Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

Chia sẻ: Pham Nhung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:89

0
312
lượt xem
96
download

Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các lốp xe ảnh hưởng đến sự an toàn của bạn đến mức nào khi bạn lái xe trên xa lộ? Yếu tố nào ngăn cho xe khỏi bị trượt và cho phép bạn kiểm soát xe khi bạn cua xe hay dừng lại? Ma sát làm được gì ở đây? Bề mặt lốp xe đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo ma sát hay chống trượt. Trong điều kiện khô ráo, một lốp xe nhẵn sẽ tạo lực đẩy lớn hơn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn hơn sẽ làm tăng lực ma sát. Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua trên các đường đua...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

  1. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG -------------------------------------------------------------------------------------------------------- KIẾN THỨC VẬT LÝ HỌC & ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Phạm Thị Hồng Nhung (sưu tầm) TRANG 1
  2. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ma sát của lốp xe hơi .................................................................................................3 Những cây cầu ............................................................................................................4 Năng lượng con người ...............................................................................................6 Đo huyết áp ................................................................................................................. 7 Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều ..........................................................................9 Sức căng bề mặt và phổi .........................................................................................10 Động cơ xăng ............................................................................................................12 Máy bay bay như thế nào? .......................................................................................14 Đi và chạy .................................................................................................................. 18 Tai người và việc nghe .............................................................................................20 Lưỡng cực và lò vi sóng ............................................................................................21 Máy ghi điện tâm đồ ................................................................................................22 Điện giật ...................................................................................................................23 Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) ............................................................................24 Nghịch lí anh em sinh đôi ..........................................................................................26 Photon và sức nhìn ....................................................................................................27 Kính hiển vi điện tử .................................................................................................28 Màn hình tinh thể lỏng ............................................................................................29 Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm..................................................................30 Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo ..........................................................32 Vật Lí về không trọng lượng ..................................................................................36 Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném ..................................................40 Sức cản khí động lực học.........................................................................................42 Âm học của phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật? ...................................46 Sự hoàn chỉnh hiệu năng cho phòng Hòa Nhạc .....................................................47 Sự sôi và hiệu ứng Leidenfrost ................................................................................51 Phải chăng sự tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu của chúng ta ........................55 Bay bằng từ ............................................................................................................... 60 Từ học và đời sống ..................................................................................................65 Vật Lí và đồ chơi .....................................................................................................69 Thông tin bằng sóng sáng dùng sợi quang học .......................................................72 Phép chụp ảnh toàn ký .............................................................................................76 Ứng dụng của laser ..................................................................................................81 Y học hạt nhân..........................................................................................................87 TRANG 2
