Vật lí 10 vạn câu hỏi vì sao

[lê thị hải nguyên]

[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!

ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.

1. VÌ SAO SỨC NẶNG CỦA VẬT THỂ CÓ THỂ BIẾN ĐỔI?
Nếu có ai nói với bạn rằng sức nặng của một vật thể không phải là cố định mà có thể biến đổi theo những địa điểm khác nhau, liệu bạn có tin không? Song sự thực lại đúng là như vậy. Đưa vật thể đến những địa điểm khác nhau, sức nặng của chúng quả thực có xảy ra sự biến đổi. Một sự việc như thế này đã từng xảy ra: một nhà buôn mua của ngư dân 5000 tấn cá trắm đen của Hà Lan, đưa lên tàu chở từ đó về thủ đô Môgađishu của Xômali, gần xích đạo. Đến nơi, dùng cân lò xo cân lại bỗng thấy thiếu hơn 30 tấn cá. Lạ thật, cá chạy đi đâu nhỉ? Bị mất cắp là điều không thể có, vì trên đường đi, tàu không hề cập bến bờ nào cả. Tiêu hao trong quá trình xếp dỡ cũng không thể nhiều đến thế. Mọi người xôn xao bàn tán, nhưng không ai vạch ra được điều bí ẩn này. Về sau, sự thật cũng được làm sáng tỏ. Cá không bị mất cắp, cũng không phải việc xếp dỡ gây nên hao hụt, mà do sự tự quay của Trái Đất và sức hút của nó. Hoá ra là sức nặng của một vật thể - tức là trọng lực tác động lên nó, là do sức hút của Trái Đất lên vật thể đó tạo ra. Song Trái Đất lại luôn luôn xoay quanh mình, tạo ra một loại lực li tâm tự quay. Vì vậy, độ lớn của trọng lực mà vật thể chịu tác động bằng với hợp lực của sức hút Trái Đất và lực li tâm quán tính của sự tự quay, đúng ra là sức hút của địa tâm trừ đi thành phần thẳng đứng của lực li tâm quán tính của sự tự quay. Vì Trái Đất có hình bầu dục bẹt ở hai đầu, càng gần xích đạo thì khoảng cách giữa mặt đất và địa tâm càng lớn, sức hút Trái Đất cũng lại càng nhỏ. Mặt khác, càng gần xích đạo, lực li tâm tác dụng lên vật thể do sự tự quay của Trái Đất sinh ra lại càng lớn cho nên càng gần xích đạo, trọng lực thực tế tác động lên vật thể càng nhỏ. 5000 tấn cá trắm đen, vận chuyển từ nước Hà Lan có vĩ độ trung bình đến nước Xômali gần xích đạo, trọng lực tác động tất nhiên giảm dần. Đó là lý do vì sao khi cân lại, cá bị hụt hơn 30 tấn. Nếu một vận động viên leo núi nhặt được một tiêu bản nham thạch trên đỉnh Evơret mang về Bắc Kinh, nó sẽ nặng hơn một chút. Còn như có nhà phi hành vũ trụ mang nó vào khoảng không bên ngoài phạm vi sức hút Trái Đất nó sẽ không còn sức nặng nữa. Song, bất kể là sức nặng của vật thể biến đổi ra sao, khối lượng của chúng vẫn không hề thay đổi. Điều đáng chú ý là, sự biến đổi sức nặng của vật thể chỉ có thể cân đo ra được bằng cân lò xo mà thôi. Dùng cân bàn hoặc cân đòn đều không cân đo được, vì hai dụng cụ này đo khối lượng của vật thể (và đơn vị tấn mà ta nói ở trên là tấn lực).
2. MỘT MÉT DÀI BAO NHIÊU?
Trong hộp đựng dụng cụ học tập của bạn thường có một thước thẳng bằng nhựa trong suốt, trên mặt thước có in từng vạch thẳng, các vạch nhỏ cách nhau một milimet, mười vạch nhỏ bằng một xentimet, 1000 vạch nhỏ bằng chiều dài một mét.

Đơn vị theo hệ mét là đơn vị độ dài thông dụng trên thế giới. Vì sao phải dùng đơn vị độ dài thống nhất nhỉ? Thời cổ đại, các nước đều có đơn vị độ dài của riêng mình. Vả lại, đơn vị độ dài ở mỗi thời kì có khi còn biến đổi nữa. Đơn vị đo độ dài thay đổi nhiều sẽ gây ra không ít khó khăn cho việc chế tạo cơ khí chính xác.

Sau cuộc cách mạng công nghiệp thế kỉ XVIII, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật buộc các nhà khoa học phải nhanh chóng tìm ra tiêu chuẩn độ dài thống nhất quốc tế có thể duy trì lâu dài không đổi.

Các nhà khoa học lúc bấy giờ cho rằng kích thước của Trái Đất không biến đổi. Năm 1790, giới khoa học Pháp đã đo kinh tuyến của Trái Đất, đề xuất ý kiến lấy 1/10 triệu của đoạn kinh tuyến từ xích đạo đi qua Pari đến Bắc Cực làm tiêu chuẩn độ dài, gọi là một "mét". Con người căn cứ vào tiêu chuẩn độ dài đó chế ra một thước mét tiêu chuẩn đầu tiên bằng platin.

