Thuyền giấy nổi được vì đâu: lực đẩy Ác-si-mét và giấy thấm nước

Thuyền giấy nổi được vì nó chiếm chỗ của một lượng nước nặng bằng chính nó. Khi thuyền ấn xuống mặt nước, nước bị gạt sang bên và đẩy ngược lên đáy thuyền; lực đẩy này bằng trọng lượng của phần nước bị chiếm chỗ. Nhờ có hình lòng thuyền chứa đầy không khí, một tờ giấy nhẹ gạt được khá nhiều nước nên nổi. Thuyền chìm khi giấy hút đủ nước, mềm nhũn và sụp mất hình dáng ấy.

Lực đẩy của nước: chuyện của Ác-si-mét

Khi bạn ngồi xuống bồn tắm đầy nước, nước dâng lên và tràn ra. Người Hy Lạp cổ đại Ác-si-mét (Archimedes, thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên) được coi là người đầu tiên phát biểu rõ quy luật đằng sau chuyện ấy. Có một chuyện kể nổi tiếng rằng ông nghĩ ra lời giải khi đang tắm và chạy ra phố reo "Eureka!" (Tìm ra rồi!). Chuyện kể này có lẽ đã được thêm thắt qua nhiều đời, nhưng quy luật thì đúng và được đặt theo tên ông:

Một vật nhúng trong chất lỏng bị đẩy lên một lực bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ.

Một lít nước nặng khoảng 1 kg. Vậy nếu phần thuyền ngập dưới mặt nước chiếm chỗ của nửa lít nước, thuyền được đẩy lên một lực bằng sức nặng của nửa ký. Nếu chính chiếc thuyền cộng hàng hoá nặng ít hơn nửa ký, nó còn nổi cao hơn nữa. Nếu nặng hơn, nó lún xuống thêm để chiếm chỗ nhiều nước hơn, cho đến khi hai bên bằng nhau. Không còn chỗ để lún nữa, tức nước tràn vào mạn, thì thuyền chìm.

Vì sao tàu bằng thép nặng hàng nghìn tấn vẫn nổi

Một khối thép đặc nặng gần gấp tám lần khối nước cùng kích thước, thả xuống là chìm ngay. Nhưng cũng chừng ấy thép được cán mỏng rồi đóng thành vỏ tàu rỗng, thì toàn bộ phần trong lòng tàu là không khí. Cả con tàu, tính cả khoảng không bên trong, nhẹ hơn khối nước có cùng thể tích với phần thân tàu ngập dưới nước. Vì thế nó nổi.

Điều quan trọng không phải vật làm bằng gì, mà là khối lượng chia cho thể tích nó chiếm trong nước, tức khối lượng riêng trung bình. Thuyền giấy cũng thế: bản thân giấy ngấm nước rồi sẽ chìm, nhưng khi được gấp thành lòng thuyền, nó ôm theo một khoảng không khí lớn.

Vật	Nặng hơn hay nhẹ hơn nước cùng thể tích	Thả xuống nước
Hòn bi thép	Nặng gần gấp tám	Chìm
Tờ giấy vo thành viên chặt, đã ngấm nước	Nặng hơn	Chìm dần
Thuyền giấy gấp	Nhẹ hơn nhiều, vì lòng thuyền chứa không khí	Nổi cho đến khi giấy ngấm nước
Thuyền nhôm lá	Nhẹ hơn nhiều	Nổi, chở được hàng
Quả cam còn vỏ	Nhẹ hơn (vỏ xốp chứa khí)	Nổi; bóc vỏ thì thường chìm

Giấy ướt: kẻ thù thật sự của thuyền giấy

Giấy làm từ những sợi xenlulô rất nhỏ đan vào nhau, giữa các sợi là vô số kẽ hở li ti. Nước len vào các kẽ hở đó nhờ hiện tượng mao dẫn, giống cách bấc đèn dầu hút dầu lên, hay khăn giấy chấm vào nước trà thì vệt nước bò lên. Nước len vào làm các sợi giấy trương lên và trượt khỏi nhau. Giấy mềm nhũn, lòng thuyền sụp, mạn thuyền gục xuống, nước tràn vào và thuyền chìm.

Muốn thuyền giấy sống lâu hơn, phải chặn mao dẫn:

• Tô sáp màu kín mặt giấy trước khi gấp. Sáp không hút nước, lấp kín các kẽ hở.
• Dùng giấy tráng bóng như tờ quảng cáo, bìa lịch.
• Dán băng dính trong phủ đáy thuyền.

Thuyền lá thì có lợi thế sẵn: nhiều loại lá có lớp sáp mỏng trên bề mặt, nước đọng lại thành giọt mà không thấm vào. Thuyền bẹ cau, thuyền lá chuối của trẻ con miền quê nổi được lâu hơn thuyền giấy là vì thế.

Người đi biển cũng phải giải bài toán thấm nước. Thuyền thúng của ngư dân miền Trung đan bằng tre, những nan tre có kẽ hở khắp nơi. Người ta trét kín lòng thúng bằng các loại nhựa cây, trong đó hay được nhắc đến là dầu rái, để nước không lọt vào.

Thuyền chở bao nhiêu thì vừa: vạch mớn nước

Nếu xếp quá nhiều hàng, thuyền lún sâu, mạn thuyền chỉ nhô khỏi mặt nước một chút. Gặp sóng là nước tràn vào. Ở nước Anh thế kỷ 19, nhiều tàu buôn bị chất quá tải đã chìm cùng thuỷ thủ. Một nghị sĩ tên Samuel Plimsoll vận động suốt nhiều năm, và đến năm 1876 nước Anh ra luật bắt tàu buôn phải kẻ một vạch trên mạn tàu: chở hàng đến khi mặt nước chạm vạch ấy là phải dừng. Ngày nay tàu biển trên khắp thế giới đều có vạch tương tự, gọi là vạch mớn nước hay dấu chở hàng.