  3. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ma sát của lốp xe hơi Các lốp xe ảnh hưởng đến sự an toàn của bạn đ ến m ức nào khi b ạn lái xe trên xa lộ? Yếu tố nào ngăn cho xe khỏi bị trượt và cho phép b ạn ki ểm soát xe khi b ạn cua xe hay dừng lại? Ma sát làm được gì ở đây? Bề mặt lốp xe đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo ma sát hay chống trượt. Trong điều kiện khô ráo, một lốp xe nhẵn sẽ tạo lực đẩy lớn hơn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn hơn sẽ làm tăng lực ma sát. Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua trên các đường đua có bề mặt nhẵn không có khía (Hình P.101). Rủi thay, một lốp xe nhẵn tạo ra rất ít ma sát khi đường ướt bởi vì sự ma sát bị giảm đáng kể do có lớp nước rất mỏng bôi trơn gi ữa mặt đ ường và l ốp xe. L ốp xe có bề mặt nhiều khía sẽ tạo nên các rãnh cho n ước b ị ép thoát ra đ ược và cho phép lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường. Một l ốp xe có khía có h ệ s ố ma sát khô và ướt là khoảng 0,7 và 0,4. Giá trị này nằm giữa khoảng giá trị rất l ớn khi khô (0,9) và rất nhỏ khi ướt (0,1) đối với lốp xe nhẵn. Lý thuyết ma sát cổ điển cần được sửa đổi cho lốp xe b ởi vì cấu trúc m ềm d ẻo của chúng và độ dãn của cao su. Thay vì ch ỉ ph ụ thu ộc h ệ s ố ma sát gi ữa b ề m ặt đường và lốp xe (hệ số này quyết định bởi bản chất của mặt đường và cao su c ủa lốp xe). Khả năng dừng tối đa cũng còn phụ thuôc vào đ ộ bền c ủa l ốp xe v ới l ực xé rách khi xe thắng gấp. Khi xe thắng gấp trên đường khô, lực ma sát t ạo ra có th ể l ớn hơn sức bền của bề mặt lốp xe. Kết quả là thay vì chỉ b ị trượt trên đ ường, cao su có thể bị xé rách. Rõ ràng độ bền chống lại xé rách sẽ ph ụ thu ộc vào l ớp b ố cũng nh ư hình dạng các khía. Trọng lượng của xe được phân bố không đều trên di ện tích ti ếp xúc v ới m ặt đường, tạo các vùng áp suất cao thấp khác nhau (gi ống nh ư khi b ạn đi b ộ b ằng dép mỏng trên sỏi). Độ bền chống xé rách sẽ lớn hơn ở vùng có áp suất cao hơn. Hơn nữa, kích thước của diện tích tiếp xúc là rất quan trọng bởi vì lực đẩy là động hơn là tĩnh tức là nó thay đ ổi khi bánh xe lăn. Diện tích tiếp xúc càng l ớn, lực đẩy càng lớn. Do đó, với cùng tải và trên cùng bề mặt khô, lốp xe rộng hơn sẽ có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả năng dừng tốt hơn. Khi bạn đi mua lốp xe, hãy suy nghĩ về điều kiện thời tiết và chất lượng mặt đường, cũng nh ư v ận t ốc b ạn lái xe. N ếu bạn lái xe trên đường tốt, bạn chỉ cần lốp xe có khía v ừa ph ải. N ếu b ạn lái xe trên đường bùn hay tuyết, bạn cần lốp xe thiết kế cho các điều kiện này. TRANG 3
  4. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Xe đua chạy trên đường siêu tốc được trang b ị l ốp r ộng, nh ẵn g ọi là “lốp tăng tốc”. Lốp xe đua trên đường khô có bề mặt tiếp xúc nhẵn. L ốp có khía đ ược dùng phổ biến để tạo rãnh cho nước thoát ra khi chạy trên đ ường ướt (Hình P.102). B ởi vì nếu không có khía, lốp xe đua không thể chạy trên đ ường ướt. Những cây cầu Làm sao để qua sông? Có lẽ câu trả lời đầu tiên là làm m ột chi ếc c ầu. Ng ười ta đã xây dựng những cây cầu trong nhiều thế kỷ, và ngày nay v ẫn ti ếp t ục thi ết k ế và xây dựng những cây cầu dài hơn, đẹp hơn. Những cây cầu đầu tiên là những thân cây hay tấm đá gác lên hai b ờ. Kho ảng cách giữa những tấm đó phụ thuộc vào chiều dài và s ức b ền c ủa v ật li ệu. S ự phát triển của giàn cầu, một tổ hợp các xà nối với nhau sao cho m ỗi thanh chia m ột ph ần trọng lượng cầu, làm tăng tỉ số sức bền trên trọng l ượng. Thành ph ần c ủa giàn c ầu là những thanh thẳng nối với nhau thành một lo ạt tam giác. C ấu trúc t ạo thành nh ẹ hơn và cứng hơn một thanh đơn và có thể chịu tải trên m ột khoảng cách l ớn h ơn. Trong thuật ngữ hiện đại thiết kế giàn cầu cần ki ến th ức v ề s ự cân b ằng và s ức b ền vật liệu. Hình P.201 - Cầu Mỹ Thuận thuộc tỉnh Vĩnh Long - Việt Nam là một cầu treo chống đỡ tải trọng bằng cách truyền các lực căng dọc theo cáp treo tới trụ chính, các trụ truyền các lực nén xuống đất. Những cầu giàn đầu tiên được làm bằng gỗ. Những giàn sau đó được gia cố bằng sắt hay làm toàn bộ bằng sắt. Vào cuối thế kỷ 19, vật liệu phổ biến để làm giàn c ầu là thép. H ầu h ết các c ầu xa l ộ ở Mỹ từ khoảng năm 1890 đến giữa thế kỷ 20 là nh ững cầu giàn thép, đ ặc bi ệt đ ối v ới các nhịp từ 200 đến 400m. Các khoảng cách dài hơn có thể đạt được bởi cầu vòng cung. Thiết kế cơ bản của cầu vòng cung đã được hoàn thiện từ nhiều thế kỷ trước bởi người La Mã. Bí mật của cầu vòng cung là tr ọng lượng của nó và của tải đều là lực nén, điều này cho phép dùng đá làm vật liệu xây dựng. M ột vài cây cầu đá làm từ thời La Mã đến nay vẫn con đứng vững. Thiết kế của vòng cung tạo ra một l ực hướng xuống và ra mép đáy vòng cung. Một c ầu vòng cung xây dựng đúng đắn có thề dài hàng trăm mét. Ví dụ, cầu vòng cung thép băng qua vịnh Sydney (Úc) dài 503m và cầu trên sông Gorger ở Đông Virginia (Mỹ) dài 518m. Cả hai cầu TRANG 4