Năm 1889, Hội nghị về đo lường quốc tế đã chính thức quyết định, dựa theo độ dài của thước mét tiêu chuẩn đầu tiên, dùng hợp kim platin - iriđi chế thành một thước mét có mặt cắt ngang hình chữ X làm thước mét tiêu chuẩn quốc tế. Thước này được cất giữ cẩn thận tại Cục Đo lường quốc tế Pari. Thước mét tiêu chuẩn phục chế của các nước phải được đưa định kì đến Pari để so mẫu với thước mét tiêu chuẩn quốc tế đó.

Nhưng các nhà khoa học chưa cảm thấy hài lòng đối với thước mét quý giá ấy. Một là, nó quá mềm yếu, muốn duy trì được độ chính xác, bắt buộc phải đặt nó trong phòng có nhiệt độ ổn định suốt cả năm. Hai là, hợp kim platin - iriđi vẫn không tránh được hiện tượng lạnh co, nóng giãn. Ba là, thước chế tạo bằng kim loại, thời gian dài lâu thế nào cũng bị ăn mòn, hư hại.


Các nhà khoa học cận đại đã nghiên cứu bản chất của ánh sáng, phát hiện nó lan truyền dưới hình thức của sóng. Ánh sáng màu sắc khác nhau có bước sóng khác nhau, đồng thời phát hiện nó lan truyền dưới dạng bước sóng hết sức ổn định. Dùng bước sóng của ánh sáng làm tiêu chuẩn độ dài có tính ưu việt không gì sánh bằng. Vì vậy, tháng 10 năm 1960, Hội nghị đo lường quốc tế khoá 11 đã chính thức quyết định: Bước tiêu chuẩn của mét bằng 1650763,73 lần bước sóng ánh sáng màu vàng cam của kpypton - 86 phát ra trong chân không.

Sau khi phát minh ra laze, do tính đơn sắc của laze tốt, độ chói cao, khi dùng bước sóng của laze làm chuẩn gốc, độ chính xác so với dùng đèn của chất đồng vị kpypton - 86 được nâng cao tới 1.000.000 lần. Vì vậy, laze nhanh chóng trở thành "thước ánh sáng" lí tưởng của các nhà khoa học.

Tuy đã có thước ánh sáng của laze nhưng các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục tìm kiếm cái thước chính xác hơn. Ngày 20 tháng 10 năm 1983, trong Hội nghị đo lường quốc tế khoá 17 họp tại Pari, các bộ môn đầy quyền lực hữu quan lại tiến một bước trong việc xác định độ dài tiêu chuẩn của mét, cụ thể bằng độ dài của đoạn đường mà ánh sáng lan truyền trong chân không trong thời gian 1/299792458 giây. Vì rằng tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không là không đổi, nên cái "thước ánh sáng" mới này đặc biệt chính xác.
.3 VÌ SAO TRÊN NÚI CAO NẤU CƠM KHÔNG CHÍN?
Những người thăm dò địa chất và vận động viên leo núi hoạt động trên núi cao thường hay gặp chuyện lúng túng như thế này: nước trong nồi cơm sôi sùng sục đã lâu, hơi nước bốc nghi ngút, song cơm trong nồi vẫn sống. Điều đó rốt cuộc là gì vậy?

Hóa ra là, nước cũng hệt như các chất khác, điểm sôi của nó có quan hệ với áp suất. Áp suất lớn, điểm sôi cao; áp suất nhỏ, điểm sôi thấp. Khi độ cao ở gần mực nước biển, áp suất khí quyển vào khoảng 101,3 kilopascan (kPa). Điểm sôi của nước ở độ cao đó là 100°C. Nhưng lên núi cao, theo đà tăng của độ cao, áp suất khí quyển giảm dần, điểm sôi của nước cũng bắt đầu hạ thấp. Có nghĩa là trên núi cao, không phải tới 100°C nước mới bắt đầu sôi. Theo đo đạc, hễ độ cao tăng 1000 m, điểm sôi của nước hạ thấp khoảng 3°C.

Ở độ cao 5000 m trên mực nước biển, dù rằng lửa cháy thật bốc, nước trong nồi cơm sôi rồi, nhiệt độ nước vẫn không vượt quá 85°C. Còn trên đỉnh nóc nhà thế giới - đỉnh núi Evơret (với độ cao khoảng 8848 m), nước mới ở nhiệt độ xấp xỉ 73,5°C cũng đã đạt tới điểm sôi rồi. Nhiệt độ như thế tất nhiên không thể nấu gạo sống thành cơm chín được.

Nếu vậy, chẳng nhẽ ở trên núi cao đành phải ăn cơm sống hay sao? Cố nhiên không phải vậy. Con người đã nghĩ ra một loại nồi áp suất thích hợp cho việc đun nước nấu cơm cho trường hợp núi cao. Khi nấu bằng nồi áp suất, hơi nước không có cách gì bay từ trong nồi ra, càng tích tụ càng nhiều, nên đã tăng áp suất trong nồi lên. Khi áp suất đạt tới 101,3 kPa, điểm sôi của nước đương nhiên cũng đạt tới 100°C, gạo sống cũng có thể nấu thành cơm chín được.

