MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG VẬT LÍ XẢY RA TRONG ĐỜI SỐNG (1)

1. Vì sao dùng đòn gánh đồ vật lại đỡ tốn sức?
Khi vận chuyển đồ vật đi xa dùng tay xách hay mang vác đều không tiết kiệm sức bằng dùng đòn gánh. Nhất là khi dùng đòn gánh nhún lên nhún xuống, người gánh cảm thấy thoải mái, dễ chịu. Vì sao lại như vậy?
Vốn là đòn gánh có tính đàn hồi, sau khi hai đầu vật nặng, nó hơi cong xuống dưới. Khi người gánh di chuyển về phía trước, thân người lúc nhô cao lúc xuống thấp đòn gánh cũng có lúc nhanh lúc thẳng. Nếu quan sát kĩ ta sẽ thấy bước đi của người gánh và chuyển động lên xuống của đòn gánh đều có tiết tấu. Khi đòn gánh biến thành cong thì vật nặng ở hai đầu chĩu xuống, đòn gánh ép lên vai người gánh, khi đòn gánh trở lại thẳng vật nặng ở hai đầu nhô lên áp lực của đòn lên vai người hầu như biến thành không. Nếu khi gánh người ta bước đi của mình sao cho khi đòn gánh nhô lên phía trên thì người gánh cũng vừa bước về phía trước, khi đòn gánh ép xuống dưới thì hai bàn chân người gánh cũng đồng thời tiếp xúc với đất, vật năng không cản trở bước đi mà người vẫn có thể đỡ được vật năng. Chính điều này làm cho người ta khi gánh đỡ tốn sức hơn nhiều.
Nếu quan sát kĩ hơn ta còn phát hiện ra rằng người gánh thường dùng hai tay kéo vật nặng vào phía trong, đây là một cách để người gánh đỡ tốn sức. Nếu người gánh không dùng hai tay kéo giữ thì toàn bộ trọng lực của hai vật gánh sẽ ép lên vai, diện tích tiếp xúc giữa đòn gánh và vai sẽ rất nhỏ phần vai chịu độ nén rất lớn trong một thời gian dài sẽ cảm thấy mệt mỏi. Nếu người gánh dùng hai tay kéo giữ vật nặng vào phía trong, cánh tay sẽ chịu một phần trọng lực của vật gánh. Do đó giảm bớt áp lực lên vai, người gánh cảm thầy dễ chịu hơn.

2. Khi đẩy tạ, góc tối ưu có phải là 450 không?
Thường nghe người ta nói muốn đẩy tạ đi được xa, góc khi quả tạ rời khỏi tay nên tạo với mặt phẳng bằng là 450 thế nhưng vận động viên có knih nghiệm lại phát hiện góc đẩy tốt nhất phải nhỏ hơn 450 một chút vì sao vậy?
Sự thực có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cự li xa gần khi đẩy tạ, ngỏai việc góc đẩy tạ khi rời khỏi tay lớn hay nhỏ còn liên quan tới tốc độ quả tạ khi rời tay, lực cản của không khí và chiều cao của người đẩy tạ. Nói một cách chính xác phải xem xét kĩ các nhân tố mới có thể tìm ra góc đẩy tối ưu. Nói như vậy nghĩa là mỗi người có một góc đẩy tạ khác nhau. Qua thử nghiệm đã chứng minh được rằng thể tích quả tạ không lớn, trọng lực lại không nhỏ nên có thể bỏ qua lực cản của không khí. Như vậy mỗi vận động viên có thể căn cứ vào tốc độ quả tạ khi rời khỏi tay và độ cao khi rời khỏi tay để tìm được góc đẩy tạ tối ưu.
Nếu độ cao khi quả tạ rời khỏi tay bằng 0 nghĩa là quả tạ được đẩy đi từ mặt đất vào một thời gian nhất định của tốc độ ban đầu nếu muốn quả tạ đẩy đi với cự li xa nhất thì góc đẩy tối ưu là 450 lọai tình huống này thường không xảy ra nhưng nó có một tình huống giới hạn. Nói chung chiều cao của vận động viên đều khá lớn nên phần lớn độ cao khi quả tạ rời tay đều từ 1,8-2m, sau khi tính tới độ cao với cùng một tốc độ khi rời tay thì góc đẩy tốt nhất ở trong khoảng 400-430.

3. Vì sao diều có thể bay trên trời?
Vào ngày thời tiết thuận tiện ta có thể thả diều. Vì sao diều có thể bay lên được bạn đã chú ý đến điều này chưa?