  5. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG thép này dùng giàn thép gia cố trên vòng cung c ơ b ản. Nh ịp c ầu l ớn nh ất cho c ầu vòng cung thép đã được ước tính là vào khoảng 900m. Hình P.202 - Một cầu vòng cung chống đỡ tải của nó b ằng cách truy ền các l ực nén tới trụ chống. Cầu trên quốc lộ 1 ở California được tựa vào vách đá. Những nhịp cầu dài nhất đạt được với những cầu treo, treo b ằng nh ững dây cáp thép giữa những trụ cao. Đầu dây cáp được neo trên b ờ bên kia b ằng các ch ỗ neo bằng bêtông cứng. Nhờ có tỉ số sức bền trên trọng l ượng l ớn, c ầu treo có th ể làm dài hơn các loại cầu khác. Cầu Askashi-Kaikyo ở Nhật là cầu có nh ịp dài nh ất trên thế giới, với khoảng cách 170m giữa các trụ. Các cầu treo ngày nay dựa nhiều vào các nhà thiết k ế c ủa cầu Brooklyn, John Roebling và con trai là Washington Roebling. Vào năm 1866 Roebling B ố, ng ười đã đi tiên phong trong việc xoắn dây từ đầu neo này đ ến đ ều neo kia qua đ ỉnh c ủa c ột, nhận nhiệm vụ thiết kế và xây dựng một cây cầu nối Brooklyn và Mahattan. Ba năm sau, việc thiết kế hoàn thành, John Roebling ch ết vì b ệnh u ốn ván do tai n ạn ngay tại chỗ làm cầu. Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ và giám sát vi ệc xây d ựng b ằng cách dùng buồng kín nước gọi là buồng khí nén, để đ ến vùng áp su ất cao ở móng cầu. Trong khi đang làm việc trong buồng khí nén, Washington Roebling bị bệnh khí ép do buồng bị mất khí đột ngột. Ông bị liệt một phần, và giám sát phần còn lại của công việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ Ông là Emily thực hiện các lệnh của ông và chỉ đạo thợ. Khi cầu khánh thành vào tháng 5 năm 1883 nó là cầu treo dài nhất trên thế giới thời bấy giờ với nhịp chính dài 486m. Hình P.203 - Cầu giàn truyền tải trọng tới trụ bằng tổ hợp các lực nén (các vector hướng vào nhau) và lực căng (các vector hướng xa nhau). Cầu Mystic Tobin băng qua sông Mystic ở Boston, Massachusetts, là một ví dụ của cầu giàn. Hình P.204 - Cầu Pont du Gard ở gần Nîmes, miền Nam nước Pháp. Cầu là một hệ thống ống dẫn nước và được xây bởi người Roman vào đầu thế kỷ thứ nhất TCN. Cấu trúc vững chãi này vẫn đứng vững để chứng thực cho kỹ năng siêu việt của những người kỹ sư Roman. TRANG 5
  6. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Năng lượng con người Định luật bảo toàn năng lượng có áp dụng cho cơ thể bạn không? Câu trả l ời là có. Thực phẩm bạn ăn là nhiên liệu cung cấp năng lượng cho bạn tồn tại và làm việc. Các chất xúc tác, gọi là các enzyme, cho phép đốt cháy nhiên liệu này ở nhiệt đ ộ cơ thể, biến đổi năng lượng hoá học thành nhiệt và năng lượng khác. Nếu bạn nạp vào quá nhiều nhiên liệu, một phần năng lượng sẽ được lưu trữ trong khối lượng cơ thể và bạn sẽ tăng cân. Nếu bạn nạp vào quá ít năng lượng, bạn sẽ giảm cân. Do đó, nếu bạn muốn duy trì cân nặng, năng lượng bạn nạp vào phải bằng năng lượng cơ thể bạn sử dụng. Sự cân bằng năng lượng này đôi khi được gọi là năng lượng đủ sống. Ở mọi nơi trên thế giới, năng lượng đều được đo bằng Jun. Calori là đ ơn v ị dùng phổ biến để đo năng lượng thưc phẩm. Không có gì ng ạc nhiên là năng l ượng đủ sống phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và mức độ hoạt động. Hình B 3.1 trình bày năng lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng cơ thể. Đường biên dưới ứng với người ít hoạt động. Đường biên trên ứng với người rất ho ạt đ ộng. Ở M ỹ hầu h ết m ọi người nạp vào khoảng 2000 đến 3000 Calori mỗi ngày. Hầu hết năng lượng thực phẩm đưa vào chỉ để làm cơ thể tồn tại và giữ ấm. Khi bạn nằm yên trên giường, cơ thể bạn dùng năng lượng ít nhất, năng lượng trung bình dùng trong điều kiện đó, g ọi là t ốc độ trao đổi chất cơ bản, là khoảng 1400 Calori mỗi ngày cho phụ nữ và 1600 Calori cho đàn ông. T ốc đ ộ này ứng với công suất trung bình khoảng 75W. Hầu hết các năng lượng nạp vào dùng để taí tạo tế bào. Năng lượng tiêu phí nhả ra dưới dạng nhiêt để duy trì nhiệt độ cơ thể. Khi bạn tăng cường hoạt động, nhu cầu năng lượng của bạn sẽ tăng lên. Ví dụ, hình B 3.2 ch ỉ ra tốc độ sử dụng năng lượng tăng lên khi tăng t ốc đ ộ đi bộ. Tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng lên khi đi nhanh hơn có nghĩa là khi bạn nhấc chân ho ặc tay, một ít năng lượng cần dùng để thắng ma sát bên trong cơ thể. Hơn nữa, các bắp thịt là kém hiệu quả trong việc chuyển năng lượng hoá học thành cơ năng. Chỉ khoảng một phần năm hoá năng dùng bởi các bắp thịt được chuyển thành cơ năng; ph ần còn lại tiêu tán dưới dạng nhiệt; điều đó giải thích t ại sao bạn nóng hơn khi chạy. Mức tiêu thụ năng TRANG 6