Hiện nay, các gia đình cũng dùng nồi áp suất. Nói chung áp suất của loại nồi đó được khống chế vào khoảng 223 kPa (cỡ 2,2 atm), nhiệt độ cao nhất trong nồi có thể tới 123°C. Nấu cơm và thức ăn bằng nồi áp suất vừa tiết kiệm chất đốt, vừa rút bớt thời gian và mang lại nhiều thuận tiện cho cuộc sống.
4.VÌ SAO DIỄN VIÊN XIẾC CÓ THỂ DÙNG ĐẦU ĐỠ LẤY CÁI VÒ TỪ TRÊN CAO RƠI XUỐNG?
Mọi người đều biết rằng, một hòn đá nhỏ từ trên cao rơi xuống có thể đập rách đầu. Thế thì vì sao một diễn viên xiếc có thể lấy đầu đỡ được chiếc vò từ trên cao rơi xuống mà không bị hề hấn gì cả nhỉ?

Thì ra, khi chúng ta tiếp lấy một vật thể từ trên cao rơi xuống, chẳng những ta phải chịu tác động trọng lực của bản thân vật thể, mà còn chịu tác động của một xung lực. Độ lớn của xung lực này không phải cố định không đổi. Nó có quan hệ với trọng lượng của vật thể và tốc độ văng tới, và còn quan hệ cả với độ nhanh chậm khi chúng ta làm cho nó dừng lại. Vật thể nặng, tốc độ lớn và dừng nhanh đều làm cho xung lực tăng lên. Nếu chúng ta có cách gì làm cho nó dừng lại chầm chậm thì có thể giảm nhỏ loại xung lực đó.
Bạn hãy thử làm xem. Tung một xâu chìa khoá lên cao 3 - 5 mét, đợi khi nó rơi xuống thì xoè lòng bàn tay ra giữ yên, mặc cho xâu chìa khoá rơi vào. Lòng bàn tay sẽ cảm thấy rất đau. Nếu chúng ta chăm chú nhìn kĩ xâu chìa khoá đang rơi xuống, khi nó sắp rơi đến bàn tay, mà tay cũng thuận đà hạ xuống một đoạn ngắn, làm cho nó từ từ dừng lại trong bàn tay, lòng bàn tay sẽ không cảm thấy đau mấy. Có thể thấy rằng, dùng cách thứ hai để hứng xâu chìa khoá thì xung lực của nó đối với bàn tay sẽ là không đáng kể. Chúng ta gọi loại tác dụng đó là tác dụng hoà hoãn. Bây giờ chúng ta trở lại xem trường hợp diễn viên xiếc biểu diễn tiết mục đỡ vò như thế nào.

Chiếc vò dùng để biểu diễn tiết mục này thường là không nặng hơn 10 kg. Nếu đội nó trên đầu giữ yên thì cũng chẳng phải điều gì mới mẻ, hầu như ai ai cũng làm được. Nếu tung chiếc vò lên cao, đợi khi nó rơi xuống thì đưa đầu ra hứng lấy thì người bình thường khó mà chịu đựng được.

Nếu bạn chịu khó quan sát kĩ sẽ nhận thấy, khi diễn viên xiếc đưa đầu ra hứng lấy chiếc vò, anh ta không hề đứng yên không động đậy, mà bao giờ cũng dang hai chân ra đứng vững ở tư thế xuống tấn trước đã. Khi chiếc vò rơi xuống vừa chạm vào đỉnh đầu, anh ta lập tức thụp xuống theo đà rơi của chiếc vò. Điều đó giống như cách thức bạn hạ tay xuống để hứng xâu chìa khoá, xung lực tác động lên đầu bạn không còn lớn lắm. Nếu vò rơi xuống từ độ cao 1 m, và thời gian làm cho chuyển động dừng lại kéo dài khoảng 2 giây, xung lực lên trên đầu không hơn 200 N Người đã qua luyện tập lâu ngày hoàn toàn có thể chịu đựng được một lực cỡ đó.

Song, một người bình thường chưa qua huấn luyện, chỉ hiểu được nguyên lí thôi thì nhất thiết không được liều lĩnh làm thử. Rất nguy hiểm đấy!


5.VÌ SAO CÁC ĐƯỜNG Ô TÔ LÊN NÚI ĐỀU QUANH CO UỐN KHÚC?
Ôtô muốn từ chân núi chạy lên, không thể chạy thẳng đứng được, bao giờ cũng theo đường vòng vèo quanh núi mà chạy dần lên. Khi làm như vậy, chẳng những xe chạy được tương đối an toàn mà còn đỡ tốn sức nữa.

Chúng ta hầu như đều nhận thấy: đi bộ hoặc cưỡi xe đạp từ chỗ thấp lên chỗ cao vất vả hơn so với đi trên đất bằng, leo lên sườn dốc đứng sẽ mất sức nhiều hơn so với sườn dốc thoai thoải. Vì vậy, khi lên sườn dốc, bao giờ người ta cũng tìm cách làm giảm bớt độ dốc của sườn núi đi một ít. Đối với sườn núi có độ cao nhất định thì mặt nghiêng của sườn núi càng dài, độ dốc càng bé. Vì vậy, con người hay dùng cách kéo dài mặt nghiêng để làm giảm độ dốc, đạt được mục đích ít tốn sức.

