NGUYÊN LÝ ĐÒN BẨY VÀ LỰC ĐẨY ARCHIMEDES
- Nội dung khám phá: hai nguyên lý cơ bản trong lĩnh vực vật lý học và công trình học.
- Người phát hiện: Archimedes.
Tại sao nguyên lý đòn bẩy và lực đẩy Archimedes lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?
Lực đẩy và đòn bẩy là hai khái niệm cơ bản của khoa học định lượng và công trình khoa học. Nguyên lý lực đẩy cho rằng: lực đẩy của chất lỏng tác động lên vật bằng với trọng lượng của chất lỏng tác động lên vật thể chiếm chỗ đẩy ra. Nguyên lý đòn bẩy cho rằng lực tác dụng đầu dưới của đòn bẩy, có thể chuyển hóa thành lực tác dụng ở đầu trên của đòn bẩy, nó tỉ lệ thuận với độ dài của hai đầu đòn bẩy. Điều này đã chứng minh sự lý giải độc đáo từ rất sớm của con người đối với thế giới khách quan xung quanh, là bước đột phá quan trọng trên phương diện miêu tả hiện tượng vật lý dựa vào lượng. Hai phát hiện này đã trở thành nền tảng của vô số các thiết kế công trình và tiến bộ khoa học.
Nguyên lý đòn bẩy và lực đẩy Archimedes được phát hiện như thế nào?
Năm 260 trước Công nguyên, khi đó Archimedes 26 tuổi, đang theo học hai bộ môn khoa học nổi tiếng là thiên văn học và hình học tại Syracuse. Một ngày, Archirmedes thấy bốn cậu bé trai đang chơi đùa cùng một tấm ván nổi trên bãi biển. Lũ trẻ đặt ngang tấm ván, kẹp vào giữa một khe đã cao đến khoảng thắt lưng. Tiếp đó, một cậu bé ngồi lên trên một đầu, ba cậu bé còn lại cùng nhảy mạnh lên trên đầu kia của tấm ván, đứa trẻ đầu đối diện lập tức được bắn lên không trung.
Lũ trẻ tiếp tục điều chỉnh chỗ tiếp xúc của tấm ván với khe đá, chúng thay đổi chiều dài tấm gỗ khiến cho một đầu chỉ còn bằng ¼ tổng chiều dài tấm gỗ. Ba cậu bé leo lên đứng ra mé ngoài cùng của một đầu ngắn; ở đầu dài bênh lên bên kia là một cậu bé khác ra sức nhảy. Sau đó nó nhảy mạnh một cái, ấn đầu tấm ván xuống cát và đẩy bật ba cậu bé kia lên khôn chung.
Archimedes ngay lập tức bị thu hút, ông tự hỏi tại sao trọng lượng của một vật nhỏ (một đứa bé) lại có thể nâng bổng trọng lượng của vật lớn(ba đứa bé) lên một cách dễ dàng như vậy? Và ông quyết định phải tìm hiểu kỹ nguyên lý bên trong của vấn đề này.
Archimedes đẽo một miếng gỗ hình tam giác để thay cho khe đá, dùng một thanh gỗ và vài mảnh gỗ nhỏ để thay cho tấm ván và bọn trẻ. Trong quá trình đặt vào hai đầu đòn bẩy những miếng gỗ có trọng lượng không đều nhau, qua đo đạc cụ thể, Archimedes phát hiện ra rằng: Thì ra đòn bẩy là một trong các ví dụ về tác dụng tỉ lệ hình học của Euclid, lực tác dụng lên hai đầu của đòn bẩy nhất định phải tỉ lệ thuận với chiều dài hai bên của đòn bẩy tính từ điểm đỡ. Đây là công cụ nâng nhấc cơ bản nhất của con người, và Archimedes đã phát hiện ra nguyên lý toán học của đòn bẩy.
Năm 245 trước công nguyên, diễn ra câu chuyện quốc vương Hy Lạp lệnh cho Archimedes điều tra xem người thợ kim hoàn có phải đã lừa dối vua hay không. Nhà vua đưa cho người thợ kim hoàn một khối vàng để làm một chiếc vương miện bằng vàng ròng. Mặc dù sau khi làm xong, trọng lường của chiếc vương miệm và khối vàng là như nhau song nhà vua vẫn nghi ngờ người thợ khim hoàn đã ăn bớt. Nhà vua lệnh cho Archimedes điều tra xem chiếc vương miện có phải được làm toàn bằng vàng ròng hay không, nhưng lại không cho phép làm hư hại đến vương miện.
Công việc này thật không dễ gì có thể thực hiện được. Trong nhà tắm công cộng, Archimedes để ý thấy hai cánh tay mình nổi lên trên mặt nước, trong đầu ông lập tức lóe lên một ý nghĩ; ông ấn hai cánh tay chìm sâu trong nước sau đó thả lỏng toàn thân, lúc này hai cánh tay ông lại nổi lên trên mặt nước.
Archimedes đứng ngay lên khỏi bồn tắm, mực nước trong bồn lập tức hạ xuống, khi ông ngồi xuống, mực nước trong bồn lại dâng cao như cũ.
Archimedes nằm xuống thì thấy mực nước lại càng dâng cao hơn, ông cũng cảm thấy mình nhẹ đi. Ông lại đứng lên thì mực nước hạ xuống và ông cũng cảm thấy mình nặng thêm. Nhất định là nước đã sinh ra lực đẩy mới có thể khiến ông trở nên nhẹ đi như vậy.
Ông ném một vài cục đá và gỗ kích thước tương tự nhau và trong bồn tắm, dìm sâu chúng xuống đáy. Các cục đá chìm ngay xuống đáy bồn nhưng ông cảm thấy chúng có phần nhẹ đi. Ông phải ra sức ấn các miếng gỗ thì mới làm chúng chìm vào trong nước. Thí nghiệm này đã chứng minh lực đẩy có liên quan đến lượng nước bị đẩy ra của vật thể (thể tích của vật thể) chứ không hề có liên quên đến trọng lượng của vật thể. Như vậy, vật thể trong nước nặng hay nhẹ nhất định có liên quan đến mật độ của nó (trọng lượng của thể tích đơn vị vật thể).
Archimedes đã tìm ra câu trả lời để giải quyết bài toán của nhà vua giao cho ông, mấu chốt bài toán chính là mật độ. Nếu như chiếc vương miện của nhà vua không hoàn toàn bằng vàng mà có lẫn kim loại khác thì mật độ của chúng sẽ không giống nhau, trong trường hợp khối lượng bằng nhau thì thể tích của chiếc vương miện cũng sẽ có sự khác biệt.
Archimedes đem vương miện và một cục vàng có khối lượng như nhau thả vào trong nước, kết quả là lượng nước do vương miện chiếm chỗ đẩy ra nhiều hơn lượng nước do vàng đẩy ra, điều này chứng tỏ người thợ kim hoàn đã ăn bớt vàng.
Quan trọng hơn cả là Archimedes đã phát hiện ra nguyên lý lực đẩy, đó là lực đẩy của nước bằng với trọng lượng nước do thể tích phần vật thể đẩy ra.