  7. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG lượng trung bình của một người đàn ông không hoạt đ ộng là vào kho ảng 2800 Calori, cho phụ nữ không hoạt động là khảng 2000 Calori. Nh ững ng ười làm vi ệc nặng nhọc cần nhiều năng lượng hơn. Ví dụ một lực sĩ cần khoảng 8000 Calori m ỗi ngày. Bạn dùng bao nhiêu năng lượng trong thể thao và các hoạt động khác? Bảng B6.1 cung cấp giá trị tiêu biểu cho một ng ười nặng 70 kg. Đ ể tìm giá tr ị cho b ạn, nhân số trong bảng với khối lượng của bạn và chia cho 70. Bảng ch ỉ cho năng lượng trung bình. Khi bạn nhảy, ném hay cử tạ, năng lượng bạn c ần có th ể cao h ơn. Số Calori dùng bởi người nặng 70kg trong 10 phút Hoạt động Năng lượng sử dụng (Calori) (Jun) Bóng chuyền 34 142,000 Đi bộ (5km/h) 40 167,000 Đi bộ (7km/h) 58 242,000 Chạy bộ chậm (7 phút - 1km) 91 380,000 Chạy bộ (5 phút –1km) 141 590,000 Đi xe đạp (10km/h) 47 197,000 Đi xe đạp (18km/h) 81 339,000 Bơi (ếch) 72 301,000 Bơi (sấp) 87 364,000 Thể dục mềm dẻo 49 205,000 Tennis 68 285,000 Bóng ném 95 398,000 Trượt tuyết (xuống dốc) 95 398,000 Trượt tuyết (đường bằng) 108 452,000 Trượt băng (vừa phải) 54 226,000 Chèo xuồng 70 293,000 Leo núi 100 420,000 Golf 54 226,000 Đo huyết áp Hầu như mỗi khi bạn đi kiểm tra sức khỏe, người ta đo huy ết áp c ủa b ạn. Đó là một việc làm thông dụng nhất của ngành y. Người ta qu ấn m ột băng quanh tay bạn, bơm hơi căng, rồi lắng nghe qua ống nghe đặt vào tai trong khi nh ả h ơi ra t ừ từ. Chuyện gì xảy ra khi người ta đo huyết áp? Trái tim là một bắp thịt lớn, chịu trách nhi ệm b ơm máu đi kh ắp c ơ th ể. Máu t ừ cơ thể quay về qua tĩnh mạch về ngăn bên phải tim. Tim b ơm máu này qua ph ổi. Phổi lấy khí dioxit cacbon ra khỏi máu và cấp oxy vào máu. Ngăn bên trái tim nh ận máu giàu oxy từ phổi và bơm nó đi khắp cơ thể qua đ ộng mạch. Máu ch ảy t ừ đ ộng mạch đến tĩnh mạch qua các mao mạch. Y học quan tâm đến áp suất trong hai hoạt đ ộng c ủa qu ả tim: huy ết áp Tâm Thu, khi trái tim co lại; và huyết áp Tâm Tr ương, khi tim ngh ỉ gi ữa hai nh ịp đ ập. Ho ạt TRANG 7
  8. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG động bình thường của trái tim làm cho huyết áp dao đ ộng gi ữa hai giá tr ị này. Giá tr ị cao hay thấp bất thường của huyết áp có thể chỉ ra tình trạng b ệnh t ật v ơí m ức đ ộ nghiêm trọng khác nhau. Cách trực tiếp nhất để đo huyết áp là nhét một ống đầy chất lỏng vào động mạch và nối nó tơí một máy đo áp suất. Mặc dù điều này thỉnh thoảng được làm, nhưng nó rất bất tiện. Phương pháp thường được dùng nhất là dùng một máy đo huyết áp. Một băng không đàn hồi có ruột có thể thổi phồng lên được được đặt vào cánh tay, ở độ cao vào cỡ độ cao của tim. Băng được nối trực tiếp tơí áp kế(Hình P.401). Khi băng được bơm phồng; nếu đủ áp suất, máu chảy qua động mạch tay sẽ dừng lại. Nêú băng đủ dài và bó sát vào cánh tay, áp suất trong mô của cánh tay sẽ bằng áp suát trên băng và cũng bằng áp suất trong động mạch. Thực tế là nguyên lý Pascal đã được áp dụng cho hệ thống gồm băng, cánh tay và động mạch. Sau khi dòng máu chảy bị ngưng, áp suất trong băng được giảm đi bằng cách nhả bớt h ơi. S ự giảm áp su ất t ương đ ương v ơí đường chấm chấm trên hình P.401. Tại điểm mà áp suất động mạch hơi vượt qua áp suất trong băng, máu sẽ chảy qua. Sự tăng tốc của máu qua mạch sẽ tạo ra một tiếng kêu nhận biết được nhờ ống nghe. Khi có tiếng kêu này, áp kế chỉ áp suất cực đại hay tâm thu. Khi áp suất trong băng ti ếp t ục giảm, có m ột tiếng kêu khác, ứng vơí áp suất tâm trương. Số đọc trên hình P.401 ứng vơí hai áp suất này và th ường đọc là “110 trên 80” là giá trị bình thường cho người khoẻ mạnh. Số đo thực hiện bằng kỹ thuật này có thể thăng giáng tuỳ theo cách quấn băng cũng nh ư việc ước lượng đi ểm t ại đó âm thanh thay đổi. Tình trạng của áp kế, kích thước của tay và tốc đ ộ băng đ ược b ơm h ơi và nh ả TRANG 8