Ví dụ như khi đẩy xe chở hàng nặng lên dốc, nếu đẩy thẳng tuột lên, người sẽ cảm thấy rất mất sức. Những người có kinh nghiệm thường đẩy lên theo hình chữ S. Như vậy, tuy có đi dài thêm một ít đường, nhưng có thể bớt tốn nhiều sức lực. Lên dốc theo hình chữ S tức là làm cho mặt nghiêng dài ra, giảm thấp độ dốc.

Còn một ví dụ nữa, ở hai đầu của một cái cầu to và cao đều có đường dẫn lên cầu khá dài, có khi còn xây đường dẫn thành hình xoắn ốc. Đó đều nhằm làm giảm độ dốc của cầu mà phải kéo dài mặt cầu ra.

6.VÌ SAO CÁI KIM DỄ XUYÊN VÀO VẬT KHÁC?
Dùng đầu cái kim xuyên vào tờ giấy, cái kim xuyên thủng một lỗ nhỏ trên giấy rất dễ dàng. Nếu quay ngược kim lại, lấy cái đầu cùn hơi tròn tròn xuyên vào giấy thì không mấy dễ dàng xuyên thủng được giấy. Đó là vì áp suất đặt lên mặt giấy có độ lớn khác nhau. Áp suất là độ lớn của áp lực đặt lên trên một đơn vị diện tích.

Khi chúng ta lần lượt dùng đầu nhọn và đầu cùn của kim xuyên vào tờ giấy, tuy lực bỏ ra bằng nhau, nhưng áp suất đặt lên tờ giấy lại khác nhau. Khi xuyên bằng đầu nhọn, lực bỏ ra đều tập trung vào đầu kim nhọn; còn khi dùng đầu cùn, lực bỏ ra lại bị phân tán trên diện tích lớn hơn so với đầu nhọn. Theo đó, áp suất của đầu kim nhọn đặt lên tờ giấy sẽ lớn hơn áp suất của đầu kim cùn. Vì vậy, đầu kim nhọn của kim dễ xuyên thủng giấy hơn đầu kim cùn.

Trong đời sống, có rất nhiều ví dụ về làm tăng áp suất, như dùng kim may quần áo, dùng ống tiêm để tiêm thuốc, đóng đinh lên tường, dùng dao sắt để cắt đồ vật v.v. đều là tập trung lực trên một diện tích tương đối nhỏ, nhằm đạt được mục đích làm tăng áp suất.

Nhưng áp suất quá lớn cũng thường gây nên rắc rối.

Khi bạn đi bộ trên đất phủ tuyết, hai chân hay bị lún xuống. Đó là vì áp suất của cơ thể đối với đất phủ tuyết quá lớn. Nếu bạn đi giày trượt tuyết thì chẳng những không bị lún, mà còn có thể trượt trên tuyết như bay nữa. Hoá ra là tấm trượt tuyết vừa rộng vừa lớn, làm tăng diện tích hơn 20 lần so với chân bạn, chúng làm cho áp lực của thân thể bạn đặt lên đất phủ tuyết bị phân tán ra.

Hiểu rõ điều này, bạn sẽ nhận thức được ngay vì sao bánh xe của xe tăng và máy kéo phải có bánh xích vừa dài vừa rộng quàng lên hay vì sao phải đặt đường ray tàu hoả lên trên những thanh tà vẹt.

7.VÌ SAO DÙNG ỐNG HÚT CÓ THỂ HÚT ĐƯỢC NƯỚC GIẢI KHÁT?
Khi bạn dùng ống hút để uống nước giải khát, bạn có thoáng đặt câu hỏi: vì sao miệng vừa hút một cái thì nước liền theo ống hút chạy vào mồm chúng ta ngay? Điều đó chủ yếu là nhờ vào sự giúp sức của áp suất khí quyển.

Chúng ta biết rằng, xung quanh Trái Đất có một lớp không khí khá dày bao bọc, gọi là khí quyển. Ở đâu có không khí thì ở đó phải chịu tác động của áp suất khí quyển. Tại bề mặt của Trái Đất, áp suất khí quyển trên diện tích mỗi cm2 vào khoảng 10 niutơn.

Cắm ống hút vào trong cốc nước, bên trong và bên ngoài của ống hút đều tiếp xúc với không khí, đều chịu tác động của áp suất khí quyển, và áp suất khí quyển bên trong, bên ngoài bằng nhau. Khi ấy nước ở trong và ngoài ống đều duy trì trên cùng một mặt phẳng ngang. Chúng ta ngậm ống hút và hút một cái, không khí trong ống bị chúng ta hút đi, trong ống không còn không khí, áp suất tác động lên mặt nước bên trong ống hút nhỏ hơn áp suất tác động lên mặt nước bên ngoài ống hút. Thế là áp suất khí quyển liền ép đồ uống chui vào ống hút, làm cho mặt nước trong ống hút dâng cao lên. Chúng ta tiếp tục hút như thế, đồ uống sẽ ùn ùn tuôn vào miệng không dứt.

