3
CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA VŨ KHÍ THỜI XƯA
Vai trò của vật lí học đối với các vũ khí chiến tranh thời xưa cũng giống như đối với các vũ khí chiến tranh phức tạp hơn sau này. Cho đến đây, ta mới chủ yếu nói về xe ngựa, lính trên lưng ngựa, cung tên, giáo mác, và những thứ đại loại như máy ném đá, súng bắn đá, máy bắn đá, và máy phóng đá. Vật lí học có mặt trong tất cả những thứ này, nhưng ta chưa làm rõ nó có mặt như thế nào. Trong chương này, ta sẽ làm rõ điều này, nhưng trước tiên ta sẽ thảo luận những khái niệm cơ bản của vật lí học, bắt đầu với những khái niệm cơ bản nhất, ví dụ như tốc độ và gia tốc, rồi đến những khái niệm phức tạp hơn, ví dụ như năng lượng và động lượng.
VẬN TỐC VÀ GIA TỐC
Mọi người đều biết nếu bạn bắn một mũi tên vào không trung thì nó đi tới một điểm nhất định rồi rơi trở lại mặt đất. Người ta cũng biết rằng tốc độ của nó khi nó rời cái cung phụ thuộc vào sợi dây đẩy nó căng bao nhiêu, và dễ thấy là tốc độ của nó thay đổi trong khi bay. Tóm lại, nếu bạn bắn một mũi tên thẳng đứng lên cao, thì nó dừng lại ở một điểm nào đó trước khi rơi trở lại mặt đất.
Tuy nhiên, ta có một trở ngại nhỏ khi giải bài toán chuyển động trên trái đất. Mỗi vật phải chuyển động trong không khí, và không khí này có tác dụng lên tốc độ cũng như quỹ đạo của nó. Tuy nhiên, xét tác dụng của không khí thì khá phức tạp, cho nên ta sẽ tạm thời bỏ qua nó.
Cái đầu tiên ta có thể nói về một vật đang chuyển động là nó có một tốc độ nhất định so với mặt đất. Tốc độ là một khái niệm hữu ích, nhưng có ích hơn nữa (miễn là trong phạm vi vật lí học) là vận tốc. Tốc độ được định nghĩa là quãng đường mà vật đi được trong một đơn vị thời gian, ví dụ trong một giây, hay thậm chí trong một giờ. Chẳng hạn, một mũi tên có thể có tốc độ năm mươi feet trên giây. Vấn đề đối với tốc độ là nó không cho ta biết điều gì về hướng mà mũi tên đang chuyển động. Nếu ta chỉ rõ cả tốc độ lẫn hướng, thì ta có vận tốc. Vận tốc của mũi tên vừa nói, chẳng hạn, có thể là năm mươi feet trên giây theo hướng bắc.
Tuy nhiên, nếu ta nhìn kĩ vào mũi tên này một chút nữa, ta dễ thấy là nó không có vận tốc không đổi. Vận tốc của nó liên tục biến đổi, và sự biến đổi lớn nhất sẽ xảy ra khi nó được bắn lên thẳng đứng. Nói chung, nó dừng lại tại điểm cao nhất của nó. Ta gọi sự biến thiên này ở vận tốc là gia tốc. Mũi tên có thể rời cái cung với vận tốc năm mươi feet trên giây, nhưng một vài giây sau đó, nó sẽ chỉ chuyển động mười feet trên giây. Gia tốc rõ ràng khác với vận tốc, và do đó nó cần một đơn vị đo khác. Đơn vị trong trường hợp này là feet trên giây bình phương (trong hệ mét là mét trên giây bình phương). Vận tốc và gia tốc liên hệ nhau bởi một công thức đơn giản: vận tốc (v) bằng gia tốc (a) ´ thời gian (t), hay đơn giản hơn v = at.1
LỰC VÀ QUÁN TÍNH
Liên hệ mật thiết với vận tốc và gia tốc là một khái niệm vật lí quan trọng nữa gọi là lực. Để mũi tên thu được tốc độ - nói cách khác, để mũi tên gia tốc - nó phải chịu lực tác dụng, và như tôi đã nói ở phần trước, chính dây cung tác dụng lực lên mũi tên. Lực được hiểu đơn giản là đẩy hoặc hút. Và lực giống vận tốc ở chỗ nó vừa có độ lớn vừa có chiều (ta gọi một đại lượng như thế là vector).2
Ta có thể liên hệ lực với gia tốc, nhưng trước khi làm vậy, ta hãy làm quen một khái niệm vật lí quan trọng nữa. Mọi người đều biết về trọng lượng, và biết rằng trọng lượng sẽ tăng khi bạn ăn quá nhiều sôcôla. Cái ta quan tâm có liên hệ gần gũi với trọng lượng, nhưng không phải y hệt vậy. Ta gọi nó là khối lượng, và ta kí hiệu nó là m. Khối lượng của một vật là trọng lượng của nó chia cho gia tốc trọng trường, đại lượng này thường được kí hiệu là g. Tôi sẽ lí giải ở phần sau tại sao ta cần khối lượng chứ không phải trọng lượng.
