Khi đến xưởng sửa chữa ô tô, bạn sẽ thấy một chiếc xe con nặng hơn 1 tấn nhẹ nhàng được nâng lên trên cầu nâng. Chỉ cần dùng mũi chân đạp nhẹ bàn đạp phanh, chiếc xe đang chạy nhanh đã dừng lại, còn cánh tay máy xúc thì dễ dàng nâng một tảng đá lớn. Đằng sau tất cả những cảnh tượng ấy là một nguyên lý đơn giản được một học giả người Pháp hệ thống hóa vào thế kỷ 17. Đó chính là “nguyên lý Pascal (Pascal's Principle)”.
Nói một cách dễ hiểu, nguyên lý Pascal là định luật phát biểu rằng “khi tăng áp suất tại một điểm trong chất lưu đứng yên bên trong bình kín, phần áp suất tăng thêm ấy được truyền nguyên vẹn và như nhau đến toàn bộ chất lưu”. Đây là nguyên lý cơ bản của các thiết bị thủy lực biến lực nhỏ thành lực lớn, nên ngày nay có vô số máy móc hoạt động dựa trên nguyên lý này.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu khái niệm và bối cảnh ra đời của nguyên lý Pascal, cách tính mức tăng lực, câu hỏi liệu tăng lực có phải đánh đổi điều gì hay không, cùng những ví dụ ứng dụng trong đời sống.
Nguyên lý Pascal: truyền áp suất để tăng lực
Nguyên lý Pascal là gì?
Người hệ thống hóa nguyên lý này là Blaise Pascal, nhà toán học, nhà vật lý học và triết gia người Pháp. Khoảng năm 1653, Pascal hoàn thành một luận văn về sự cân bằng của chất lưu, và tác phẩm này được xuất bản vào năm 1663, sau khi ông qua đời. Đơn vị áp suất quốc tế ngày nay là pascal (Pa) cũng được đặt theo tên ông.
Một thí nghiệm thường được giới thiệu cùng tên tuổi Pascal là “thùng Pascal (Pascal's Barrel)”. Câu chuyện kể rằng người ta dựng một ống dài và hẹp trên một thùng gỗ đã đổ đầy nước và bịt kín, rồi từ từ rót nước vào ống; dù lượng nước thêm vào không nhiều, áp suất của cột nước dâng cao vẫn khiến thùng vỡ tung. Tuy nhiên, thí nghiệm này không xuất hiện trong bất kỳ tác phẩm nào Pascal để lại, nên rất có thể đây là một giai thoại được thêm vào các tài liệu giáo dục của Pháp vào thế kỷ 19. Dù vậy, nó minh họa rõ rằng áp suất phụ thuộc vào độ cao và sự truyền áp suất hơn là lượng nước, nên đến nay vẫn thường xuất hiện trong sách giáo khoa.
Có thể tóm lược cốt lõi của nguyên lý thành ba điểm.
(1) Chất lưu được chứa kín
Chất lưu phải được giữ trong bình, không có chỗ nào để rò rỉ ra ngoài.
(2) Truyền nguyên vẹn
Phần áp suất tăng thêm tại một điểm được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong chất lưu mà không suy giảm.
(3) Lực vuông góc với thành bình
Áp suất được truyền đi đẩy lên thành bình theo phương vuông góc với thành.
Bạn có thể dễ dàng hình dung qua một tuýp kem đánh răng. Khi bóp phần cuối tuýp, áp suất được truyền từ chỗ bóp đến tận miệng tuýp, đẩy kem đánh răng ra ngoài.
Cách tính khi lực nhỏ biến thành lực lớn
Áp suất bằng lực chia cho diện tích (áp suất = lực ÷ diện tích). Hãy tưởng tượng hai xi lanh có đường kính khác nhau được nối bằng một ống dẫn, đổ đầy dầu rồi lắp pít-tông ở hai phía. Theo nguyên lý Pascal, áp suất tác dụng lên hai pít-tông bằng nhau, nên ta có hệ thức sau.
- Quan hệ cơ bản (Force Ratio): Theo F1 ÷ A1 = F2 ÷ A2, lực do pít-tông lớn tạo ra bằng lực tác dụng lên pít-tông nhỏ nhân với tỷ số diện tích của hai pít-tông.
- Ví dụ bằng số (Example): Nếu diện tích pít-tông lớn gấp 50 lần diện tích pít-tông nhỏ, khi ấn phía nhỏ bằng lực 1 newton, phía lớn sẽ đi lên với lực 50 newton.
