Trọng lực là gì và vì sao hòn đá, viên sỏi rơi chạm đất cùng lúc

Trọng lực là lực Trái Đất hút mọi vật về phía tâm của nó. Nếu bỏ qua sức cản của không khí, hòn đá to và viên sỏi nhỏ thả cùng độ cao sẽ chạm đất cùng lúc, vì vật nặng bị hút mạnh hơn nhưng cũng "lì" hơn, khó tăng tốc hơn, hai điều này bù trừ nhau vừa khít. Tờ giấy rơi chậm hơn hòn đá không phải vì nó nhẹ, mà vì không khí cản nó nhiều hơn.

Trọng lực là gì

Mọi vật có khối lượng đều hút nhau. Lực hút giữa hai quyển vở trên bàn có thật nhưng nhỏ đến mức không cảm nhận được. Chỉ khi một trong hai vật cực kỳ lớn, như Trái Đất, lực hút mới đủ mạnh để ta thấy: quả xoài rụng, nước chảy xuống dốc, bạn nhảy lên rồi rơi xuống.

Isaac Newton là người đầu tiên viết ra định luật vạn vật hấp dẫn, công bố năm 1687. Ông chỉ ra rằng lực làm quả táo rơi và lực giữ Mặt Trăng quay quanh Trái Đất là cùng một loại lực. Câu chuyện quả táo rơi trúng đầu Newton thì nhiều khả năng đã được kể cho sinh động; chính Newton lúc về già có kể với người quen rằng ông nảy ra ý tưởng khi nhìn một quả táo rơi trong vườn, nhưng không nói nó rơi trúng đầu.

Trên mặt đất, trọng lực làm mọi vật rơi tự do tăng tốc thêm khoảng 9,8 mét mỗi giây sau mỗi giây. Các nhà vật lý gọi con số này là gia tốc trọng trường, ký hiệu g. Giá trị chính xác thay đổi rất nhẹ theo nơi bạn đứng: ở hai cực lớn hơn một chút, ở xích đạo và trên đỉnh núi cao nhỏ hơn một chút.

Câu hỏi hai nghìn năm: vật nặng có rơi nhanh hơn không

Nhà triết học Hy Lạp Aristotle, sống vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ, nặng gấp đôi thì rơi nhanh gấp đôi. Nghe rất hợp lý: hòn đá rơi "bịch" một cái, chiếc lá thì bay lả tả. Ý kiến này được tin theo suốt gần hai nghìn năm.

Năm 1586, nhà khoa học người Hà Lan Simon Stevin cùng một người bạn thả hai quả cầu chì, một quả nặng gấp mười lần quả kia, từ tháp nhà thờ ở thành phố Delft. Hai quả chạm sàn gỗ bên dưới gần như cùng một tiếng.

Galileo Galilei ở Ý nổi tiếng hơn với câu chuyện thả hai quả cầu từ tháp nghiêng Pisa. Nhưng chuyện này chỉ do học trò của ông kể lại nhiều năm sau, và các nhà sử học vẫn tranh cãi không biết nó có thật xảy ra hay không. Điều chắc chắn là Galileo đã làm rất nhiều thí nghiệm lăn bi trên mặt phẳng nghiêng, đo thời gian bằng lượng nước chảy ra từ một bình, và kết luận rằng nếu không có không khí cản thì mọi vật rơi như nhau.

Ông còn đưa ra một lập luận chỉ cần suy nghĩ, không cần dụng cụ: giả sử vật nặng rơi nhanh hơn, vậy buộc một hòn đá nặng với một hòn đá nhẹ lại thì sao? Hòn nhẹ rơi chậm sẽ "níu" hòn nặng, nên cả bó rơi chậm hơn hòn nặng. Nhưng cả bó lại nặng hơn hòn nặng, nên phải rơi nhanh hơn. Hai kết luận đá nhau. Vậy giả thuyết ban đầu phải sai.

Vì sao nặng nhẹ lại rơi như nhau

Đây là chỗ hay nhất. Trái Đất đúng là hút hòn đá 1 kg mạnh gấp mười lần viên sỏi 100 gam. Nhưng hòn đá cũng nặng gấp mười lần, nên muốn làm nó tăng tốc thì cần lực gấp mười lần (theo định luật 2 Newton, F = m × a). Lực gấp mười chia cho khối lượng gấp mười, ra cùng một gia tốc. Kết quả: cả hai tăng tốc như nhau, 9,8 mét mỗi giây sau mỗi giây.