8
VÌ SAO BÚT MÁY CÓ THỂ TỰ CHẢY MỰC RA?

Khi bạn dùng bút máy viết chữ trên giấy, lập tức xuất hiện nét chữ bằng mực. Hẳn bạn đã từng băn khoăn: vì sao khi bạn viết, mực trong bút máy lại liên tục chảy ra; còn khi bạn ngừng viết, mực lại không chảy ra nữa? Chúng ta hãy làm một thí nghiệm: Cắm một ống thuỷ tinh nhỏ vào trong cái cốc thuỷ tinh có đựng nước, nước liền nhanh chóng dâng cao lên bên trong ống, khi đó ta thấy mặt nước trong ống còn cao hơn mặt nước trong cốc thuỷ tinh. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng mao dẫn. Bút máy được thiết kế ra chính là ứng dụng nguyên lí mao dẫn này. Nó dựa vào một loạt các rãnh mao dẫn trên thân ngòi bút và khe hở nhỏ ở đầu ngòi bút mà vận chuyển mực từ trong ruột bút đến đầu ngòi bút. Khi viết chữ, đầu ngòi bút vừa chạm vào tờ giấy, mực liền dính lên giấy, lưu lại trên đó những nét chữ rõ rệt.

Khi ngừng viết, vì sao mực trong bút máy không chảy ra nhỉ? Chúng ta hãy làm thêm một thí nghiệm nhỏ nữa để làm rõ vấn đề này.

Lấy một tấm bìa cứng đậy lên miệng cốc thuỷ tinh đựng đầy nước, ép chặt tấm bìa và nhanh chóng lật ngược cả cốc nước và bìa lộn đầu xuống phía dưới, sau đó nhẹ nhàng bỏ tay ép tấm bìa ra. Khi ấy tấm bìa cứng bị hút chặt vào miệng cốc và đỡ lấy lượng nước đầy trong cốc. Sức mạnh nào đã đỡ được tấm bìa mà nhờ đó nước trong cốc thuỷ tinh không chảy ra ngoài? Đó là tác động của áp suất khí quyển. Chính là áp suất khí quyển đã đỡ được tấm bìa và nước trong cốc. Lúc không viết chữ, mực trong bút máy không chảy ra ngoài cũng bởi nguyên nhân đó, vì áp suất khí quyển bên ngoài ruột bút lớn hơn áp suất bên trong, cho nên có thể giữ mực lại.

 

[lê thị hải nguyên]

9.
VÌ SAO THÁP NƯỚC PHẢI XÂY THẬT CAO?
Vặn vòi ra, nước máy tuôn ra rào rào. Nước máy từ đâu đến vậy nhỉ? Chắc chắn là bạn sẽ nghĩ tới ống nước chôn sâu dưới đất. Nhưng muốn truy tìm nguồn nước thì phải lần theo ống nước đến tận nhà máy nước xem sao. Thì ra, những ống nước chôn ở dưới đất ấy đều nối liền làm một với tháp nước rất cao trong nhà máy nước.

Vậy thì, các tháp nước có tác dụng gì? Chúng ta có thể đưa ra một ví dụ nhỏ. Khi tưới hoa, nếu bạn hơi nghiêng bầu nước một chút, dòng nước chảy ra vừa mảnh lại vừa chậm; nếu nghiêng bầu nước rạp xuống nhiều hơn nữa thì dòng nước phun ra vừa to vừa xiết. Do nguyên nhân gì nhỉ? Hoá ra là mực nước càng cao thì áp suất sẽ càng tăng. Làm cho bầu nước nghiêng đi tức là làm cho độ cao mực nước đối với vòi phun lớn lên, áp suất của nước cũng theo đó mà lớn lên, dòng nước phun ra cũng vừa to vừa xiết.

Đối với tháp nước cao, nếu độ cao của một tháp nước là 10 m, độ cao của một tháp nước khác chỉ có 5 m thì áp suất dòng nước ở đáy của cái tháp cao 10 m lớn hơn áp suất dòng nước ở đáy tháp 5 m khoảng 49 kilôpascan (kPa). Nếu kích thước của miệng lỗ chảy nước ở hai đáy bằng nhau, khi mở chúng ra đồng thời với nhau, nước chảy ở miệng có áp suất lớn tất nhiên mạnh hơn ở áp suất nhỏ. Vì nước máy phải cung ứng cho các hộ tiêu dùng ở những địa thế cao thấp khác nhau nên nếu áp suất không đủ thì hộ tiêu dùng ở địa thế cao sẽ không lấy được nước. Vì vậy, tháp nước nói chung phải xây thật cao.

