Chiếc tàu cruise Allure of the Seas dài 362m, nặng 225,282 tấn, cao hơn mặt nước 72m, chứa tối đa 6,296 hành khách, được đưa vào sử dụng từ năm 2010 và cho đến nay vẫn lênh đênh trên các đại dương. Trong khi đó, một viên bi chỉ nặng chừng 50g, sẽ chìm lỉm khi thả vào thau nước. Tại sao có những điều trái ngược như thế?
Để tìm hiểu, xin lặp lại những kiến thức sơ đẳng mà chúng ta đã học ở trường.
Không khí và nước được gọi chung là chất lưu (fluid) vì chúng có những đặc tính chung như: chuyển động giống nhau, và chứa được vào các vật đựng như chai, lọ…
1. Chuyển động: Chất lỏng và chất hơi chuyển động dễ dàng qua những đồ vật có dáng thuôn, nhưng qua những vật có góc cạnh, nó chuyển động chậm lại, vì bị cản do lực kéo (drag). Bạn thấy xe hơi có hình dáng thuôn gọn để ít bị lực cản của không khí.
2. Trọng lực và trọng lượng: Trọng lực là sức kéo một vật thể xuống mặt đất. Nó cũng giữ cho mặt trăng nằm trên quỹ đạo chung quanh trái đất và cho trái đất quay chung quanh mặt trời. Trọng lực làm cho mọi vật đều có sức nặng (trọng lượng), nếu không mọi vật đều bay lơ lửng như trong không gian.
3. Đậm đặc: Trọng lượng của một vật còn tùy thuộc vào khối lượng (mass) của nó, tức là những hạt nhỏ li ti (nguyên tử) nó chứa đựng. Một số vật chứa nhiều nguyên tử trong một khoảng không hơn các vật khác. Càng chứa nhiều nguyên tử hơn, vật đó càng đặc (dense) hơn. Một kg cam cân nặng bằng một kg gạch, nhưng cam choán nhiều chỗ hơn vì khối lượng của gạch chứa trong một khoảng không nhỏ hơn, và ta nói: gạch có tỷ trọng (density) lớn hơn cam. Các vật thể thường có tỷ trọng khác nhau.
4. Chuyển động trong chất lỏng: Khi các vật chuyển động trong chất lỏng, chúng có thể nổi hoặc chìm, tuỳ theo tỷ trọng:
– Nổi khi ít đặc hơn không khí: Hơi trong bong bóng vì nhẹ hơn không khí chung quanh, nên bong bóng bay lên được.
– Rơi khi đặc hơn không khí: Trái táo vì đặc hơn không khí, nên rơi từ trên cây xuống mặt đất.
– Nổi khi ít đặc hơn nước: Thuyền nổi được vì chứa không khí mà không khí này ít đặc hơn nước.
– Chìm trong nước nếu dày đặc hơn nước: Các phân tử của viên bi nằm rất khít khao với nhau, làm cho bi đăc hơn, vì thế nó chìm trong nước.
5. Tại sao tàu nổi được? Và sao có lúc bị chìm? Tất cả đều do sức nổi (phù lực, buoyancy). Sau đây là những điều cơ bản:
1. Khi đặt một khúc gỗ vào thùng nước, khúc gỗ làm đổi chỗ một lượng nước, làm cho mực nước trong thùng cao lên. Nếu ta có thể cân được số nước đã đổi chỗ, thì sẽ thấy trọng lượng số nước này bằng với trọng lượng khúc gỗ.
2. Nhưng không phải mọi khúc gỗ cùng một cỡ và cùng một hình dạng đều làm đổi chỗ cùng một lượng nước như nhau. Chẳng hạn, nếu là gỗ sồi (oak) nó sẽ chìm sâu xuống nước (và do đó làm đổi chỗ nhiều nước hơn) hơn một khúc gỗ thông. Lý do là vì một vật càng nặng so với kích cỡ thì càng đậm đặc hơn: các phân tử gỗ sồi kết hợp chặt chẽ với nhau hơn các phân tử gỗ thông.
3. Nếu có thể tăng dần tỷ trọng của một khối vật thể, nó sẽ càng dần chìm sâu hơn trong nước. Khi tỷ trọng tăng đủ để làm đổi chỗ một lượng nước ngang bằng với trọng lượng của khối đó, thì nó gần như không còn cân nặng trong nước. Và chỉ cần làm cho khối đó đậm đặc lên chút ít cũng đủ gây cho nó chìm.
Kỳ sau:
Áp dụng những nguyên tắc này vào tàu thủy