Khi xuống bể bơi, bạn cảm thấy cơ thể nhẹ đi rõ rệt. Một con tàu làm bằng hàng vạn tấn sắt nổi bồng bềnh trên biển, trong khi một chiếc đinh sắt nhỏ lại chìm ngay khi thả vào nước. Đằng sau những cảnh tượng tưởng chừng khác nhau này là cùng một quy luật. Đó chính là nguyên lý Archimedes (Archimedes' Principle).
Nói một cách đơn giản, nguyên lý Archimedes có nghĩa là “một vật nhúng trong chất lưu chịu một lực đẩy hướng lên có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lưu mà nó chiếm chỗ”. Lực hướng lên này được gọi là lực đẩy nổi (Buoyancy). Archimedes, nhà toán học ở Syracuse thuộc Sicilia vào thế kỷ 3 trước Công nguyên, đã trình bày nguyên lý này trong tác phẩm Về các vật nổi (On Floating Bodies), và đến nay nó vẫn được sử dụng như một nguyên lý nền tảng của cơ học chất lưu.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ định nghĩa lực đẩy nổi và nguyên nhân sinh ra lực này đến các điều kiện nổi, chìm và bí mật giúp tàu bằng sắt nổi trên nước, rồi đến những ví dụ trong đời sống và công nghiệp như tàu ngầm, khinh khí cầu và Biển Chết.
Chiếm chỗ bao nhiêu, được đẩy lên bấy nhiêu: Nguyên lý và ứng dụng của lực đẩy nổi
Nguyên lý Archimedes là gì?
Những chất có thể chảy như nước hay không khí được gọi là chất lưu. Khi đặt một vật vào chất lưu, chất lưu bị đẩy sang bên một lượng tương ứng với phần không gian mà vật chiếm chỗ. Nguyên lý Archimedes cho biết trọng lượng của phần chất lưu bị chiếm chỗ này chính là độ lớn của lực đẩy vật lên trên. Nguyên lý này áp dụng như nhau dù vật chìm hoàn toàn hay chỉ chìm một phần.
- Lực đẩy nổi (Buoyant Force): Lực mà chất lưu tác dụng để nâng vật nhúng trong nó lên trên.
- Lượng chiếm nước (Displacement): Lượng chất lưu bị vật chiếm chỗ; thuật ngữ này cũng được dùng để biểu thị quy mô của tàu.
- Trọng lượng biểu kiến (Apparent Weight): Trọng lượng đo được trong chất lưu, bằng trọng lượng thực trừ đi lực đẩy nổi.
Ví dụ, nếu một hòn đá có trọng lượng 10 newton trong không khí chiếm chỗ một lượng nước có trọng lượng 3 newton khi ở dưới nước, thì lực tác dụng lên sợi dây treo đá giảm còn 7 newton. Đây là lý do ngay cả một hòn đá nặng cũng dễ nâng lên hơn khi ở dưới nước. Giai thoại về chiếc vương miện, kể rằng ông đã hô “Eureka” khi thấy nước tràn ra trong nhà tắm, là câu chuyện do kiến trúc sư La Mã Vitruvius truyền lại; phương pháp thực tế ông đã sử dụng vẫn chưa được xác định rõ.
Vì sao có lực đẩy nổi? Áp suất thay đổi theo độ sâu
Nguồn gốc của lực đẩy nổi là sự chênh lệch áp suất. Trong chất lưu, càng xuống sâu, trọng lượng của lớp chất lưu phía trên càng tăng nên áp suất càng lớn. Vì vậy, mặt dưới của vật chịu lực đẩy mạnh hơn mặt trên. Các lực tác dụng lên mặt bên cân bằng nhau, nhưng sự chênh lệch giữa phía trên và phía dưới vẫn còn, tạo thành lực đẩy hướng lên.
(1) Độ sâu và áp suất
Dưới nước, cứ xuống sâu khoảng 10 mét, áp suất lại tăng khoảng 1 atm. Cảm giác ù tai khi lặn càng sâu cũng là do áp suất này.
(2) Khối lượng riêng và thể tích phần chìm
Độ lớn của lực đẩy nổi bằng tích của khối lượng riêng của chất lưu, thể tích phần vật chìm trong chất lưu và gia tốc trọng trường. Với cùng một vật, phần chìm càng lớn và chất lưu càng nặng thì lực đẩy nổi càng lớn.