Nói theo kiểu đời thường: Trái Đất kéo vật nặng mạnh hơn, nhưng vật nặng cũng "cứng đầu" hơn đúng chừng ấy.

Thế thì tại sao tờ giấy rơi chậm

Vì chúng ta sống trong một biển không khí. Khi rơi, vật phải gạt không khí sang hai bên. Sức cản này phụ thuộc vào hình dạng, diện tích mặt đón gió và tốc độ. Tờ giấy phẳng có diện tích lớn mà lại rất nhẹ, nên sức cản gần như ngang bằng trọng lượng của nó ngay từ khi mới rơi. Vo tròn tờ giấy đó lại, khối lượng không đổi nhưng diện tích đón gió nhỏ đi nhiều, và nó rơi gần nhanh như hòn đá.

Khi sức cản tăng lên bằng trọng lượng, vật thôi tăng tốc và rơi đều. Tốc độ này gọi là tốc độ giới hạn. Hạt mưa nhỏ có tốc độ giới hạn chỉ vài mét mỗi giây, nhờ vậy mưa rơi vào người không làm ta đau. Người nhảy dù có tốc độ giới hạn lớn hơn nhiều khi chưa bung dù; dù bung ra làm diện tích cản tăng vọt và tốc độ giảm xuống mức tiếp đất an toàn.

Chứng minh trên Mặt Trăng

Ngày 2 tháng 8 năm 1971, phi hành gia David Scott của sứ mệnh Apollo 15 đứng trên Mặt Trăng, một tay cầm chiếc búa, một tay cầm chiếc lông chim ưng, thả cả hai cùng lúc trước ống kính truyền hình. Mặt Trăng gần như không có không khí. Chiếc búa và chiếc lông rơi song song và chạm đất cùng lúc. Scott nói đại ý rằng điều Galileo phát hiện là đúng. Đoạn phim này ngày nay vẫn được chiếu trong nhiều lớp học vật lý.

Trên Trái Đất, người ta cũng làm được điều tương tự trong buồng hút chân không cỡ lớn. Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) có một buồng như vậy ở bang Ohio, và một chương trình truyền hình khoa học của Anh từng quay cảnh quả bóng bowling và chùm lông vũ rơi cùng nhau trong đó.

Rơi bao lâu thì nhanh cỡ nào

Bảng dưới tính cho vật rơi tự do, bỏ qua không khí. Với vật nhỏ và đặc như hòn sỏi, quả bóng ten-nít, con số thật khá gần bảng này trong một hai giây đầu.

Thời gian rơi	Quãng đường đã rơi	Tốc độ lúc đó	Hình dung
0,5 giây	khoảng 1,2 m	4,9 m/s (khoảng 18 km/h)	rơi từ mặt bàn cao
1 giây	khoảng 4,9 m	9,8 m/s (khoảng 35 km/h)	rơi từ tầng 2
2 giây	khoảng 19,6 m	19,6 m/s (khoảng 71 km/h)	rơi từ tòa nhà 6–7 tầng
3 giây	khoảng 44 m	29,4 m/s (khoảng 106 km/h)	rơi từ tòa nhà hơn 14 tầng

Quãng đường không tăng đều mà tăng theo bình phương thời gian: rơi lâu gấp đôi thì quãng đường gấp bốn. Đây là lý do một vật nhỏ rơi từ tầng cao cực kỳ nguy hiểm cho người bên dưới, và vì sao không bao giờ được ném hay để rơi bất cứ thứ gì từ ban công, cửa sổ.

Trọng lượng khác khối lượng

Hai từ này hay bị dùng lẫn. Khối lượng là lượng "chất" trong vật, đo bằng ki-lô-gam, ở đâu cũng vậy. Trọng lượng là độ lớn lực hút của hành tinh lên vật, đo bằng newton, thay đổi theo nơi bạn đứng.

Nơi đứng	Gia tốc rơi (xấp xỉ)	Bạn 40 kg "nặng" như bao nhiêu kg ở Trái Đất
Trái Đất	9,8 m/s²	40 kg
Mặt Trăng	1,6 m/s²	khoảng 6,5 kg
Sao Hỏa	3,7 m/s²	khoảng 15 kg
Sao Mộc (ở tầng mây)	khoảng 24,8 m/s²	khoảng 100 kg

Trên Mặt Trăng bạn vẫn có 40 kg khối lượng, vẫn khó đẩy y như trên Trái Đất nếu muốn chạy vụt đi, nhưng nhấc mình lên thì nhẹ hẳn. Vì thế các phi hành gia Apollo đi lại bằng những bước nhảy chụm chân.

