Hãy hình dung một vận động viên trượt băng nghệ thuật đang xoay tại chỗ. Ban đầu, vận động viên dang rộng hai tay và xoay chậm, nhưng ngay khi thu tay về phía ngực, tốc độ xoay tăng đến mức mắt khó theo kịp. Dù không có ai đẩy, chuyển động xoay vẫn tự tăng tốc. Định luật vật lý ẩn sau cảnh tượng kỳ thú này chính là “bảo toàn mômen động lượng (Conservation of Angular Momentum)”.
Nói một cách đơn giản, bảo toàn mômen động lượng có nghĩa là “khi không có tác động từ bên ngoài làm thay đổi chuyển động quay, lượng chuyển động quay của vật đang quay sẽ được giữ nguyên”. Cùng với bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng, nguyên lý này được xem là một trong những định luật bảo toàn cơ bản nhất của vật lý, áp dụng cho mọi thứ đang quay, từ con quay nhỏ bé đến các hành tinh và ngôi sao.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu khái niệm mômen động lượng và nguyên lý bảo toàn, các ví dụ trong thể thao và đời sống, những chuyển động quay khổng lồ trong vũ trụ, cùng các công nghệ ứng dụng nguyên lý này.
Xu hướng tiếp tục quay của những vật đang quay
Mômen động lượng là gì?
Cũng như vật chuyển động thẳng có động lượng, vật quay có mômen động lượng. Mômen động lượng là đại lượng đồng thời biểu thị vật quay mạnh đến mức nào và quay theo hướng nào.
(1) Tích của mômen quán tính và vận tốc góc
Mômen động lượng (L) là tích của mômen quán tính (I) và vận tốc góc (ω), được biểu diễn bằng L = I × ω. Vận tốc góc cho biết vật quay nhanh đến mức nào, còn mômen quán tính cho biết mức độ khó thay đổi trạng thái quay. Mômen quán tính càng lớn khi khối lượng càng lớn và khi khối lượng đó phân bố càng xa trục quay.
(2) Bảo toàn khi không có mômen lực bên ngoài
Tác dụng của lực làm chuyển động quay nhanh lên hoặc chậm lại được gọi là mômen lực (Torque). Khi không có mômen lực từ bên ngoài tác dụng, mômen động lượng được giữ không đổi. Vì vậy, khi mômen quán tính giảm, vận tốc góc tăng tương ứng; khi mômen quán tính tăng, vận tốc góc giảm. Đó là vì tích của hai đại lượng này phải luôn giữ nguyên.
Bảo toàn mômen động lượng trong thể thao và đời sống
Chúng ta có thể dễ dàng kiểm chứng sự bảo toàn mômen động lượng ngay bằng cơ thể mình.
- Động tác xoay trong trượt băng nghệ thuật (Figure Skating Spin): Khi thu tay và chân về gần trục quay, mômen quán tính của cơ thể giảm khiến tốc độ xoay tăng; khi dang tay trở lại, tốc độ xoay giảm. Các vận động viên dùng nguyên lý này để điều chỉnh tốc độ xoay và kết thúc động tác một cách vững vàng.
- Động tác lộn vòng trên không trong nhảy cầu (Diving Somersault): Vận động viên nhảy cầu không thể thay đổi mômen động lượng đã có vào thời điểm rời ván nhảy khi đang ở trên không. Vì vậy, họ cuộn tròn người để lộn nhanh nhiều vòng, rồi duỗi thẳng cơ thể ngay trước khi vào nước để làm chậm chuyển động quay.
- Thí nghiệm ghế xoay (Rotating Chair Experiment): Khi ngồi trên ghế xoay, mỗi tay cầm một vật nặng và dang tay ra trong lúc quay, nếu kéo tay về phía ngực, ghế sẽ quay nhanh lên rõ rệt.
Việc mèo tiếp đất bằng chân ngay cả khi rơi từ trên cao cũng liên quan đến định luật này. Dù bắt đầu rơi mà không quay, mèo vẫn luân phiên co duỗi chân trước và chân sau, đồng thời vặn eo để lần lượt xoay phần trước và phần sau của cơ thể. Nhờ vậy, mèo thay đổi được hướng cơ thể trong khi tổng mômen động lượng của toàn thân vẫn bằng 0.
