất là 45°. Thực tế với tia nước nhỏ bị gió và không khí làm vỡ thành giọt, góc tốt nhất thường thấp hơn một chút.

Tia nước phân tán thành giọt khi bay xa là vì không khí cản và vì sức căng bề mặt kéo dòng nước mảnh co lại thành từng hạt tròn. Bạn có thể thấy điều này ở vòi nước nhỏ chảy từ trên cao: dòng nước liền mạch ở trên, đứt thành giọt ở dưới.

Cùng nguyên lý ấy trong máy móc và cơ thể

Ở đâu	Giống ống thụt ở chỗ nào
Xi lanh tiêm, ống bơm thuốc ở phòng khám	Pít-tông đẩy chất lỏng qua đầu nhỏ
Bơm xe đạp	Pít-tông đẩy không khí qua van nhỏ vào săm; khác ở chỗ không khí bị nén lại
Kích nâng ô tô kiểu thuỷ lực ở tiệm sửa xe	Đẩy pít-tông nhỏ bằng lực nhỏ, áp suất truyền sang pít-tông to sinh ra lực lớn nâng được cả xe
Vòi phun tưới cây	Bóp đầu vòi nhỏ lại, nước phun xa hơn
Tim người	Cơ tim co bóp đẩy máu vào mạch, áp suất đẩy máu đi khắp cơ thể

Một kỹ sư người Mỹ tên Lonnie Johnson, từng làm việc trong các dự án tàu vũ trụ, đã nghĩ ra loại súng phun nước dùng không khí nén. Thay vì đẩy pít-tông trực tiếp, người dùng bơm khí vào một bình chứa; khí bị nén đẩy nước ra rất mạnh và đều. Món đồ chơi này bán ra từ khoảng năm 1990 và trở nên rất phổ biến. Đó là ví dụ đẹp về một người làm khoa học nghiêm túc nhưng vẫn có một sản phẩm cho trẻ con.

Chơi phun nước an toàn

• Không xịt vào mắt, tai, mặt người khác; tia nước mạnh ở gần có thể làm tổn thương mắt.
• Không xịt người đi đường, người đang đi xe: họ có thể giật mình và ngã.
• Dùng nước sạch, không dùng nước ao tù, nước có xà phòng hay hoá chất.
• Tránh xa ổ cắm, dây điện, đồ điện.
• Chơi ở sân, bãi cỏ; sàn gạch ướt rất trơn.

Thử làm: ống thụt từ xi lanh và chai nhựa

Vật liệu

• Hai xi lanh nhựa không kim (loại dùng cho uống thuốc, mua ở hiệu thuốc): một loại 10 ml, một loại 20 ml
• Một nắp chai nhựa, ống hút, băng dính, chậu nước sạch, thước dây hoặc bước chân để đo

Thí nghiệm một: so lỗ

1. Hút đầy nước vào xi lanh 20 ml. Đứng sau một vạch, giữ xi lanh nằm ngang ở ngang hông, đẩy mạnh đều tay. Đánh dấu chỗ nước rơi xa nhất.
2. Gắn vào đầu xi lanh một đoạn ống hút ngắn (lỗ to hơn đầu xi lanh), quấn băng dính cho kín. Bắn lại, đánh dấu.
3. Nhờ người lớn đục một lỗ nhỏ trên nắp chai bằng đinh nhỏ. Ép nắp chặt vào đầu xi lanh, quấn băng dính. Bắn lại. So ba vạch.

Thí nghiệm hai: đổi góc

Dùng một cách lắp cố định, bắn ở ba góc: nằm ngang, chếch lên vừa (khoảng 30–45°), chếch lên cao (khoảng 70°). Mỗi góc bắn ba lần. Góc nào tia đi xa nhất?

Thí nghiệm ba: ống to, ống nhỏ

Dùng cùng một đầu phun, bắn bằng xi lanh 10 ml rồi 20 ml, cùng đẩy hết trong khoảng một giây. Xi lanh nào bắn xa hơn? Xi lanh nào phải đẩy mạnh tay hơn? Ghi lại cảm nhận của bạn và thử giải thích bằng quy tắc "tốc độ nhân diện tích không đổi".

Câu hỏi thường gặp

Vì sao súng phun nước bắn được xa?

Pít-tông đẩy nước trong lòng ống rộng ra một lỗ nhỏ. Vì nước không nén lại được, lượng nước đi qua lỗ mỗi giây phải bằng lượng nước bị đẩy đi trong ống, nên ở lỗ nhỏ nước chạy nhanh hơn nhiều lần. Tia nước nhanh thì bay xa.

Ống thụt nước bằng tre làm thế nào?

Người ta chọn đoạn tre giữ một đầu có mấu, dùi lỗ nhỏ qua mấu, đầu kia để hở. Cái thụt là que tre nhỏ quấn giẻ ở đầu cho khít lòng ống. Cưa, dùi và vót tre dùng dụng cụ sắc nên người lớn làm; trẻ có thể dùng xi lanh nhựa không kim để thử nguyên lý.

Định luật Pascal là gì?

Định luật Pascal nói rằng áp suất tác dụng lên chất lỏng trong bình kín được truyền nguyên vẹn đến mọi chỗ trong chất lỏng. Nhờ đó, ấn nhẹ một pít-tông nhỏ có thể tạo lực lớn ở pít-tông to, như kích thuỷ lực nâng ô tô.

Bắn nước chếch góc bao nhiêu thì xa nhất?

Nếu không có không khí cản, góc 45 độ cho tầm xa lớn nhất. Với tia nước thật, không khí cản và tia bị vỡ thành giọt nên góc tốt nhất thường thấp hơn một chút. Bạn có thể tự đo bằng cách bắn ở nhiều góc và đánh dấu chỗ nước rơi.

Vì sao lỗ phun nhỏ thì phải đẩy mạnh tay hơn?

Muốn ép cùng một lượng nước qua lỗ hẹp trong cùng thời gian, nước ở lỗ phải chạy rất nhanh, và cần áp suất trong ống cao hơn để tạo tốc độ ấy. Áp suất cao hơn nghĩa là tay phải ấn lực lớn hơn lên pít-tông.