Thử làm: đo thời gian phản xạ bằng một cây thước rơi

Bạn có thể dùng trọng lực làm đồng hồ bấm giờ. Vì vật rơi tăng tốc rất đều, biết quãng đường rơi là tính ngược ra được thời gian.

Chuẩn bị: một cây thước kẻ dài 30 cm hoặc thước dài hơn, một người bạn.

1. Bạn A cầm đầu trên của thước, để thước dựng đứng, vạch số 0 ở dưới cùng.
2. Bạn B đặt ngón cái và ngón trỏ mở sẵn ngang vạch 0, không chạm vào thước.
3. Bạn A thả thước bất ngờ, không báo trước. Bạn B kẹp lại thật nhanh.
4. Đọc vạch ngay chỗ ngón tay kẹp, rồi tra bảng dưới.

Thước rơi được	Thời gian phản xạ
5 cm	khoảng 0,10 giây
10 cm	khoảng 0,14 giây
15 cm	khoảng 0,18 giây
20 cm	khoảng 0,20 giây
25 cm	khoảng 0,23 giây
30 cm	khoảng 0,25 giây

Đây không phải bài kiểm tra ai nhanh hơn ai. Hãy dùng nó để tự so với chính mình: buổi sáng và buổi tối khác nhau không, khi mắt nhìn chăm chú và khi vừa nói chuyện khác nhau không, tay thuận và tay không thuận khác nhau không. Mỗi trường hợp làm năm lần rồi lấy số ở giữa.

Thêm hai thí nghiệm một phút

• Giấy và sách: thả một quyển sách và một tờ giấy phẳng riêng rẽ, giấy rơi chậm hẳn. Giờ đặt tờ giấy (nhỏ hơn bìa sách) nằm trên mặt quyển sách rồi thả cả hai. Sách đi trước "dọn đường", không khí không cản được tờ giấy, và nó rơi dính theo sách.
• Giấy phẳng và giấy vo: hai tờ giấy giống hệt, vo tròn một tờ. Cùng khối lượng mà rơi khác hẳn, chứng tỏ thủ phạm là không khí.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao vật nặng và vật nhẹ rơi nhanh như nhau?

Trái Đất hút vật nặng mạnh hơn, nhưng vật nặng cũng cần lực lớn hơn để tăng tốc, theo đúng tỉ lệ đó. Hai điều bù trừ nhau nên mọi vật đều tăng tốc khoảng 9,8 m/s mỗi giây khi không có không khí cản. Trong đời thường, khác biệt mà ta thấy là do sức cản của không khí.

Galileo có thả bóng từ tháp nghiêng Pisa thật không?

Chưa chắc. Câu chuyện do học trò của Galileo kể lại nhiều năm sau và các nhà sử học vẫn còn tranh cãi. Điều chắc chắn là Galileo đã làm nhiều thí nghiệm với bi lăn trên mặt nghiêng, còn Simon Stevin đã thả hai quả cầu chì từ tháp nhà thờ ở Delft năm 1586.

Trọng lượng và khối lượng khác nhau thế nào?

Khối lượng là lượng chất trong vật, đo bằng ki-lô-gam và không đổi dù ở đâu. Trọng lượng là lực hút của hành tinh lên vật, đo bằng newton, nên lên Mặt Trăng trọng lượng chỉ còn khoảng một phần sáu. Cân ở nhà thực chất đo trọng lượng rồi đổi ra ki-lô-gam theo trọng lực Trái Đất.

Thả búa và lông chim trên Mặt Trăng là thí nghiệm gì?

Đó là thí nghiệm phi hành gia David Scott làm năm 1971 trong sứ mệnh Apollo 15. Vì Mặt Trăng gần như không có không khí, chiếc búa và chiếc lông chim ưng rơi cùng nhau và chạm đất cùng lúc, đúng như Galileo dự đoán.

Tốc độ giới hạn là gì?

Là tốc độ ổn định mà vật đạt được khi sức cản không khí tăng lên bằng trọng lượng của nó, lúc đó vật thôi tăng tốc. Hạt mưa, chiếc lá, người nhảy dù đều có tốc độ giới hạn riêng, tùy hình dạng và khối lượng.