Nói chung con diều phải đón gió mới có thể bay lên được và mặt diều phải nghiêng xuống dưới hai điểm này là then chốt để diều bay lên. Vào lúc diều đưa mặt ra đón gió, không khí thổi vào mặt diều do bị cản trở nên trong một thời gian ngắn tốc độ đã giảm xuống rất nhiều. Vào lúc tốc độ gió bị giảm đột ngột áp lực sẽ tăng lên đột ngột. Bởi vì mặt diều nghiêng xuống dưới nên áp lực gió vuông góc với mặt nghiêng đó. Lực này lớn hơn trọng lực của cái diều rất nhiều nên đã đẩy cái diều bay lên. Vào lúc gió quá nhỏ để tăng tốc độ đón gió người ta thường vừa chạy vừa thả diều nhằm tăng them ap lực của gió đối với diều.
Cái diều khi bay lên trời có lúc lắc qua lắc lại và có lúc như lộn đầu xuống dưới đất. Làm thế nào để con diều bay được ổn định. Có thể đính vào cuối diều một số tua hay dải dây. Nhìn từ góc độ vật lí thì làm như vậy để điều chình trọng tâm của diều hướng xuống dưới và như vậy khi cái diều nghiêng quá thì trọng lực sẽ làm nó khôi phục lại vị trí vốn có. Ngoài ảnh hưởng của trọng tâm đối với sự cân bằng của con diều thì hình dáng và tỉ lệ các bộ phận của nó cũng như hướng gió đều là những nhân tố không thể xem thường.

4. Vì sao đi xe đạp lại đỡ tốn sức hơn đi bộ?
Những người biết đi xe đạp đều có kinh nghiệm như sau: trên mặt đường thẳng cùng thời gian như nhau đi một đoạn đường dài thì đi xe đạp đỡ tốn sức hơn đi bộ nhiều. Vì sao vậy?
Cái gọi là đỡ tốn sức chỉ là năng lượng tiêu hao của thân người giảm nhỏ. Theo tính toán một xe đạp tốt vận hành với tốc độ trên mặt đường phẳng bằng thì phải dùng 1N để khắc phục ma sát giữa xe và trục. Để duy trì sự chuyển động không ngừng của bánh xe cần bỏ thêm 2N để khắc phục ma sát với mặt đất. Đi xe ngược hướng gió cũng gặp lực cản, nếu tốc độ xe là 24km/h thì sức cản ngược hướng gió là 9N căn cứ vào đó thì cứ 1km ta phải tiêu hao một năng lương là 12000J.
Nếu đi bộ năng lương tiêu hao còn lớn hơn theo phương pháp tương tự tính ra đương khi đi bộ trọng tâm của than người không ngừng nhô lên tụt xuống, cứ đi một bước tương đương với người nhảy cao lên với phương thẳng đứng một lần. Độ cao đó vào khoảng 15cm. Đối với người có trọng lực 700N thì ứng với mỗi bước lớn nhất 100J năng lượng để nhấc mình lên. Khi bàn chân chạm vào mặt đất thì năng lượng đó một phần mất đi qua việc tạo thành âm thanh và phát nhiệt khi ma sát với mặt đất. Nói chung cứ 1km con người mất 900 bước, năng lượng tiêu hao lên đến 90000J chỉ riêng điều này đã khiến năng lượng đi bộ gấp 8 lần so với việc đi xe đạp. Thế nhưng vẫn còn có sức cản của gió, khoản năng lượng tiêu hao không đáng kể.
Hai khoản tiêu hao này cũng chưa phải là đáng kể mà còn một khoản tiêu hao tiềm ẩn lại rất lớn. Xét về mặt vật lí thì con người cũng như là một bộ máy. Khi con người đi lại thì các bộ phận của cỗ máy đó cũng hoạt động tương ứng với nhau. Ví dụ như các khớp xương sẽ vận động không ngừng co vào duỗi ra, tim phổi và các bộ phận khác cũng gia tăng hoạt động. Điều này khiến cho ma sát bên trong tăng mạnh. Ngoài ra lượng bài tiết mồ hôi tăng thêm và nhiệt lượng bức xạ của thân người tăng. Sự tiêu hao này không hể tính được. Nhưng ước chừng vào khoảng 260000J là lượng năng lượng con người mất đi khi con người đi được 1km. Lượng năng lượng này gấp 20lần so với đi xe đạp. Điều này cho thấy rằng năng lượng do ma sát là nguyên nhân chủ ýeu cho thấy việc đi bộ tốn sức hơn đi xe đạp.