Về lý thuyết, chỉ cần tăng tỷ số diện tích là có thể tăng lực đến mức tùy ý. Kích thủy lực (Hydraulic Jack), thiết bị cho phép một người nâng cả chiếc ô tô bằng sức của mình, chính là ứng dụng của phép tính này.
Liệu lực có tự nhiên mà có?
Việc lực tăng gấp 50 lần nghe có vẻ như phép màu, nhưng không vi phạm định luật bảo toàn năng lượng. Đổi lại, ta phải đánh đổi bằng quãng đường dịch chuyển. Trong ví dụ trên, nếu ấn pít-tông nhỏ xuống 100 xentimét, dầu bị đẩy sang sẽ trải ra trong xi lanh lớn, nên pít-tông lớn chỉ đi lên một quãng bằng 1 phần 50 quãng đường ấy, tức 2 xentimét.
Cuối cùng, “lực đầu vào × quãng đường dịch chuyển” bằng “lực đầu ra × quãng đường dịch chuyển”. Điều này cùng nguyên lý với việc dùng một thanh đòn dài để nâng hòn đá nặng. Vì thế, khi nâng ô tô bằng kích thủy lực, ta phải thao tác tay đòn nhiều lần.
Một điểm khác cần nhớ là lý do dùng dầu làm chất lưu. Chất lỏng hầu như không giảm thể tích khi bị nén, nên truyền ngay áp suất nhận được sang phía đối diện. Ngược lại, chất khí dễ bị nén, khiến một phần lực được dùng để giảm thể tích, vì vậy những thiết bị cần truyền lực chính xác thường được đổ đầy dầu.
Nguyên lý này dựa trên giả thiết chất lưu đứng yên. Trong thiết bị thực tế, ma sát trong đường ống hoặc dầu rò rỉ từng chút gây ra một phần tổn thất; nếu có lẫn không khí, không khí sẽ bị nén khiến áp suất không được truyền đúng cách. Đây cũng là lý do cần xả không khí khỏi dầu khi kiểm tra phanh.
Nguyên lý Pascal trong đời sống
Nguyên lý Pascal đang phát huy tác dụng ở khắp nơi quanh chúng ta. Dưới đây là những ví dụ tiêu biểu.
- Phanh ô tô (Hydraulic Brake): Lực đạp bàn đạp được truyền đều đến bốn bánh xe qua dầu phanh, và các pít-tông có diện tích lớn ở phía bánh xe khuếch đại lực ấy để dừng xe.
- Máy ép thủy lực (Hydraulic Press): Đây là thiết bị được nhà phát minh người Anh Joseph Bramah đăng ký bằng sáng chế vào năm 1795, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để ép và dập tạo hình kim loại.
- Máy xây dựng (Construction Machinery): Máy xúc và cần cẩu dùng xi lanh thủy lực để nâng đất và vật liệu nặng.
- Cầu nâng tại xưởng sửa chữa (Car Lift): Khí nén ép lên dầu, rồi dầu đẩy pít-tông lớn để nâng ô tô lên.
Ngay cả cơ thể chúng ta cũng tuân theo một nguyên lý tương tự. Khi đo huyết áp tại bệnh viện, người ta bơm không khí vào vòng bít quấn quanh cánh tay để tăng áp suất; áp suất ấy truyền đến các mạch máu bên trong cánh tay và tạm thời chặn dòng máu. Phương pháp đo huyết áp cơ bản là từ từ xả hơi vòng bít và đọc áp suất tại thời điểm máu bắt đầu chảy trở lại.
Nguyên lý Pascal bắt đầu từ một câu đơn giản: “chất lưu được chứa kín phân bố đều áp suất mà nó nhận được”. Thế nhưng, chỉ một câu ấy đã giúp biến lực nhỏ của con người thành lực lớn đủ để di chuyển ô tô và tảng đá, đồng thời trở thành nền tảng vững chắc của ngành kỹ thuật cơ khí hiện đại.
Dĩ nhiên, quy luật đánh đổi của tự nhiên vẫn không thay đổi: được lợi bao nhiêu về lực thì phải chịu thiệt tương ứng về quãng đường. Hiểu cách áp suất vô hình được truyền đi và tính toán cả sự đánh đổi ấy chính là bước đầu tiên của công nghệ khai thác sức mạnh chất lưu.