Ở những thành phố lớn và thành phố vừa hiện đại hoá, do phạm vi của mạng lưới cấp nước rộng, sức cản của đường ống lớn, chỉ dựa vào tháp nước để sinh ra áp lực là không đủ, còn phải nhờ vào rất nhiều máy bơm tăng áp lực nước.
10.
VÌ SAO CON LẬT ĐẬT KHÔNG BỊ ĐỔ NHÀO?
Mọi người đều có thể nhận thấy hiện tượng: viên gạch nằm ngang rất ổn định, dựng nó đứng thẳng lên thì rất dễ bị đổ nhào; cái chai đựng nửa chai nước đặt đứng trên mặt đất bằng phẳng thì rất ổn định, chai không hoặc chai đựng đầy nước thì tương đối dễ bị lật nhào. Từ hai sự việc kể trên, có thể thấy, muốn cho một vật thể ổn định, không dễ bị lật đổ thì cần phải thoả mãn hai điều kiện: một là diện tích đáy của nó phải lớn; hai là sức nặng của nó phải cố tập trung vào phần dưới, nói cách khác là trọng tâm của nó phải thấp. Trọng tâm của vật thể có thể xem là điểm tác động hợp lực của trọng lực đặt lên đấy.

Đối với bất kì vật thể nào, nếu diện tích đáy của nó càng lớn, trọng tâm càng thấp thì nó càng ổn định, càng khó bị đổ nhào. Ví dụ: các kiến trúc hình tháp bao giờ cũng là bên dưới phình, bên trên nhọn, khi xếp hàng hoá vận chuyển bao giờ cũng đặt vật nặng xuống dưới, vật nhẹ lên trên.

Nắm được các kiến thức đó rồi, chúng ta hãy quay lại xem xét con lật đật. Toàn bộ thân mình con lật đật đều rất nhẹ, song ở đáy của nó có một cục chì hoặc cục sắt hơi nặng, vì vậy trọng tâm của nó rất. Mặt khác, mặt đáy của con lật đật lớn mà tròn nhẵn, dễ đung đưa. Khi con lật đật nghiêng lệch về một phía, do điểm tựa (điểm tiếp xúc của nó và mặt bàn) bị chuyển động, trọng tâm và điểm tựa không còn ở cùng trên đường thẳng góc nữa. Lúc ấy, dưới tác động của trọng lực, con lật đật sẽ đung đưa quanh điểm tựa cho đến khi khôi phục lại vị trí bình thường của nó. Mức độ nghiêng lệch của con lật đật càng lớn, khoảng cách ngang giữa trọng tâm và điểm tựa lại càng lớn, hiệu quả đung đưa do trọng lực sinh ra cũng càng lớn, xu thế khiến nó phục hồi về vị trí cũ cũng càng rõ rệt. Vì vậy, con lật đật có xô cũng không thể nhào đổ được.

Hiện tượng những vật thể vốn đứng yên, như kiểu con lật đật, sau khi bị những nhiễu động nhỏ mà có thể tự động phục hồi lại trạng thái thăng bằng ở vị trí cũ, trong vật lí người ta gọi đó là sự thăng bằng ổn định (cân bằng bền). Còn những vật thể hình cầu như quả bóng bàn, bóng đá, bóng chuyền, v.v. sau khi chịu ngoại lực tác động, có thể tiếp tục giữ thăng bằng ở bất kì vị trí nào thì loại trạng thái đó gọi là thăng bằng phiếm định (cân bằng phiếm định). Vật thể ở trạng thái thăng bằng phiếm định thì trọng tâm và điểm tựa của nó luôn luôn nằm trên cùng một đường thẳng và độ cao của trọng tâm không bao giờ biến đổi. Cây bút đặt nằm ngang trên bàn là một loại thăng bằng phiếm định, bất kể nó lăn tới đâu, độ cao của trọng tâm vẫn không biến đổi.
11.
VÌ SAO KHÔNG NHÚN CHÂN THÌ KHÔNG NHẢY ĐƯỢC?
Nếu có người hỏi bạn: Không nhún chân có thể nhảy lên được không? Có lẽ bạn không trả lời ngay được. Vậy thì hãy thử làm một cái xem sao nào. Bạn sẽ nhận thấy rằng nếu không nhún chân thì không sao nhảy lên được, gân cốt hoàn toàn như không có chỗ triển khai. Đó là điều gì vậy?

Hoá ra là trong trường hợp tổng quát, chuyển động của vật thể đều phải tuân thủ các quy luật khách quan nhất định, đó là định luật Newton. Định luật thứ ba của Newton cho chúng ta biết rằng: Khi vật thể A tác động một lực lên vật thể B, tất nhiên vật thể B cũng đồng thời tác động lên vật thể A một phản lực, độ lớn của lực và phản lực bằng nhau, ngược chiều nhau và ở cùng trên một đường thẳng. Ví dụ như khi vỗ tay, bàn tay phải tác động lên bàn tay trái một lực, bàn tay trái đồng thời cũng tác động lại lên bàn tay phải một lực; để quyển sách lên bàn, sách có lực ép xuống bàn thì đồng thời mặt bàn cũng sinh ra một lực đỡ đối với quyển sách. Chúng đều là lực và phản lực.