5. Vì sao vòng xoáy của nước nói chung là xoay theo một hướng?
Đây là hiện tượng rất kì lạ, khi xả nước vào bồn tắm bạn sẽ thấy ở vùng gần nơi nước chảy xuống, vòng xoáy của nước nói chung là xoay ngược chiều kim đồng hồ. Nếu bạn dùng tay làm nước xoáy theo chiều kim đồng hồ một lúc, nó sẽ xoay chậm dần một lúc sau lại xoay ngược chiều kim đồng hồ.
Chẳng lẽ nước lại có tính nết kì quặc như vậy? Không phải đâu, nói ra có thể bạn không tin nhưng đó là do trái đất tự quay giở trò đấy. Ngay từ hơn 150 năm trước một nhà vật lí học người Pháp tên là Coriolis đã chú ý đến hiện tượng này. Thuở ấy ông đang dạy học ở Học viện công nghệ Pháp, một dịp ngẫu nhiên đã khiến ông bắt đầu nghiên cứu sự chuyển động của vật thể trên bề mặt vật quay. Trái đất là một vật quay lớn, cứ 24 giờ nó lại quay một vòng. Tại một điểm trên xích đạo, một ngày đã chuyển động 40.000 km, tốc độ hướng về đông vào khoảng 0,46 m/s, nhưng ở Bắc Kinh một ngày chỉ cần chuyển động 30.000 km, tốc độ hướng đông vào khoảng 0,35 m/s. Như vậy, những vật thể ở Bắc bán cầu Trái Đất nếu vị trí càng gần phía nam thì theo sự quay của Trái Đất, tốc độ sẽ càng lớn. Nếu có một dòng nước từ Nam chảy về Bắc, nó sẽ vì quán tính mà duy trì tốc độ hướng đông tương đối nhanh mà lệch về phía đông, còn nếu từ Bắc chảy về Nam thì tốc độ hướng đông vốn có tương đối nhỏ, nó sẽ lệch về phía Tây, giống như ai đó đang đẩy chúng. Khi nước từ bốn phía chảy tới thì nước từ nam chảy tới bắc sẽ lệch về phía đông, nước chảy từ phía bắc chảy về phía nam sẽ lệch về hướng tây và chảy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Nhưng tình hình ở trên, ở nam bán cầu sẽ ngược lại hoàn toàn.
Coriolis đã chú ý đến hiện tượng đó trước tiên và đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống từ lí luận tới thực nghiệm, người đời sau gọi loại lực làm hình thành vòng xoáy là lực Coriolis.
Trong bồn tắm,chậu rửa tay vòng xoáy không dễ dàng làm người ta chú ý, bạn đừng vì thế mà cho rằng lực Coriolis ảnh hưởng đối với đời sống con người không lớn. Ở bắc bán cầu bờ song bên phải của sông ngòi bị bào mòn tương đối lớn, đó là vì lực Coriolis đẩy nước sông chảy theo hướng ngang. Cũng như vậy, khi xe lửa từ hướng nam chạy tới hướng bắc nói chung cũng va đập tương đối mạnh vào mặt phải đường sắt. Khi nghiên cứu bắn pháo và phóng vệ tinh cũng phải xem xét tới ảnh hưởng của lực Coriolis. Lực Coriolis cũng ảnh hưởng đến sự chuyển động của không khí trên trái đất, chính là do nó mới sinh ra dòng không khí xoáy với năng lượng rất lớn, trong đó gió xoáy là một loại. Gió xoáy là một đại lực sĩ, nó có thể làm đổ nhà đổ cây và còn có thể cuốn những vật ở trên bề mặt trái đất lên không trung, mỗi năm gây tổn thất tới hàng tỷ, hàng chục tỉ đô la Mỹ. Năm 1978 gió xoáy tập kích vào Tolago tốc độ gió đạt tới 52 m/s, tốc độ ở trung tâm vòng không khí xoáy bằng và xấp xỉ vận tốc âm thanh. Một trong những tác dụng phá hoại của gió xoáy là lực hút của nó, mà nguồn gốc của lực hút này là do sự chuyển động xoáy với tốc độ cao của nó, mà hung thủ tạo thành loại chuyển động xoáy này là lực Coriolis. Có thể thấy, nếu như lực Coriolis lúc bình thường không được người ta chú ý, một khi nổi giận lại nguy hại rất lớn.

