Xe dây chun và xe bóng bay: so hai nguồn năng lượng như nhà khoa học

Xe dây chun và xe bóng bay là hai loại xe tự làm phổ biến nhất ở các lớp khoa học, và chúng chạy bằng hai nguồn năng lượng khác hẳn nhau. Xe dây chun cất năng lượng trong sợi chun bị xoắn hoặc kéo căng, rồi nhả ra để quay bánh. Xe bóng bay cất năng lượng trong quả bóng căng, rồi phụt không khí ra phía sau để đẩy xe về phía trước. Làm cả hai rồi đo, em sẽ hiểu cách các kỹ sư so sánh động cơ thật.

Hai cách cất năng lượng

Năng lượng đàn hồi trong dây chun

Khi em kéo căng hoặc xoắn một sợi dây chun, các chuỗi phân tử cao su dài bên trong bị kéo thẳng ra. Chúng "muốn" co lại về trạng thái lộn xộn ban đầu. Công em bỏ ra để kéo được cất lại dưới dạng năng lượng đàn hồi. Khi buông, sợi chun co lại và trả năng lượng đó ra — nhưng không trả đủ. Một phần biến thành nhiệt: nếu em kéo giãn rồi thả một sợi chun to nhiều lần liên tục và áp nó lên môi, em có thể cảm thấy nó hơi ấm lên.

Không khí nén trong quả bóng

Khi thổi bóng, em ép thêm nhiều không khí vào một chỗ hẹp, đồng thời làm vỏ cao su căng ra. Vỏ bóng bóp vào trong, giữ không khí bên trong ở áp suất cao hơn bên ngoài. Mở miệng bóng, không khí phụt ra. Không khí bị đẩy về phía sau thì theo định luật III Newton, nó đẩy ngược quả bóng — và chiếc xe gắn với quả bóng — về phía trước. Đây cũng là nguyên lý của động cơ phản lực và tên lửa, dù tên lửa thật đẩy khí nóng ra nhanh hơn hàng trăm lần.

Cấu tạo hai loại xe

	Xe dây chun	Xe bóng bay
Nguồn năng lượng	Dây chun xoắn quanh trục bánh	Bóng bay thổi căng
Lực đẩy truyền qua	Bánh xe (bánh quay, ma sát với mặt đất đẩy xe đi)	Luồng khí phụt ra sau (không cần bánh đẩy)
Kiểu chạy	Khởi đầu hơi mạnh, có thể chạy đều khá lâu	Lao vọt rất mạnh lúc đầu, rồi hết hơi nhanh
Hỏng hay gặp	Bánh quay tại chỗ, trượt; dây chun tuột khỏi trục	Ống hút gập, khí xì ra lệch hướng làm xe quay vòng
Cách tăng quãng đường	Xoắn nhiều vòng hơn, bánh sau to hơn, thêm độ bám	Thổi bóng to hơn, ống phụt thẳng, xe nhẹ hơn

Thử làm: đóng hai chiếc xe

Vật liệu chung: tấm bìa cứng hoặc khay xốp sạch làm thân (khoảng 10 cm × 20 cm), hai que xiên thẳng làm trục, bốn nắp chai nhựa làm bánh, hai ống hút để làm bạc trục, băng dính, keo nến hoặc keo dán. Đục lỗ giữa nắp chai và cắt que xiên là việc của người lớn; súng keo nến cũng cần người lớn cầm.

Phần chung: khung và bánh

1. Cắt hai đoạn ống hút dài hơn chiều rộng thân xe một chút, dán ngang ở đầu và cuối thân, thật song song với nhau.
2. Luồn que xiên qua ống hút. Gắn nắp chai vào hai đầu que, chấm keo để bánh quay cùng trục.
3. Búng nhẹ cho bánh quay. Bánh tốt phải quay trơn và không lắc lư. Nếu bánh đảo, chỉnh lại lỗ ở tâm nắp.
4. Đặt xe trên sàn, đẩy nhẹ. Xe phải lăn thẳng. Nếu xe lệch, kiểm tra hai ống hút đã song song chưa.

Xe dây chun

1. Dán một mẩu băng dính quấn quanh trục sau, để lại một "móc" nhỏ hoặc chấm keo cho dây chun vướng vào.
2. Móc một đầu dây chun vào đầu xe (vào một que kem dán ở mũi), đầu kia móc vào trục sau.
3. Xoay bánh sau ngược chiều chạy để dây chun quấn quanh trục. Đặt xe xuống và buông tay.

Xe bóng bay

1. Luồn một ống hút vào miệng bóng, quấn băng dính thật kín để khí chỉ thoát qua ống.
2. Dán ống hút dọc thân xe, đầu ống thò ra ở đuôi, thẳng hàng với hướng chạy.
3. Thổi bóng qua ống hút, bịt đầu ống bằng ngón tay, đặt xe xuống và buông.

Mỗi bạn dùng bóng và ống hút riêng, không thổi chung. Bóng nổ hoặc mảnh bóng vỡ phải nhặt ngay: mảnh cao su là thứ dễ làm trẻ nhỏ hóc, nên không để em bé dưới 8 tuổi tự thổi hay ngậm bóng.

Đo như một nhà khoa học: chỉ đổi một thứ

Đóng xe xong mới là nửa đầu. Nửa sau quan trọng hơn: đặt câu hỏi rồi đo. Một thí nghiệm công bằng chỉ đổi một biến mỗi lần, giữ nguyên mọi thứ khác.