Chúng ta muốn từ mặt đất nhảy một cái, thì phải làm cho mặt đất tác dụng một lực lên chúng ta. Nhưng làm thế nào mới có thể khiến cho mặt đất tác động lên chúng ta một lực nhỉ? Điều đó đòi hỏi chúng ta phải tác động lên mặt đất một lực trước đã. Chúng ta nhún chân, thấp người xuống rồi mới nhảy lên, tức là điều chỉnh cơ bắp của chân, làm cơ bắp co lại tác động một lực lên mặt đất. Như vậy, mặt đất sẽ đồng thời sinh ra một phản lực hướng lên trên đối với chúng ta. Nhờ vào phản lực đó, chúng ta nhảy lên được. Cơ bắp của chân tác động lên mặt đất một lực càng lớn, phản lực của mặt đất đối với chúng ta cũng càng lớn, vì vậy, nhảy được càng cao. Nếu không nhún chân, cơ bắp của chân sẽ không có cách gì sinh ra lực đối với mặt đất thì mặt đất cũng sẽ không sinh ra phản lực đối với chúng ta, cho nên không nhảy lên được.

Khi một chiếc thuyền muốn rời bến, người trên thuyền dùng sào tre chống vào bờ, lực chống càng lớn, thuyền rời bến càng xa. Đó cũng là quy luật của lực và phản lực.
12.
VÌ SAO KHI ĐI TRÊN DÂY THÉP PHẢI ĐUNG ĐƯA HAI CÁNH TAY?
Đi trên dây thép là một trong những tiết mục xiếc có từ rất lâu đời. Người đã xem qua tiết mục này đều tấm tắc khen tài nghệ điêu luyện của diễn viên.

Diễn viên xiếc bước trên dây thép mảnh, có thể nói là chẳng có "đất đặt chân", nhưng họ lại có thể linh hoạt nhẹ nhàng biểu diễn các loại động tác nguy hiểm và đẹp mắt trên đó như trên đất bằng. Vậy vì sao diễn viên xiếc đi trên dây lại không bị rơi xuống?

Chúng ta biết rằng, bất kể là vật thể nào, nếu muốn giữ được thăng bằng thì đường tác động trọng lực (đường thẳng đứng đi qua trọng tâm) của vật thể phải đi qua mặt đỡ (mặt tiếp xúc của vật thể với vật đỡ nó). Nếu đường tác động trọng lực không đi qua mặt đỡ, vật thể sẽ bị lộn nhào xuống.

Dựa vào điều kiện thăng bằng vật thể, vốn đòi hỏi diễn viên biểu diễn đi trên dây luôn luôn giữ cho đường tác động trọng lực của thân thể mình đi qua mặt đỡ - dây thép. Do dây thép rất mảnh, mặt đỡ đối với người cực nhỏ, người bình thường rất khó giữ cho đường tác động trọng lực của thân thể vừa khéo rơi đúng trên dây thép, lúc nào cũng có nguy cơ đổ nhào xuống. Khi diễn viên xiếc đi trên dây, họ dang rộng hai cánh tay, đung đưa sang phải sang trái, là để điều tiết trọng tâm của thân thể, điều chỉnh đường tác động trọng lực của thân thể lên dây thép, làm cho thân thể khôi phục lại thăng bằng. Thường ngày, chúng ta vẫn thường thấy: Khi thân mình loạng choạng suýt ngã, chúng ta cũng sẽ lập tức đung đưa hai cánh tay để giữ cho nó ổn định trở lại. Lúc ấy, chúng ta cũng nhờ vào sự đung đưa hai cánh tay để điều chỉnh trọng tâm của thân thể.

Có diễn viên xiếc khi đi trên dây, trong tay còn cầm một sào tre khá dài, hoặc những thứ khác như cái ô vải hoa, ba toong, quạt màu v.v. Bạn chớ cho rằng những thứ đó là gánh nặng thừa thãi của người biểu diễn. Hoàn toàn ngược lại. Đó đều là những công cụ phụ trợ giúp cho thân thể diễn viên được thăng bằng. Chúng có tác dụng làm cho cánh tay của diễn viên như thêm dài ra.
13.
CON NGƯỜI LẶN XUỐNG BIỂN SÂU, THÂN MÌNH CÓ BỊ ÉP BẸP KHÔNG?
Các vật thể chìm trong nước đều phải chịu áp suất của nước. Áp suất này tỉ lệ thuận với độ sâu của nước. Hễ độ sâu tăng lên 10 m, áp suất sẽ tăng 98 kPa. Cũng có nghĩa là, trên diện tích 1 cm2, áp lực tăng lên 9,8 niutơn (N). Làm một con tính sơ lược: thân mình của một người trưởng thành có diện tích khoảng 15000 cm2. Nếu người ấy lặn xuống nước 30 m, áp lực đè lên thân mình anh ta sẽ tăng đến 441.000 N. Dưới một áp lực lớn như thế, liệu thân mình của người thợ lặn có bị ép bẹp không?

Không hề. Vì trong tổ chức thân thể của người trưởng thành có trên 60% là nước và nước thì không thể ép bẹp được. Đồng thời trong quá trình người thợ lặn từ từ lặn xuống nước, thông qua cách hít không khí trong bình khí nén mà không ngừng điều tiết áp suất chất khí trong cơ thể, làm cho nó triệt tiêu với áp suất nước ở dưới sâu đè lên người anh ta.