  9. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG hơi cũng có thể có ảnh hưởng. Hình P.402 so sánh áp huy ết đo tr ực ti ếp t ừ đ ộng mạch vơí áp huyết đo gián tiếp bằng máy đo huyết áp. Hình P.401 Đo huyết áp bằng maý đo huyết áp. Âm thanh nghe đ ược trong cánh tay xảy ra khi áp suất trong băng giảm xuống d ươí áp su ất tâm thu và áp su ất tâm trương. MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ TIM MẠCH và HUYẾT ÁP Sphygmomameter cuff băng của máy đo huyết áp Inflation bulb bóng bơm hơi artery động mạch Diastolic pressure áp huyết tâm trương systolic pressure áp huyết tâm thu cuff pressure áp suất trong băng Arterial pressure pulses xung áp suất động mạch Intraarterial pressure áp huyết trong động mạch cuff pressure áp huyết trong băng ventricle tâm thất auricle tâm nhĩ mitral valve van hai lá tricuspid van ba lá aorta động mạch chủ pulmonary veins tĩnh mạch phổi pulmonary artery động mạch phổi Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều Thủy triều là quen thuộc với bất cứ ai đã từng sống g ần b ờ bi ển. Ngoài bi ển khơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét. Khi th ủy triều tiến g ần b ờ, đ ịa hình c ủa b ờ thường làm nước dâng cao hơn, thường vào khoảng ba mét. Thủy triều thay đổi theo từng nơi. Trong một vài vùng thủy triều thấp hơn, trong một số vùng khác thủy triều cao hơn. Ở vịnh Fundy ở Canada (Hình P.501) thuỷ triều lên cao tới 15m. Con người đã và đang mơ ước biến được chuyển động của thủy triều thành điện. Tuy nhiên, khả năng làm điều này bị hạn chế tới một số ít vùng nơi thủy triều thay đổi đủ lớn và nơi có thể xây được các đập ngang qua các kênh. Hiện nay, chi phí để xây dựng đắt hơn so với các ph ương pháp s ản xu ất đi ện khác. TRANG 9
  10. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Thủy triều chủ yếu gây ra do sức hút của Mặt Trăng. Ngoài th ủy tri ều trên đ ại dương, Mặt Trăng cũng gây ra điạ triều trên mặt đ ất, nh ưng đi ạ tri ều khó quan sát hơn. Khi Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo của nó, Trái Đ ất cũng chuy ển đ ộng, bởi vì cả hai cùng chuyển động quanh khối tâm c ủa h ệ Mặt Trăng-Qu ả Đ ất. B ởi vì lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, phần nước ở phía Trái Đất gần Mặt Trăng sẽ bị hút về Mặt Trăng với lực lớn hơn lực trung bình, trong khi ph ần nước ở phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ hơn l ực trung bình. H ơn n ữa chuy ển động của Trái Đất quanh khối tâm cũng làm tăng ch ổ ph ồng c ủa thu ỷ tri ều v ề phía Mặt Trăng. Kết quả là xuất hiện hai chỗ phồng lên của đại d ương ở hai phía đ ối nhau của Trái Đất. Bởi vì Trái Đất quay quanh trục của nó nhanh hơn Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất, và bởi vì ma sát giữa nước biển và đáy biển, Trái Đất kéo cực đại thủy triều đi trước vị trí tính toán của cực đại này (Hình P.502). Vị trí bất đối xứng của các cực đại này so với đường nối tâm Trái Đất và Mặt Trăng tạo ra một moment lực tác dụng lên Mặt Trăng. Moment lực này làm tăng moment xung l ượng c ủa M ặt Trăng. Theo định luật III Newton, một moment lực với cùng độ lớn sẽ tác động lên Trái Đ ất làm nó quay chậm lại. Mặc dù tổng moment xung lượng của hệ Mặt Trăng - Trái Đ ất là b ảo toàn, moment xung lượng được truyền từ Trái Đất sang Mặt Trăng. C ơ năng toàn ph ần giảm do kết quả ma sát của thủy triều. Hệ quả là ngày s ẽ dài ra vì Trái Đ ất quay chậm lại, và tuần trăng sẽ ngắn lại do Mặt Trăng quay nhanh lên. Do s ự tăng c ủa vận tốc, và do đó năng lượng, khoảng cách giữa Mặt Trăng và Trái Đất sẽ tăng lên. Các hiệu ứng này đã được đo: độ dài của ngày đang tăng d ần v ới t ốc đ ộ 20ms m ỗi năm, và Mặt Trăng đang đi xa khoảng 3cm m ỗi năm. Các tính toán ch ỉ ra r ằng M ặt Trăng sẽ tiếp tục đi xa Trái Đất cho đến khi nó đ ạt kho ảng cách kho ảng 75 l ần bán kính Trái Đất. Khi đó độ dài của ngày trên Trái Đ ất s ẽ b ằng tu ần trăng, và Trái Đ ất và Mặt Trăng sẽ quay cùng tốc độ. Khi đó Trái Đ ất sẽ luôn luôn quay m ột m ặt v ề phía Mặt Trăng, giống như Mặt Trăng hiện nay chỉ luôn luôn hướng m ột mặt về Trái Đất. Hình P.502 - Cực đại thuỷ triều xảy ra trước đ ường n ối tâm Trái Đ ất và M ặt Trăng vì sự quay của Trái Đất. Hình nhìn từ trên c ực xu ống (kích th ước thu ỷ tri ều đã phóng đại cho dễ nhìn.) Sức căng bề mặt và phổi Hãy hít vào một hơi dài. Bạn có lẽ không bao gi ờ ng ờ r ằng, trong ph ổi có m ột hiện tượng vật lí lý thú xảy ra mỗi khi bạn thở. Nó luôn luôn x ảy ra mà có th ể b ạn không hề biết, nhưng hiện tượng đó thật là kỳ diệu. TRANG 10
  11. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Không khí đi vào hai cuống phổi và chia nhánh nhỏ cho đến tận cùng là các túi nhỏ, gọi là các phế nang (Hình P.601). Ở đó xảy ra sự trao đổi các chất khí với máu. Phổi người lớn có khoảng 600 triệu phế nang. Sức căng bề mặt của chất phủ mặt trong của phế nang điều khiển nhiều chức năng quan trọng của phổi. Trước hết, hãy xét hai quả bóng xà phòng nối với nhau bằng một ống có van (Hình P.601). Chuyện gì sẽ xảy ra khi mở van? Khi mở van, bóng bóng lớn sẽ to lên trong khi quả bóng nhỏ lại cho đến khi mất hẳn. Chúng ta có thể hiểu được điều này trên quan điểm năng lượng. Giống như một giọt chất lỏng tự do có hình cầu để làm giảm tối thiểu năng lượng bề mặt, các bong bóng xà phòng cũng biến đổi sao cho diện tích bề mặt là tối thiểu. Diện tích bề mặt của một quả cầu lớn sẽ nhỏ hơn khoảng 30% so với diện tích bề mặt của hai qu ả cầu nhỏ với cùng thể tích như quả cầu lớn. Do đó, khi m ở van, hai bong bóng s ẽ nh ập thành một. Nếu hiệu ứng bóng bóng lớn thu lấy bóng bóng nh ỏ xảy ra trong ph ổi, các ph ế nang nhỏ hơn sẽ biến mất và các phế nang lớn h ơn s ẽ to lên. Đi ều này không x ảy ra nhờ chất bề mặt phổi, chất này phủ bên trong ph ổi. Th ực nghi ệm ch ứng t ỏ r ằng sức căng của chất bề mặt phổi tăng theo diện tích, trái với nước và hầu hết các chất lỏng khác. Điều này có nghĩa là năng lượng bề mặt của các phế nang lớn hơn. Mặc dù có tỉ số bề mặt trên thể tích nhỏ hơn, năng lượng bề mặt vẫn có thể bằng năng lượng bề mặt của phế nang nhỏ hơn. Do đó các tuí khí lớn và nhỏ vẫn có thể tồn tại cân bằng. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng sự biến thiên của sức căng bề mặt với diện tích cũng giải thích m ột hi ện tượng khác trong phổi. Nếu bạn hít một hơi dài rồi thả lỏng cơ ngực, không khí sẽ bị đẩy ra khỏi phổi. Một lý do của điều này là tính đàn hồi của các mô làm ph ổi co l ại và ép hơi ra. Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng t ỏ rằng ch ỉ có tính đàn hồi của phổi không đủ để giải thích hiện tượng mà lý do chính của hiện tường này là do sức căng b ề mặt trong phế nang, làm cho chúng co lại và đầy hơi ra. H ơn n ữa, hiệu ứng này phụ thuộc vào chất mà sức căng bề mặt tăng cùng vơí diện tích, nếu không xu hướng đẩy h ơi ra khi phổi đã xẹp xuống sẽ yếu hơn nhiều. Việc thở bình thường chỉ có thể có được khi trong phổi có đủ ch ất bề m ặt và có sức căng bề mặt thích đáng. Nếu sức căng bề m ặt l ớn h ơn bình th ường s ẽ khó thở, nếu sức căng bề mặt thấp hơn bình thường xu hướng đẩy hơi ra khi ph ổi x ẹp xuống sẽ giảm. Vài trẻ em sơ sinh, đặc biệt là những trẻ thi ếu tháng, không có đ ủ chất bề mặt làm cho phổi khó nở ra. Nếu không dược chữa trị t ức thời, nh ững em bé này sẽ chết ngay sau khi sinh vì thiếu oxy. Tình tr ạng này đ ược g ọi là h ội ch ứng suy hô hấp. TRANG 11
  12. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Hình P.601 - Mô hình bằng nhựa của đường d ẫn không khí trong ph ổi. Các đường tận cùng bằng các phế nang. Hình P.602 (a) Hai bong bóng xà phòng bán kính khác nhau n ối qua m ột ống (b) Khi van mở ra, bong bóng lớn hơn sẽ phình to trong khi bong bóng nh ỏ co lại. Động cơ xăng Các quảng cáo xe hơi mới thường nhấn mạnh sự gia tăng hiệu su ất đ ộng c ơ. Quả thật là, trong những năm qua đã có nh ững c ải thi ện th ực s ự trong vi ệc tăng hiệu suất động cơ. Nhưng điều này có thể tiến đến mức nào? Chúng ta hãy tìm hi ểu bằng cách phân tích một mô hình đơn giản của động cơ xe h ơi. Các động cơ đốt trong làm thành một loại đặc biệt của các động cơ nhiệt vì sự đốt nhiên liệu xảy ra trong lòng động cơ. Ví dụ về động cơ đốt trong bao gồm động cơ xăng, động cơ diesel và turbine khí. Ở đây chúng ta sẽ xét động cơ xăng như là đại di ện cho động cơ đốt trong. Chu kỳ hoạt động của hầu hết các động cơ xe hơi là bốn thì (Hình P.701). Trong kỳ hút m ột h ỗn h ợp xăng và không khí được hút vào cylinder qua van hút nh ờ chuy ển đ ộng đi xu ống c ủa piston. Van đóng lại và hỗn hợp khí – nhiên li ệu đ ược nén. T ại cu ối thì nén khí đ ược châm lửa bằng tia lửa điện từ bugi, làm tăng nhiệt độ và áp suất của khí. Khí nóng dãn ra đẩy piston trong kỳ sinh công, truyền năng lượng cho trục khuỷu. Van xả mở ra khi piston đi lên lần nữa, đẩy khí đã đốt ra ngoài trong kỳ xả. Van xả đóng lại, van hút mở ra và lặp lại một chu kỳ mới. Phân tích giản đồ cho một động cơ thực rất khó (Hình P.702a). Vì vậy, động cơ xăng thường được phân tích dựa trên một chu trình đơn giản hóa, do Nicholas Otto(1831- 1891) đề nghị. Chu trình TRANG 12
  13. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Otto bắt đầu tại điểm A trên giản đồ PV của (Hình P.702b). Th ể tích tăng ở áp su ất không đổi đến điểm B khi piston đi xuống trong kỳ hút. Trong kỳ nén ch ất khí đ ược nén đoạn nhiệt đến điểm C. Việc đánh lửa làm cho khí thay đ ổi đ ẳng tích đ ến đi ểm D có nhiệt độ và áp suất cao hơn, rồi đi theo đường đoạn nhiệt đến đi ểm A trong kỳ sinh công. Việc mở van xả làm cho áp suất giảm đẳng tích xuống đi ểm B, và ti ếp đó là sự giảm thể tích ở áp suất không dổi khi piston di chuyển trong kỳ xả. Công sinh ra bằng diện tích bao trong chu trình B-C-D-E-B. So sánh chu trình Otto với chu trình Carnot hoạt động cùng gi ữa hai nhi ệt đ ộ s ẽ th ấy hi ệu su ất c ủa chu trình Carnot cao hơn chu trình Otto. Chu trình Otto l ại có hi ệu su ất l ớn h ơn chu trình thực của động cơ. Động cơ xăng thực t ế ch ỉ có hi ệu suất kho ảng 20-25%, khoảng bằng một nửa giá trị tính theo chu trình Otto. Trong những năm gần đây, các nhà thi ết k ế đã chế t ạo các xe h ơi hi ệu su ất cao hơn. Các cảm biến điện tử được lắp đặt để điều khiển việc x ả, và vi ệc máy tính kiểm soát hỗn hợp không khí nhiên liệu nay đã ph ổ bi ến. Các ti ến b ộ khác nh ư đ ốt sạch, nạp nhanh, nhiều van và động cơ nhôm đã được dùng đ ể tăng hi ệu su ất đ ộng cơ, các phát triển trong tương lai không nghi ng ờ gì n ữa s ẽ bao g ồm vi ệc máy tính kiểm soát quá trình đốt và kiểm soát bằng điện t ử vi ệc truy ền năng lượng giữa động cơ và các bánh xe trong mọi tình huống Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động của động cơ bốn thì. Pít-tông đi xu ống và đi lên hai lần trong mỗi chu kỳ. Hình P.702 - Giản đồ cho: (a) - Động cơ xăng thực (b) - Chu trình Otto lý tưởng hoá TRANG 13