6. Vì sao người có thể nói được?
Bạn đã thổi kèn rồi chứ? Kèn làm sao phát ra được âm thanh? Khi bạn thổi kèn thì dòng không khí được thổi vào từ khoang miệng, rồi đi qua làm rung động trên miệng kèn, làm cho “lam rung” rung mà phát ra âm thanh. Vì vậy nguồn âm để kèn phát ra âm thanh là lam rung. Âm thanh mà lam rung phát ra rất nhỏ và cũng rất đơn điệu. Để cho âm thanh to lên, phải lắp thêm một khoang cộng hưởng, đó chính là ống kèn. Nhờ có sự giúp đỡ của ống kèn, âm thanh của kèn không những to lên mà còn phong phú thêm ra nhiều.
Người nói cũng rất giống kèn phát ra âm thanh. Nguồn âm để người nói là một đôi thanh đới, nó giống như hai cái quạt đặt ở họng. Khi người ta nói, khí từ phổi đi ra qua mối nối hẹp trung gian của thanh đới, thanh đới sẽ theo dòng khí mà rung động để phát ra âm thanh. Khi bạn nói to, nếu bạn dùng tay sờ vào cổ họng bạn sẽ cảm thấy sự rung động của thanh đới.
Âm thanh do thanh đới phát ra tuy rõ ràng nhưng vô cùng yếu ớt và cũng rất đơn điệu nên cần phải có sự giúp đỡ của khoang cộng hưởng mới có thể làm cho tiếng nói trở nên to và phong phú.
Xung quanh thanh đới, ở phần đầu và ngực người có nhiều khoảng rỗng lớn nhỏ như khoang yết hầu, khoang cổ họng, khoang miệng, xoang mũi, xoang đầu, khoang ngực, v.v… Khi dòng khí kích thích thanh đới rung động thì những khoang rỗng này cũng đồng thời rung động với độ khác nhau, chúng giống như ống kèn, không những phóng to âm thanh lên mà còn làm âm thanh vừa có âm sắc riêng vừa phong phú nhiều vẻ.
Nếu chỉ phát ra âm thì chưa thể hình thành lời nói. Muốn nói được phải phát ra được từng chữ một đó là cách “phát trọng âm” thường nói. Khi phát trọng âm thì môi trên, môi dưới, răng người ta không ngừng đóng, mở hoặc vừa đóng vừa mở, lưỡi cũng không ngừng hoạt động co duỗi hoặc lên xuống. Sự hiệp đồng động tác của chúng làm cho lời nói phát ra một cách thuận tiện. Những khí quản này được gọi thống nhất là cơ quan tạo thành tiếng nói.
Trên thế giới có tới vài tỉ người, tiếng nói của mỗi người đều không ai giống ai. Âm thanh của lời nói cũng như vân tay là tiêu chí đặc thù của mỗi người, vì thế lời nói thường là một trong những chứng cứ quan trọng của tội phạm. Khi phân biệt tiếng nói, trước hết phải phân tích tần số dao động của âm thanh xem xét sự tạo thành của nó, sau đó biến tần số dao động cơ bản của âm thanh thành con số, những con số này không chỉ là tiêu chí đặc trưng lời nói của mỗi người mà còn có thể dựa vào tần số dao động do con số cung cấp để lại hợp thanh thành lời nói. Đó chính là sự phân tích ngữ âm và kĩ thuật hợp thành ngữ âm hiện đại.
Hiện nay đã chế tạo được máy biết nói với tên gọi là “máy hợp thành ngữ âm thanh”. Máy không những nói được mà còn biết nghe, biết viết, biết đọc. Lắp vào trước cửa hoặc vào đồ dùng bằng điện, nó sẽ nhắc bạn đừng quên đóng cửa hoặc tắt đèn. Khi có kẻ trộm vào nhà, nếu trong nhà không có người, nó sẽ báo động và kêu cứu.

7. Có thể đồng thời nhìn thấy ba mặt trời hay không?
Năm 1550, quân đội của Carl V (Charles Quint), tiến công thành Madrid, bao vây thành này đến mức con chim bay không lọt. Đến tháng 4 năm thứ hai, đúng lúc trăm họ đang lâm cảnh đói rét, trên trời xuất hiện cùng một lúc ba mặt trời, ba mặt trời trong cùng ngày xếp thành một hàng, hai “mặt trời” ở hai bên còn mang theo “một thánh giá thập tự” phát sáng. Hiện tượng thiên văn thần kì đó làm xôn xao cả thành, trăm họ chạy đi chạy lại bảo nhau đều nói là “thượng đế sẽ đến cứu thành này”; kẻ xâm lược thì vô cùng hoảng sợ, cho là “sự báo trước của ý trời”, hoàng đế Carl V hốt hoảng ra lệnh rút quân, và như vậy là, ba “mặt trời” đã đuổi được quân xâm lược.