Áp lực nước tuy không ép bẹp được người thợ lặn, song độ sâu lặn được của con người cũng có giới hạn. Một mặt, vì theo đà độ sâu lặn tăng lên, áp suất nước càng lúc càng lớn, ngộ nhỡ nó vượt quá áp suất của bình không khí nén mà người thợ lặn mang theo thì anh ta khó bề điều tiết sự cân bằng áp suất trong và ngoài cơ thể và duy trì sự hô hấp. Mặt khác, vì làm việc trong môi trường áp suất cao, không khí mà người thợ lặn thở là không khí áp suất cao, khí nitơ trong đó sẽ hoà tan vào trong máu, vào các tổ chức và vào trong chất béo. Lượng hoà tan này tăng lên theo sự tăng cao của áp suất chất khí và sự kéo dài của thời gian lặn. Nếu người thợ lặn nổi lên nhanh quá, áp suất nước giảm xuống, khí nitơ trong máu thường là giãn nở nhanh chóng, trở thành bọt khí, bịt kín các huyết quản hoặc đè chặt các tổ chức trong cơ thể, gây nên bệnh giảm áp. Hiện tượng khí nitơ trong cơ thể nở ra nhanh chóng giống như khí vừa mở nắp chai nước có ga vậy. Vì vậy, người thợ lặn làm việc dưới biển sâu cần phải chọn lựa phương án đúng đắn, và dựa vào các nhân tố như thể lực của bản thân và nhiệt độ nước, v.v. mà điều chỉnh thời gian giảm áp, nổi người lên theo một tốc độ nhất định, để bọt khí trong cơ thể có thể chui ra ngoài một cách thuận lợi, thì sẽ không mắc bệnh giảm áp.

Hiện nay, người ta áp dụng biện pháp hít chất khí hỗn hợp và tăng áp đối với chất khí theo độ sâu lặn, nên người thợ lặn đã có thể hoạt động dưới biển trong vòng độ sâu tới 300 m.
14.
VÌ SAO CON MẮT CỦA KĨ SƯ CÓ THỂ "NHÌN THẤY" ỨNG SUẤT BÊN TRONG VẬT LIỆU?
Các nhà thơ vẫn gọi con mắt là cửa sổ của tâm hồn. Còn đối với những người làm khoa học kĩ thuật, nó là lợi khí để dòm ngó bí mật của thiên nhiên.

Chẳng phải thế sao? Từ con đập chắn nước có thể cắt đứt đỉnh lũ đang gầm rú lao xuống tới bệ phóng tên lửa đồ sộ có thể phát ra sức chấn động ngang với sấm sét... đều được người kĩ sư dùng con mắt nghề nghiệp đặc biệt của mình, nhìn ra ứng suất bên trong công trình để phân phối lượng vật liệu thích hợp khi chế tạo.

Vậy thì, ứng suất bên trong vật thể là gì? Căn cứ vào định luật thứ ba của Newton và nguyên lí cân bằng lực, giá trị của nội lực của vật kết cấu đương nhiên bằng với ngoại lực đặt lên vật đó. Trên cùng một cấu kiện, nếu chia tổng của các nội lực cho mặt cắt của cấu kiện, nội lực trên một đơn vị diện tích là ứng suất bên trong của vật liệu.

Ứng suất là thứ nhìn không thấy, sờ không được. Vậy vì sao con mắt của kĩ sư có thể "nhìn thấy" ứng suất bên trong vật liệu mà thiết kế kích thước mặt cắt của cấu kiện công trình một cách hợp lí nhỉ?

Hoá ra là, biến dạng là hình ảnh của lực. Ví dụ như khi bạn dùng hai tay kéo sợi dây cao su, sợi dây bị kéo dài ra cho thấy lực mà bạn dùng. Sợi dây mà bạn kéo càng dài, chứng tỏ lực mà bạn dùng càng lớn. ứng suất cũng có hình ảnh riêng của nó - đó là biến dạng. Biến dạng là độ biến đổi hình dạng của vật thể sinh ra bởi tác động của ứng suất kéo (hoặc ứng suất nén) hoặc ứng suất cắt. Độ lớn của biến dạng là tỉ số giữa lượng biến dạng và kích thước ban đầu của cấu kiện. Người kĩ sư thông qua biến dạng có thể nhìn thấy và nắm bắt được ứng suất mà người bình thường không thể nhìn thấy.

Quan hệ tỉ lệ của ứng suất và biến dạng do Hooke, một nhà vật lí học, người Anh, phát hiện ra ở thế kỉ XVII, và nêu ra thành định luật nổi tiếng mà sau này người ta gọi là định luật Hooke: trong giới hạn đàn hồi của vật thể, độ lớn biến dạng của vật thể tỉ lệ thuận với ngoại lực. Ví dụ, một thanh cao su dày cỡ chiếc bút máy, dài 30 cm, đầu dưới treo một vật nặng 10 kg, nó căng dài ra khoảng 5 cm; nếu vật treo vào nặng 20 kg thì sẽ căng dài ra 10 cm.

Biết được mối quan hệ tế nhị giữa ứng suất và biến dạng thì ứng suất giấu mình bên trong vật thể, mặc dù "xuất quỷ nhập thần" cũng không qua được "con mắt tinh tường" của người kĩ sư.