Lực đẩy Ác-si-mét qua thuyền giấy bạc: chở bao nhiêu thì chìm

Lực đẩy Ác-si-mét là lực nước (hoặc bất kỳ chất lỏng, chất khí nào) đẩy ngược lên một vật nhúng trong nó, và lực này bằng đúng trọng lượng của phần nước bị vật chiếm chỗ. Chiếc thuyền nổi vì thân thuyền rỗng chiếm chỗ một lượng nước nặng bằng cả thuyền lẫn hàng. Một lá giấy bạc vo tròn thì chìm, nhưng gấp thành chiếc thuyền đáy rộng thì chở được cả nắm đai ốc.

Ác-si-mét và chiếc vương miện

Ác-si-mét (cách viết quốc tế là Archimedes) là nhà toán học, nhà phát minh sống ở thành phố Syracuse trên đảo Sicilia vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. Câu chuyện nổi tiếng nhất về ông là chiếc vương miện: nhà vua nghi người thợ kim hoàn đã trộn bạc vào vàng, và nhờ Ác-si-mét kiểm tra mà không được làm hỏng vương miện. Khi bước vào bồn tắm và thấy nước dâng lên tràn ra, ông nảy ra cách giải, rồi chạy ra phố kêu "Eureka!" (Tìm ra rồi!).

Câu chuyện này do kiến trúc sư La Mã Vitruvius kể lại, khoảng hai trăm năm sau khi Ác-si-mét mất, nên nhiều nhà sử học nghĩ nó đã được thêm thắt. Nhưng điều chắc chắn là Ác-si-mét đã viết một cuốn sách có tên Về các vật nổi, trong đó nêu nguyên lý mà ngày nay mang tên ông.

Nguyên lý nói gì

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

Hãy hình dung một cách đơn giản. Một lít nước nặng khoảng 1 kg. Nếu bạn ấn một chai nhựa 1 lít đậy kín xuống chậu nước cho ngập hết, chai đã đẩy 1 lít nước sang chỗ khác. Nước "đòi lại chỗ của mình" bằng cách đẩy chai lên với lực bằng sức nặng của 1 kg nước. Chai rỗng chỉ nặng vài chục gam, nên lực đẩy thắng xa và chai bật lên khi bạn buông tay.

Vậy một vật nổi hay chìm là cuộc so tài giữa hai lực:

• Trọng lượng của vật kéo xuống.
• Lực đẩy Ác-si-mét đẩy lên, lớn dần khi vật chìm sâu hơn (vì chiếm chỗ nhiều nước hơn).

Vật nổi khi nó chìm tới mức lực đẩy bằng trọng lượng của nó. Nếu chìm hết mà lực đẩy vẫn nhỏ hơn trọng lượng, vật chìm xuống đáy.

Vì sao tàu thép nặng nghìn tấn vẫn nổi

Một khối thép đặc chìm ngay, vì thép nặng gần gấp tám lần nước cùng thể tích. Nhưng một con tàu không phải khối thép đặc. Nó là một vỏ thép mỏng bao quanh một khoảng rỗng rất lớn chứa không khí, hàng hóa, người. Tính cả khoảng rỗng đó, "độ nặng trung bình" của con tàu nhẹ hơn nước. Thân tàu chìm xuống tới khi phần chìm chiếm chỗ một lượng nước nặng đúng bằng cả con tàu, rồi dừng lại ở đó.

Chất thêm hàng, con tàu chìm sâu hơn để chiếm thêm nước. Chất quá nhiều, nước dâng tới mép boong rồi tràn vào, và con tàu chìm. Vì vậy mọi con tàu đều có giới hạn chở.

Vạch Plimsoll: đường kẻ cứu người

Ở thế kỷ 19, nhiều chủ tàu ở Anh chất hàng quá tải để kiếm lời, và nhiều con tàu đã chìm cùng thủy thủ. Chính trị gia người Anh Samuel Plimsoll vận động suốt nhiều năm để bắt buộc mỗi con tàu phải sơn một vạch trên mạn. Luật Vận tải Biển của Anh năm 1876 đưa vạch này thành quy định. Ngày nay, tàu biển trên toàn thế giới đều có vạch mớn nước: khi chất hàng, mặt nước không được vượt quá vạch.

Điều thú vị là vạch này có nhiều nấc khác nhau cho nước ngọt, nước biển, mùa hè, mùa đông. Nước biển có muối nên nặng hơn nước ngọt khoảng 2–3%, đẩy mạnh hơn, nên cùng một con tàu nổi cao hơn khi ra biển. Một con tàu chất đầy hàng ở cảng sông sẽ "nhô lên" một chút khi đi ra cửa biển.

Thuyền Việt và cách nổi của chúng

Loại thuyền	Làm bằng	Bí quyết nổi
Thuyền thúng (thúng chai)	Tre đan, trét lớp chống thấm	Hình bán cầu rộng, chiếm nhiều nước dù rất nông
Ghe, xuồng ba lá	Gỗ ván	Gỗ nhẹ hơn nước, thân dài hẹp để lướt nhanh
Bè tre, bè chuối	Thân tre, thân chuối kết lại	Ống tre rỗng có nhiều khoang khí kín giữa các đốt
Tàu sắt, tàu thép	Thép tấm	Vỏ mỏng bao quanh khoảng rỗng lớn

Thuyền thúng ở các làng biển miền Trung là ví dụ đẹp: nó gần như không có "mũi" hay "đuôi", chỉ là một chiếc nồi tròn khổng lồ. Hình tròn giúp thúng xoay trở dễ trong sóng và đáy rộng giúp nó nổi rất cao dù chở người và lưới.