Hiện tượng thiên văn hiếm có này cũng đã xuất hiện ở Trung Quốc. Tháng 7 năm 1964, ở Nội Mông đã xuất hiện ba “mặt trời” các cụ giả ở địa phương cho biết tổ tiên của họ cũng đã nhìn thấy hiện tượng trên.
Mấy năm gần đây, ở một số vùng của Trung Quốc lại lien tiếp xảy ra hiện tượng trên. Ngày 19 tháng 2 năm 1986, dân chúng thành Tây An ngạc nhiên thấy trên không xuất hiện năm “mặt trời”. Theo ghi chép thì tháng 1 năm 1934 ở Tây An trong hai ngày liền đã xuất hiện tới bảy “mặt trời”.
Hiện tượng thiên văn này tuy rất là hiếm nhưng không thần bí, chúng đều là những hiện tượng quang học bình thường. Đó là vì ở xung quanh mặt trời có lúc đã xuất hiện một vòng, hai vòng và thậm chí rất nhiều vòng ánh sáng, thông thường là dự báo sắp nổi gió lên hoặc thời tiết thay đổi. Loại vòng sáng đó gọi là quầng mắt trời. Có khi ở xung quanh mặt trăng cũng có quầng. Quầng mặt trời, quầng mặt trăng đơn giản thường thấy, nhưng quầng mặt trời, quầng mặt trăng phức tạp thì hiếm thấy. Khi xuất hiện nhiều quầng, mà chúng đan xen lẫn nhau, thì chỗ đan xen hình thành một điểm vô cùng sáng, nhìn rất giống mặt trời, đó là mặt trời giả. Vì mặt trời giả là quầng đan xen của các quầng vì vậy nhìn thấy giống như mặt trời mang theo giá chữ thập.
Bất kể quầng đơn giản hay phức tạp, nguyên lí hình thành của chúng đều giống nhau khi trên cao lạnh trên mặt đất, hơi nước thường liên kết thành nhiều hạt băng nhỏ, chúng trôi nỗi và phân tán trên không. Hình dạng mỗi hạt băng rất theo quy tắc, có hạt là miếng mỏng hình sáu cạnh, có hạt hình trụ thẳng sáu cạnh. Sau khi ánh sáng mặt trời hay mặt trăng chiếu vào các hạt băng nhỏ này, tia sáng lệch đi. Giống như ánh sáng trăng sau khi đi vào lăng kính ba cạnh thì góc khúc xạ của tia đỏ nhỏ, góc khúc xạ của tia tím lớn, phương hướng của tia đỏ và tia tím đi vào mắt bạn khác nhau, khiến bạn nhìn thấy màu sắc khác nhau. Khi trên trời có nhiều hạt băng nhỏ và chúng được sắp xếp chỉnh tề, thì lúc các tia sáng màu với góc độ khác nhau đi vào mắt bạn, sẽ làm cho bạn nhìn thấy một vòng màu lớn ngoài tím trong đỏ nó xoay quanh mặt trời ở trung tâm hình thành quầng phổ thong.
Vì sao có hiện tượng quầng, tán li kì cổ quái vậy? Ta biết gặp lạnh ngưng kết thành những giọt nước nhỏ, còn có khả năng ngưng kết thành vài loại tinh thể khác, như hình chóp hai đầu nhọn, hoặc hình chóp có một đầu nhọn. Những tia khúc xạ từ những lăng kính này rất phức tạp. Có khi một tia tới có thể phân thành mấy tia phản chiếu không cùng phương hướng, khi những tia phản chiếu này đi tới mắt bạn sẽ làm cho bạn nhìn thấy nhiều quầng tán; khi những quầng tán này đan xen với nhau sẽ tạo thành những hiện tượng thiên văn phức tạp.
Dùng một phương pháp đơn giản có thể giúp bạn nhìn thấy quầng tán. Ban đêm trước hết hãy tắt hết đèn trong phòng, hà hơi khẽ vào kính, hơi nước sau khi gặp lạnh trên kính sẽ ngưng đọng lại thành một lớp giọt nước nhỏ, đều, từ trời tối đen đó nhìn qua lớp sương mù ấy ra một ngọn đèn sáng ở nơi xa ở bên ngoài cửa sổ, bạn sẽ thấy xung quanh chiếc đèn giống như một màu đó là quầng tán, nguyên lí hình thành nòi giống như quầng, tán trên trời, chẳng qua là nó được hình thành khi tia sáng qua giọt nước khúc xạ lệch nên không sáng bằng quầng trên không.