Một số câu hỏi đáng thử:

• Xe dây chun: xoắn 10, 20, 30 vòng thì xe đi được bao xa? Quãng đường có tăng đều theo số vòng không?
• Xe dây chun: dùng một sợi chun so với hai sợi chun ghép song song?
• Xe bóng bay: thổi bóng to bằng nắm tay, bằng quả cam, bằng quả bưởi — đo chu vi bóng bằng dây và thước.
• Xe bóng bay: ống hút to so với ống hút nhỏ. Ống nhỏ cho luồng khí mạnh mà ngắn hay yếu mà dài?
• Cả hai: chạy trên sàn gạch so với trên thảm.

Mẫu bảng ghi chép:

Lần thử	Biến thay đổi	Lần 1 (cm)	Lần 2 (cm)	Lần 3 (cm)	Trung bình (cm)
A	Xoắn 10 vòng
B	Xoắn 20 vòng
C	Xoắn 30 vòng

Vì sao phải thử ba lần? Vì mỗi lần thả, tay em đặt hơi khác, sàn chỗ này chỗ kia hơi khác. Lấy trung bình giúp những "nhiễu" ngẫu nhiên đó bù trừ cho nhau. Nếu ba số chênh nhau quá nhiều, đó là dấu hiệu thí nghiệm chưa đủ kiểm soát — tìm xem cái gì đang thay đổi mà em chưa để ý.

Gỡ rối khi xe không chạy

Hiện tượng	Nguyên nhân hay gặp	Cách sửa
Bánh sau quay vèo vèo nhưng xe đứng im	Bánh trượt trên sàn, thiếu độ bám	Quấn dây chun quanh vành bánh sau làm "lốp", hoặc thêm chút khối lượng lên bánh sau
Xe bóng bay quay vòng tròn	Ống phụt lệch, hoặc bánh không song song	Dán lại ống thẳng theo trục giữa xe, kiểm tra hai trục
Xe chạy được một đoạn rồi khựng	Bánh cọ vào thân xe hoặc trục cong	Nới khe giữa bánh và thân, thay que xiên thẳng hơn
Bóng xẹp mà xe không nhúc nhích	Khí xì ở chỗ buộc, hoặc xe quá nặng	Quấn băng dính lại chỗ nối, làm thân nhẹ hơn

Bài học về năng lượng mà hai chiếc xe dạy em

Không chiếc xe nào dùng được hết năng lượng em nạp vào. Một phần thành nhiệt trong dây chun, một phần thành tiếng xì của bóng, một phần mất vì ma sát ở trục và sức cản không khí. Kỹ sư gọi tỉ lệ năng lượng thật sự dùng được để chạy xe là hiệu suất. Ô tô thật, xe máy thật, cả xe điện cũng đều có hiệu suất nhỏ hơn 100%, và rất nhiều công sức của kỹ sư dồn vào việc nâng hiệu suất lên từng chút.

Em cũng sẽ thấy mỗi nguồn năng lượng hợp với một kiểu việc. Xe bóng bay bứt tốc ấn tượng nhưng nhanh hết hơi. Xe dây chun chạy bền hơn nhưng dễ trượt bánh. Chọn nguồn năng lượng nào phụ thuộc vào em muốn xe làm gì: đi xa, đi nhanh, hay leo dốc.

Câu hỏi thường gặp

Xe bóng bay chạy được nhờ nguyên lý gì?

Xe bóng bay chạy theo định luật III Newton: quả bóng đẩy không khí phụt ra phía sau, và không khí đẩy ngược quả bóng cùng chiếc xe về phía trước. Đây là cùng nguyên lý với động cơ phản lực và tên lửa.

Xe dây chun hoạt động thế nào?

Khi em xoắn dây chun quanh trục bánh sau, năng lượng được cất trong sợi chun dưới dạng năng lượng đàn hồi. Buông tay, dây chun tháo xoắn, kéo trục quay, bánh xe đẩy vào mặt đất và xe chạy. Bánh cần bám sàn tốt thì xe mới không quay tại chỗ.

Làm sao để xe dây chun chạy xa hơn?

Xoắn nhiều vòng hơn, làm bánh và trục quay thật trơn, giữ bánh song song để xe đi thẳng, và tăng độ bám cho bánh sau bằng cách quấn dây chun quanh vành bánh. Thử từng thay đổi một và đo quãng đường để biết cái nào hiệu quả nhất.

Xe dây chun và xe bóng bay, xe nào chạy xa hơn?

Không có câu trả lời chung, vì còn phụ thuộc cách làm từng xe. Xe bóng bay thường bứt tốc mạnh hơn lúc đầu, còn xe dây chun có thể chạy đều lâu hơn. Cách duy nhất để biết là đóng cả hai rồi đo nhiều lần trên cùng một mặt sàn.

Làm xe bóng bay cho trẻ nhỏ có an toàn không?

Cần cẩn thận vì mảnh bóng vỡ dễ gây hóc cho trẻ nhỏ. Trẻ dưới 8 tuổi không nên tự thổi hay ngậm bóng, mảnh bóng vỡ phải nhặt ngay. Phần cắt que, đục nắp chai và dùng súng keo nến nên để người lớn làm.