Tàu ngầm, cá và quả trứng

Tàu ngầm lặn và nổi thế nào

Tàu ngầm có những két lớn gọi là két dằn. Muốn lặn, tàu bơm nước biển vào két, làm cả con tàu nặng lên mà thể tích không đổi, nên nó chìm xuống. Muốn nổi, tàu dùng khí nén đẩy nước ra khỏi két, con tàu nhẹ đi và trồi lên.

Cá có bong bóng

Nhiều loài cá xương có một túi khí trong bụng gọi là bóng bơi. Bằng cách điều chỉnh lượng khí trong đó, cá có thể lơ lửng ở một độ sâu mà không cần quẫy đuôi liên tục. Cá mập thì không có bóng bơi; chúng dựa vào lá gan nhiều dầu (dầu nhẹ hơn nước) và phải bơi để không chìm.

Quả trứng trong nước muối

Thả một quả trứng gà sống vào cốc nước lã, trứng chìm. Khuấy dần muối vào, đến một lúc trứng lơ lửng rồi nổi lên. Trứng không đổi gì cả; nước muối nặng hơn nên đẩy mạnh hơn. Cùng lý do, người ta nổi dễ dàng ở biển Chết, nơi nước mặn hơn nước biển thường nhiều lần.

Thử làm: thuyền giấy bạc chở được bao nhiêu

Đây là thử thách thiết kế quen thuộc trong các lớp khoa học trên thế giới. Mỗi người dùng cùng một miếng giấy bạc, ai cũng có thể cải tiến thuyền của chính mình qua nhiều lần thử.

Chuẩn bị: giấy bạc nhôm (loại dùng trong bếp), kéo, thước kẻ, một chậu nước, và "hàng hóa" là những vật nhỏ giống hệt nhau: đai ốc, kẹp giấy, viên bi ve, đồng xu, hoặc hạt đậu khô. Một chiếc cân nhà bếp nếu có.

1. Cắt một miếng giấy bạc vuông cạnh 15 cm. Mọi lần thử đều dùng đúng cỡ này.
2. Thử 1: vo tròn miếng giấy bạc thật chặt, thả vào nước. Nó nổi hay chìm?
3. Thử 2: làm một miếng giấy bạc mới, gấp mép lên thành chiếc thuyền đáy phẳng, thành cao khoảng 2 cm. Thả nhẹ lên mặt nước.
4. Đặt từng món hàng vào giữa thuyền, đếm cho tới khi nước tràn vào và thuyền chìm.
5. Ghi lại số món hàng. Thiết kế lại: đáy rộng hơn mà thành thấp hơn? Đáy hẹp mà thành cao hơn? Thuyền tròn hay vuông? Mỗi kiểu thử ít nhất hai lần.

Tính trước bằng toán

Một chiếc thuyền đáy 10 cm × 10 cm, thành cao 2 cm có thể tích 10 × 10 × 2 = 200 cm³. Khi chìm sát mép, nó chiếm chỗ 200 cm³ nước, tức nặng khoảng 200 gam. Trừ đi sức nặng của chính miếng giấy bạc (vài gam), thuyền về lý thuyết chở được gần 200 gam hàng. Nếu có cân, hãy cân số hàng làm thuyền chìm và so với con số tính trước. Thường thì thuyền chìm sớm hơn, vì hàng dồn về một phía làm thuyền nghiêng và nước tràn qua mép thấp nhất.

Mẹo của người đóng thuyền: rải hàng đều khắp đáy, đừng chất một đống ở giữa hay một bên. Đó cũng là lý do người ta xếp container trên tàu thật rất cân đối.

Nổi và an toàn dưới nước

Cơ thể người, khi hít đầy hơi, có độ nặng trung bình xấp xỉ nước, nên có người nổi dễ, có người khó. Áo phao chứa xốp hoặc khí, làm tăng thể tích chiếm nước mà gần như không thêm trọng lượng, giữ đầu người nổi trên mặt nước. Biết nguyên lý Ác-si-mét không thay được việc học bơi và mặc áo phao. Khi đi thuyền, đò, ra sông hồ, luôn mặc áo phao và đi cùng người lớn.

Câu hỏi thường gặp

Lực đẩy Ác-si-mét là gì?

Là lực chất lỏng hoặc chất khí đẩy ngược lên một vật nhúng trong nó. Độ lớn của lực bằng trọng lượng phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ. Vật nổi khi lực này cân bằng được trọng lượng của vật.

Vì sao thuyền sắt nặng mà không chìm?

Thuyền sắt có vỏ mỏng bao quanh một khoảng rỗng lớn chứa không khí. Tính cả khoảng rỗng, thuyền nhẹ hơn lượng nước có cùng thể tích, nên nó chìm tới mức chiếm chỗ đủ nước nặng bằng mình rồi nổi ở đó.

Vì sao nước biển dễ nổi hơn nước ngọt?

Nước biển có muối hòa tan nên nặng hơn nước ngọt cùng thể tích, khoảng 2–3%. Lực đẩy Ác-si-mét vì thế lớn hơn, khiến người và tàu nổi cao hơn khi ở biển.

Vạch Plimsoll trên tàu là gì?

Là vạch mớn nước sơn trên mạn tàu cho biết tàu được chất hàng sâu tới đâu. Vạch được đặt theo tên Samuel Plimsoll, người vận động để Anh đưa nó thành quy định năm 1876 nhằm chống chở quá tải.

Làm thuyền giấy bạc chở được nhiều nhất thế nào?

Làm đáy rộng và phẳng để thuyền chiếm chỗ được nhiều nước, giữ thành đủ cao để nước không tràn vào, và rải hàng đều khắp đáy. Mỗi lần chỉ đổi một yếu tố thiết kế để biết điều gì thật sự giúp thuyền chở được nhiều hơn.