Những chuyển động quay khổng lồ trong vũ trụ
Sự bảo toàn mômen động lượng thể hiện còn ngoạn mục hơn trong chuyển động của những thiên thể khổng lồ như hành tinh và ngôi sao.
(1) Vì sao hành tinh chuyển động nhanh hơn khi ở gần Mặt Trời
Theo định luật Kepler thứ 2, đường nối hành tinh với Mặt Trời quét qua những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau. Đây là kết quả của sự bảo toàn mômen động lượng của hành tinh: hành tinh chuyển động nhanh hơn khi ở gần Mặt Trời và chậm hơn khi ở xa.
(2) Sao neutron quay hơn 700 vòng trong 1 giây
Khi một ngôi sao có khối lượng lớn kết thúc vòng đời và sụp đổ, nó để lại một sao neutron có đường kính khoảng 20 kilômét. Ngôi sao khổng lồ co lại khiến mômen quán tính giảm mạnh, nên tốc độ quay tăng lên vô cùng lớn. Pulsar quay nhanh nhất được biết đến cho đến nay, PSR J1748-2446ad, quay khoảng 716 vòng trong 1 giây.
(3) Ngày dài thêm và Mặt Trăng dần rời xa
Trái Đất và Mặt Trăng trao đổi mômen động lượng thông qua tác động thủy triều do lực hấp dẫn giữa chúng gây ra. Trong quá trình này, chuyển động tự quay của Trái Đất chậm dần, khiến độ dài một ngày tăng thêm gần 2 mili giây sau mỗi 100 năm; còn Mặt Trăng, sau khi nhận mômen động lượng mà Trái Đất mất đi, đang rời xa Trái Đất khoảng 3.8 centimét mỗi năm.
Công nghệ ứng dụng nguyên lý chuyển động quay
Bảo toàn mômen động lượng cũng là một cơ sở quan trọng khi thiết kế máy móc và phương tiện giao thông.
(1) Con quay hồi chuyển giữ hướng
Con quay hoặc con quay hồi chuyển đang quay nhanh chống lại rất mạnh tác động muốn thay đổi hướng trục quay. Đó là vì mômen động lượng được bảo toàn cả về độ lớn lẫn hướng. Viên đạn quay khi đi qua nòng súng có rãnh xoắn, hay chiếc đĩa được ném kèm chuyển động quay bay ổn định mà không chao đảo, cũng dựa trên nguyên lý này.
(2) Cánh quạt đuôi của trực thăng
Khi động cơ làm cánh quạt chính quay theo một chiều, phản tác dụng khiến thân trực thăng có xu hướng quay theo chiều ngược lại. Cánh quạt đuôi (Tail Rotor) đẩy không khí sang bên để triệt tiêu mômen lực này, còn phi công dùng bàn đạp điều chỉnh lực đẩy của cánh quạt đuôi để thay đổi hướng của trực thăng.
(3) Bánh đà phản ứng thay đổi tư thế vệ tinh nhân tạo
Trong vũ trụ không có không khí hay mặt đất để đẩy vào. Vì vậy, các vệ tinh như Kính viễn vọng Không gian Hubble làm bánh đà phản ứng (Reaction Wheel) bên trong quay theo một chiều để thân vệ tinh từ từ quay theo chiều ngược lại. Đây là cách giúp chúng hướng chính xác về phía mong muốn mà không tiêu hao nhiên liệu.
Bảo toàn mômen động lượng là định luật thể hiện xu hướng duy trì trạng thái của vật đang quay. Động tác xoay của vận động viên trượt băng, cú tiếp đất của mèo, chuyển động quỹ đạo của hành tinh, chuyển động quay của sao neutron và cả việc điều khiển tư thế vệ tinh nhân tạo đều có thể được giải thích bằng cùng một nguyên lý. Nếu nhớ rằng chỉ cần khoảng cách phân bố khối lượng đến trục thay đổi thì tốc độ quay cũng thay đổi, bạn sẽ nhìn những vật đang quay quanh mình bằng một góc nhìn mới.
Hiểu được vì sao thu tay lại làm tốc độ quay tăng chính là bước đầu tiên trong hành trình dùng vật lý để khám phá thế giới chuyển động quay.