  14. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Intake valve van hút Air and fuel hỗn hợp không khí và nhiên liệu Spark plug bugi exhaust valve van xả crankshaft trục khuỷu Intake stroke kỳ hút compression stroke kỳ nén power stroke kỳ sinh công exhaust stroke kỳ xả ingition quá trình đánh lửa Máy bay bay như thế nào? Hàng không là một thắng lợi vĩ đại của thế kỷ 20. M ỗi ngày hàng trăm ngàn người được chuyên chở trên không đi khắp thế giới. Một chi ếc máy bay n ặng h ơn không khí bay được là nhờ dòng không khí chuyển động qua cánh c ủa nó. TRANG 14
  15. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Trước chuyến bay đầu tiên của họ vào tháng 12 năm 1903, anh em Wright đã thử nghiệm nhiều hình dạng cánh trong ống khí động để tìm ra dạng cánh sản sinh nhiều lực nâng nhất. Hình dạng này, thường gọi là dạng cánh máy bay, được chỉ ra trên hình P.802 cùng với dòng khí chuyển động. Không khí chuyển động phía trên cánh phải đi một đoạn đường dài hơn không khí chuyển động phía dưới cánh. Kết quả là, không khí chuyển động phía trên phải đi nhanh hơn không khí chuyển động phía dưới. Hình dạng của cánh máy bay cũng làm cho các đường dòng dày hơn ở phía trên, giống như trong đường ống bị hẹp lại. Kết quả là vùng khí ngay phía trên cánh sẽ có áp suất nhỏ hơn vùng khí phía dưới cánh. Bởi vì lực ép từ trên xuống nhỏ hơn lực ép từ dưới lên, một lực nâng xuất hiện. Chú ý là để có lực nâng cần có dòng khí chuyển động tương đối so với cánh. Điều này ứng với hoặc là cánh chuyển động qua không khí đứng yên hay không khí chuyển động qua cánh đứng yên. Bạn có thể thấy hiệu ứng này bằng cách lấy 1 tờ giấy khoảng 10x15cm. Gi ữ mép giấy gần miệng và thổi mạnh ở phía trên t ờ giấy (Hình P.803). Chuy ển đ ộng của dòng không khí phía trên t ờ giấy làm t ờ giấy nâng lên. Hi ệu ứng này cũng gi ống như hiệu ứng nâng cánh máy bay. Thêm vào đó, góc đ ụng, hay đ ộ nghiêng c ủa cánh đối với dòng khí, có thể được thay đổi để làm tăng l ực nâng. N ếu mép tr ước của cánh cao hơn mép sau, lực không khí tác d ụng vào phía d ưới cánh s ẽ nhi ều hơn phía trên cánh. Trong trường hợp này lực nâng x ảy ra ngay c ả v ới cánh ph ẳng. Tuy nhiên, nếu góc đụng quá lớn, dòng s ẽ chuyển đ ộng xoáy và hi ệu áp su ất không còn nữa. Nếu xoáy lớn, máy bay sẽ chòng chành. TRANG 15
  16. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG TRANG 16
  17. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG TRANG 17
  18. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Nói chung, khi dòng khí qua cánh tăng, c ả lực nâng và l ực kéo (l ực c ản) đ ều tăng. Cánh máy bay được thiết kế sao cho phi công có th ể thay đ ổi hình d ạng cánh trong khi bay, tạo ra lực nâng lớn hơn ở tốc độ thấp khi cất cánh và h ạ cánh và gi ảm bớt lực kéo khi lượn. Trong khi cất cánh và h ạ cánh, các cánh ph ụ đ ược m ở ra sau và xuống dươí ở mép sau của cánh (Hình P.804), làm tăng l ực nâng, trên vài máy bay việc mở cánh phụ làm tăng diện tích cánh khoảng 25%, làm tăng l ực kéo đáng kể. Đồng thời, mép trước của cánh có thể được chuyển t ới trước t ạo thành m ột khe hướng lớp không khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy và tăng l ực nâng. Ở tốc độ cao, phi công đóng khe lại và th ụt các cánh ph ụ vào đ ể gi ảm l ực kéo. Hành khách trên chuyến bay có thể thấy những thay đổi này trên cánh trong khi bay. Chúng ta cần chỉ ra rằng lực nâng không tuân theo chính xác phương trình Bernoulli. Lý do là phương trình Bernouli chỉ đúng cho lưu chất không nén được và không nhớt, trong khí không khí là có th ể bị nén và có nhớt. Tuy nhiên, hiệu áp su ất và do đó lực nâng, quả thật đã xảy ra trong không khí, ngay cả khi độ lớn không tuân theo đúng định luật Bernouli. Đi và chạy Để có vài ý tưởng về nguyên tắc cơ bản của việc đi và chạy chúng ta s ẽ gi ả thiết là chân của chúng ta là một thanh dài đ ồng chất tiết diện đều. Chúng ta có thể mô tả chân bằng một mô hình phức tạp hơn, nhưng về cơ bản những kết luận của chúng ta sẽ không thay đổi. Hình P.902 trình bày một thanh chiều dài L treo ở một đầu (điểm O) và có thể dao động tự do. Chu kỳ của con lắc sẽ là: Biểu thức này phụ thuộc vào chiều dài của thanh và gia tốc trọng trường giống như biểu thức cho chu kỳ của con lắc đơn. Hệ số 2/3 là do khối lượng phân bố đều trên thanh, thay vì tập trung ở điểm cuối thanh. Biểu thức này cho một giá trị gần đúng về chu kỳ dao động t ự do của chân. Bạn có thể tự làm thí nghiệm để kiểm tra giá trị này. Hãy đứng lên và lắc chân theo chiều trước sau một cách tự do. Đừng cố gắng dùng sức. Sau khi chân bạn dao động tự do, đếm số lần dao động trong khoảng 10 giây và tính chu kỳ. So sánh giá trị bạn đo được với giá trị tính theo biểu thức. Để xác định chiều dài chân của bạn đo từ xương hông xuống. Chúng ta có thể dùng mô hình này để ước tính nhịp đi TRANG 18