Mối liên hệ giữa lực và gia tốc được nêu ra bởi nhà vật lí người Anh Isaac Newton. Ông đưa nó vào ba định luật của chuyển động mà ông công bố trong tác phẩm Principa vào năm 1687. Ông giải thích rằng gia tốc do một lực tác dụng lên một vật gây ra thì tỉ lệ với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Ta có thể viết nội dung này ở dạng đại số là a = F/m. Như bạn sẽ thấy, sẽ tiện lợi hơn nếu ta sử dụng hệ mét cho công thức này (thay cho các đơn vị mà có khả năng bạn quen thuộc, đó là feet, dặm, và vân vân, những đơn vị thuộc cái gọi là Hệ đơn vị Anh quốc). Tuy nhiên, trong khuôn khổ hệ mét, có hai hệ đơn vị, gọi là cgs (centi-mét, gram, giây) và mks (mét, kilogram, giây). Trong hệ mks, gia tốc được đo theo mét trên giây bình phương, khối lượng được đo theo kilogram, và đơn vị của lực là Newton. Trong hệ cgs, gia tốc được đo theo centi-mét trên giây bình phương, khối lượng được đo theo gram, và đơn vị của lực là dyne, đó là lực cần thiết để gây ra cho một khối lượng một gram gia tốc một centi-mét trên giây bình phương.
Công thức trên thường được viết là F = ma. Vì thế, lực tác dụng lên một vật bằng tích của khối lượng và gia tốc. Ví dụ, nếu bạn muốn gây ra một gia tốc 25 km/s2 cho một mũi tên khối lượng 0,01 kg bạn sẽ cần một lực bằng 0,01 ´ 25 = 0,25 Newton.
Liên hệ gần gũi với khái niệm lực là cái gọi là quán tính. Chúng ta bắt gặp quán tính mỗi ngày; khi bạn đẩy một vật hoặc nâng nó lên, bạn phải tác dụng một lực để làm cho nó dịch chuyển. Nếu một vật không chuyển động – nói cách khác, nó nằm yên tại chỗ – thì nó có xu hướng chống lại chuyển động, và cần một lực để làm nó dịch chuyển. Thật vậy, vật càng nặng thì lực cần thiết càng lớn. Sự “kháng lại” sự thay đổi chuyển động như thế này được gọi là quán tính, và Newton mô tả nó trong định luật thứ nhất của chuyển động: một vật sẽ tiếp tục ở trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều trừ khi có lực tác dụng lên nó. Lưu ý rằng định luật không chỉ áp dụng cho vật đứng yên, mà còn áp dụng cho vật chuyển động thẳng đều.
Điều này có nghĩa là ta cần lực để vượt qua quán tính, và lực này gây ra gia tốc theo công thức ở trên. Ngoài ra, lực tác dụng luôn luôn đi cùng với hai vật. Nếu một vật bị đẩy, thì vật kia đang tác dụng lực đẩy. Điều này cũng áp dụng cho một vật nằm yên trên sàn; vì trọng lượng ép nó xuống sàn. Nhưng theo Newton, sàn nhà đẩy trở lại một lực bằng về độ lớn nhưng ngược chiều. Newton phát biểu nội dung này trong định luật thứ ba của chuyển động: hễ một vật tác dụng một lực lên vật thứ hai, thì vật thứ hai tác dụng một lực lên vật thứ nhất. Hai lực này bằng về độ lớn và ngược chiều. Chúng thường được gọi là lực “tác dụng” và lực “phản tác dụng”. Bạn có thể thấy một thí dụ của hai lực này khi bạn cầm một ống nhựa phun nước tưới cây. Bạn cảm nhận được một lực tác dụng ngược lên tay bạn; đây là lực phản tác dụng, và đó là lí do tên lửa hoạt động được: chất khí cháy phụt ra phía sau tên lửa, gây ra cho tên lửa lực đẩy về phía trước.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Trần Nghiêm dịch
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