Vạch ấy không phải một nét mà là một nhóm nét. Lý do: nước biển mặn nặng hơn nước ngọt một chút, khoảng 1,025 kg mỗi lít, nên đẩy tàu lên mạnh hơn. Cùng một con tàu, chở cùng một lượng hàng, sẽ nổi cao hơn ở biển và lún sâu hơn khi vào sông. Nước ấm và nước lạnh cũng khác nhau một chút. Mỗi nét ứng với một loại nước.

Hình dáng thuyền quan trọng thế nào

• Đáy rộng, phẳng chiếm nhiều nước khi lún ít, chở được nhiều hàng và khó lật ở vùng nước lặng. Đó là dáng của sà lan và thuyền chở hàng trên sông.
• Đáy hẹp, sâu, mũi nhọn rẽ nước dễ, chạy nhanh hơn nhưng chở ít và dễ chòng chành hơn nếu không có vật dằn.
• Trọng tâm thấp giúp thuyền khó lật: hàng nặng xếp dưới đáy, ở giữa, chia đều hai bên.

Thuyền giấy gấp kiểu "thuyền mui" quen thuộc có đáy hẹp và cao, nên chòng chành và dễ lật khi bỏ đồ vào. Đó là lý do trong thí nghiệm dưới đây, thuyền đáy phẳng thường thắng.

Thử làm: thuyền nào chở được nhiều nhất

Vật liệu

• Giấy nhôm bọc thực phẩm, cắt thành ba miếng vuông bằng nhau, cạnh 15 cm
• Một chậu nước, khoảng 100 chiếc kẹp giấy giống nhau (hoặc hạt đậu, viên bi nhỏ cùng cỡ)
• Hai tờ giấy in, bút sáp màu, khăn lau

Phần một: hình dáng

1. Gấp ba chiếc thuyền nhôm từ ba miếng giống nhau: một chiếc đáy vuông thành thấp (gập mép lên 2 cm), một chiếc đáy nhỏ thành cao (gập mép lên 5 cm), một chiếc hình mũi nhọn tuỳ bạn nghĩ.
2. Thả từng chiếc, thêm từng kẹp giấy một, đặt nhẹ, rải đều. Đếm đến khi thuyền chìm.
3. Ghi số. Làm lại lần hai cho chắc.

Bạn sẽ thấy thuyền nặng như nhau (cùng một miếng nhôm) mà chở được số kẹp khác hẳn nhau. Chiếc chở nhiều nhất thường là chiếc có thể tích lòng thuyền lớn mà vẫn đứng vững. Thử tìm ra hình dáng chở được nhiều nhất trong lớp.

Phần hai: chống thấm

1. Tô sáp màu kín cả hai mặt một tờ giấy in. Tờ còn lại để trơn.
2. Gấp hai chiếc thuyền giống nhau từ hai tờ giấy.
3. Thả cùng lúc vào chậu, bấm giờ xem thuyền nào gục trước.

Phần ba: nước muối

Thả một quả trứng gà sống vào cốc nước ngọt: trứng thường chìm. Hoà dần muối vào nước (vài thìa), khuấy đều. Đến một lúc quả trứng nổi lên. Nước muối nặng hơn nước ngọt nên đẩy mạnh hơn, giống tàu biển nổi cao hơn khi ra khơi.

Chơi với chậu nước trong nhà hoặc trên sân, có người lớn ở gần khi thả thuyền ở mương, ao. Không cúi người với thuyền ở bờ sông, mép ao sâu.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao thuyền giấy nổi được trên nước?

Thuyền giấy có lòng rỗng chứa không khí nên chiếm chỗ một lượng nước khá lớn so với sức nặng của nó. Nước bị chiếm chỗ đẩy ngược lên bằng trọng lượng của chính phần nước ấy, đủ để giữ thuyền nổi.

Vì sao thuyền giấy để lâu thì chìm?

Giấy là các sợi xenlulô đan vào nhau, nước len vào kẽ hở giữa các sợi nhờ hiện tượng mao dẫn. Giấy ngấm nước thì mềm nhũn, lòng thuyền sụp, nước tràn vào và thuyền chìm. Tô sáp màu kín mặt giấy giúp thuyền nổi lâu hơn.

Định luật Ác-si-mét là gì?

Định luật Ác-si-mét nói rằng một vật nhúng trong chất lỏng bị đẩy lên một lực bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ. Vật nổi khi lực đẩy này lớn bằng trọng lượng của nó trước khi nó ngập hết.

Vì sao tàu sắt nặng vẫn nổi mà cây đinh sắt lại chìm?

Cây đinh đặc nặng hơn khối nước cùng thể tích nên chìm. Tàu được làm từ thép mỏng bao quanh một khoảng không khí lớn, nên tính cả khoảng không ấy, tàu nhẹ hơn khối nước mà nó chiếm chỗ. Điều quyết định là khối lượng riêng trung bình chứ không phải vật liệu.

Vạch mớn nước trên tàu là gì?

Đó là các vạch kẻ trên mạn tàu cho biết được chở hàng đến mức nào, mặt nước chạm vạch là phải dừng. Có nhiều vạch vì tàu nổi cao thấp khác nhau trong nước biển, nước ngọt, nước ấm, nước lạnh. Nước Anh bắt buộc kẻ vạch này từ năm 1876 nhờ vận động của nghị sĩ Samuel Plimsoll.