  19. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG của một người. Chúng ta giả sự rằng nhịp đi t ự nhiên là nh ịp đi đòi h ỏi ít s ức l ực nhất – nhịp đi với chu kỳ tìm được ở trên. Trong gần đúng đ ầu tiên chúng ta gi ả s ử là chiều dài của bước chân tỉ lệ với chiều dài c ủa chân. Th ời gian c ủa m ột b ước là một nửa chu kỳ ở trên. Vận tốc v do đó sẽ phụ thuộc vào chiều dài chân. Phương trình này dự đoán là người có chân dài hơn sẽ đi nhanh h ơn. D ự đoán này rút ra trên cơ sở mô hình về tiêu th ụ năng lượng cực tiểu và mô hình rất dơn giản của chân. Tuy nhiên, dự đoán này rất phù hợp v ới kinh nghi ệm thông th ường. Khi một người chạy, mô hình của chúng ta buộc phải có thay đ ổi quan tr ọng. Trong khi chạy, chân không dao động t ự do mà ch ịu m ột Moment lực quanh diểm O. Moment lực này là kết quả của lực F do bắp thịt tác dụng. Lực này gần đúng t ỉ lệ với tiết diện cơ. Nếu chúng ta giả thiết là, đối với những ng ười có kích th ước khác nhau, tỉ lệ tương dối của chân là như nhau, và do đó l ực F, sẽ phụ thuộc vào bình phương của chiều dài L. Moment lực tỉ lệ với tích của F và L: Moment quán tính I tỉ lệ với khối lượng nhân với bình phương chiều dài. Một lần nữa chúng ta giả thiết rằng tất cả các chân có cùng t ỉ l ệ, t ức là chi ều r ộng và chiều dày tỉ lệ với chiều dài. Khi đó khối lượng tỉ lệ với lập phương chiều dài: Có thể chứng minh rằng chu kỳ T của một thành dài L dao động chịu một Moment lực sẽ phụ thuộc vào Moment lực và Moment quán tính Thay giá trị của I và t vào, ta có Vận tốc sẽ tỉ lệ với tần số nhân với chiều dài bước chân Do đó chúng ta có dự đoán rằng, đ ối v ới đ ộng v ật có hình d ạng chân đ ơn gi ản, vận tốc khi chạy không phụ thuộc vào chiều dài chân. Dự đoán này dĩ nhiên là không đúng một cách chặt chẽ. Tuy nhiên, mô hình này cũng gi ải thích đ ược m ột TRANG 19
  20. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG hiện tượng thực tế là những người chân dài khi đi bình th ường nhanh h ơn rõ r ệt những người chân ngắn, trong khi t ốc độ của h ọ khi ch ạy không ph ải luôn luôn l ớn hơn những người chân ngắn một cách đáng kể. Tai người và việc nghe Tai người tốt đến mức nào trong việc nghe? Chúng ta có thể nghe các âm thanh từ tiếng vo ve của muỗi đến tiếng gầm của động cơ phản lực. Trong mỗi trường hợp, không khí dao động. Dao động của không khí vào tai, tác động lên màng nhĩ, làm cho chúng ta nghe âm thanh. Tai người là một máy nghe cực kỳ tốt vì có thể làm việc trên một dải rộng cường độ và tần số. Tai của chúng ta không nhạy như nhau đối với m ọi t ần s ố. Trong hình P.1001 minh họa cường độ của âm thanh nhỏ nhất mà tai có thể nghe đ ược ở các t ần s ố khác nhau. Miền cực tiểu của đường cong là n ơi tai nh ạy nh ất ứng v ới t ần s ố 3-4 kHz. Đây là dải tần số các nốt cao của đàn piano. Chúng ta có thể thấy tai nhạy đến mức nào b ằng cách dùng m ối liên h ệ gi ữa biên độ và cường độ. Để tìm biên độ của một âm thanh có th ể nghe đ ược b ởi m ột người thính tai, chúng ta có thể dùng giá tr ị t ối thiểu có th ể nghe th ấy đ ược c ủa cường độ, là 10-12W/m2 , và tần số 4000Hz ứng với vùng tần số nhạy nh ất. Khi dùng các giá trị này, cùng với các tham số thích h ợp khác, chúng ta tìm ra biên đ ộ dao động khoảng 3 x 10–12m. Đây quả thật là một sự dịch chuyển rất nhỏ; nó cỡ gần bằng 1/100 của đường kính phân tử oxigen cấu tạo nên không khí. Không nghi ng ờ gì nữa, màng nhĩ của bạn rất nhạy để có thể đáp ứng được một sự thăng giáng nhỏ như vậy. Trái lại, âm thanh quá lớn có thể gây đau đ ớn, ví dụ 120dB hay lớn hơn, có biên độ khoảng 3x10 - 6 m. Dầu giá trị này lớn hơn biên độ của âm thanh nhỏ nhất, nó vẫn còn khá nhỏ. Nếu một tờ giấy dày cỡ này, 400 trăm tờ giấy mới dày cỡ 1mm. Hình P.1002 trình bày sơ đồ tai. Ống tai ngoài tác động như một bộ khuếch đại đối với một số tần số. Hãy xét ống tai như một ống bịt một đầu bởi màng nhĩ. Chúng ta đã biết sự cộng hưởng của những ống như vậy. Chiều dài trung bình của ống tai là khoảng 2,5cm, do đó tần số cộng hưởng sẽ vào khoảng 3400Hz. Trong hình cho thấy sự tăng của độ nhạy trong miền cộng hưởng này. Thật là lý thú n ếu để ý rằng đây cũng là tần số của tiếng khóc trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, vùng này h ơi cao h ơn d ải t ần s ố c ủa tiếng nói người lớn, chủ yếu nằm trong miền 500-2000Hz. Các máy tr ợ thính th ụ động không cần pin đã được thiết kế để dịch chuyển mi ền c ộng h ưởng này xu ống TRANG 20
Đồng bộ tài khoản