(3) Kết quả không phụ thuộc vào hình dạng
Dù hình dạng của vật phức tạp đến đâu, chỉ cần biết trọng lượng của phần chất lưu bị chiếm chỗ là có thể tính được lực đẩy nổi. Sự đơn giản này, giúp giữ lại điều cốt lõi mà không cần tính toán phức tạp, chính là sức mạnh lớn nhất của nguyên lý.
Nổi hay chìm: Bí mật giúp tàu bằng sắt nổi trên nước
Một vật trong nước chịu trọng lực hướng xuống và lực đẩy nổi hướng lên. Nếu lực đẩy nổi lớn hơn trọng lượng, vật nổi lên; nếu nhỏ hơn, vật chìm xuống; nếu bằng nhau, vật giữ nguyên vị trí. Cuối cùng, điều quyết định là khối lượng riêng trung bình của vật nhỏ hơn hay lớn hơn khối lượng riêng của chất lưu.
Sắt có khối lượng riêng gần gấp 8 lần nước nên một khối sắt sẽ chìm xuống. Tuy nhiên, nếu dàn chính lượng sắt đó thành hình một chiếc bát rộng và lõm, tình hình sẽ khác. Thân tàu rỗng chiếm chỗ một lượng nước lớn hơn nhiều, nên tàu chỉ chìm đến khi chiếm chỗ một lượng nước có trọng lượng bằng trọng lượng của tàu rồi không chìm thêm nữa. Điều này thường được gọi là nguyên lý nổi (Principle of Flotation).
Nước biển có khối lượng riêng lớn hơn nước ngọt nên cùng một con tàu sẽ nổi cao hơn một chút trên biển. Vì vậy, bên mạn tàu có vạch dấu mớn nước chở hàng tối đa, cho biết tàu được phép chìm đến mức nào tùy theo loại nước và mùa. Băng có khối lượng riêng thấp hơn nước gần 10% nên nổi trên nước, nhưng khoảng 90% thể tích của nó chìm dưới nước. Cách nói “phần nổi của tảng băng” bắt nguồn từ chính điều này.
Nguyên lý Archimedes trong đời sống và công nghiệp
Lực đẩy nổi không chỉ có tác dụng trong nước. Không khí cũng là chất lưu, vì vậy bất kỳ thiết bị nào có thể điều chỉnh khối lượng riêng đều có thể ứng dụng nguyên lý này.
- Tàu ngầm (Submarine): Khi nước biển được bơm đầy vào két dằn, tàu nặng lên và lặn xuống; khi dùng khí nén đẩy nước ra, tàu lại nổi lên.
- Bong bóng cá (Swim Bladder): Nhiều loài cá xương điều chỉnh lượng khí trong bong bóng để giữ mình ở độ sâu mong muốn mà tốn ít sức hơn.
- Khinh khí cầu (Hot Air Balloon): Không khí được đốt nóng có khối lượng riêng thấp hơn không khí bên ngoài, nên khinh khí cầu được đẩy lên với lực bằng trọng lượng của phần không khí lạnh mà nó chiếm chỗ.
- Nổi trên Biển Chết (Dead Sea Floating): Ở Biển Chết, nơi nước có khối lượng riêng lớn do độ mặn rất cao, con người có thể nổi mà không cần tốn sức.
- Tỷ trọng kế (Hydrometer): Đo khối lượng riêng của nước biển hay dịch lên men bằng cách quan sát mức độ chìm của một thanh nổi trong chất lỏng.
Tuy nhiên, nguyên lý này giả định rằng chất lưu bao quanh vật một cách đồng đều. Nếu vật áp sát đáy kín đến mức nước không thể len vào bên dưới, áp lực đẩy mặt dưới lên sẽ biến mất và kết quả sẽ khác. Khi áp dụng nguyên lý, cần xem xét cả những điều kiện này.
Nguyên lý Archimedes phát biểu rằng một vật trong chất lưu chịu lực đẩy nổi bằng trọng lượng của phần chất lưu mà nó chiếm chỗ. So sánh lực này, vốn sinh ra từ sự chênh lệch áp suất theo độ sâu, với trọng lượng của vật sẽ giúp giải thích vật nào nổi và vật nào chìm. Từ tàu khổng lồ và tàu ngầm đến khinh khí cầu và tỷ trọng kế, tất cả đều hoạt động dựa trên cùng một nguyên lý.
Khi ngâm mình trong bồn tắm, hãy nhìn nước dâng lên và nghĩ đến trọng lượng của lượng nước mà mình đã chiếm chỗ; đó chính là bước đầu tiên để khám phá cơ học chất lưu.
