DÙNG KIẾN THỨC CƠ HỌC ĐỂ GIẢI THÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG LÝ THÚ TRONG ĐỜI SỐNG

TDMU, (27) 2016 Tạp chí số Khoa học–TDMU ISSN: 1859 - 4433 Bảo Số 2(27) – 2016, ThángNgơ – 2016 DÙNG KIẾN THỨC CƠ HỌC ĐỂ GIẢI THÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG LÝ THÚ TRONG ĐỜI SỐNG Ngơ Bảo Trường Đại học Thủ Dầu Một TĨM TẮT Bài báo dùng kiến thức mơn Cơ học lý thuyết để giải thích cách chặt chẽ định tính định lượng tượng thú vị đời sống Áp dụng định luật bảo tồn mơ men động lượng ngun lý quay để giải thích ta xe đạp được, xiếc mơ tơ bay Áp dụng định luật I, II Newton để giải thích ta dựng đứng trứng đầu đũa, người ta phải làm mặt đường nghiêng chỗ uốn cong Áp dụng định luật bảo tồn động lượng định luật II, III Newton để giải thích máy bay lại bay lên Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn định luật II, III Newton để giải thích có thủy triều Từ khóa: hiệu ứng, quay, lực ly tâm, lực ma sát, mơ men động lượng, thủy triều Thời đó, chưa vị vua hay quan giải Đặt vấn đề thích cách hợp lý xe đạp chạy Rất nhiều tượng tự nhiên Cho đến tận ngày nay, khơng đời sống mà người chưa biết, người khơng trả lời câu hỏi có nhiều tượng người biết họ giải thích tượng theo Tương tự câu hỏi câu hiểu biết ngơn ngữ họ Bài giải hỏi thú vị khác là: ta tung thích tượng lý thú đời sống đồng xu hình 1b để đứng lên dựa theo kiến thức vật lý, đặc biệt kiến xoay; trẻ em quăng dây làm cho trong mơn Cơ học lý thuyết vụ (con cù hay gụ) đứng lên giảng dạy rộng rãi trường đại học xoay hình 1c Giải thích chạy xe đạp Có câu chuyện kể rằng, vị quan thấy nhà vua ngựa mệt nhọc nên mang tặng vua xe đạp Vua nhìn thấy xe đạp liền mắng vị quan ấy: “Khanh lừa trẫm sao? Xe giữ thăng mà a) b) c) chạy chứ? Khi chưa chạy Hình ngã rồi” Vị quan liền giải thích: “Loại Các câu hỏi giải thích dựa xe phải leo lên ngồi đạp cho bánh xe vào hai kiến thức học sau: quay chạy được" Thế rồi, vị 1.1 Giải thích dựa vào định luật bảo quan thử chạy xe đạp cho vua xem, vua hết tồn mơ men động lượng: “Mơ men động sức khen ngợi thử chạy xe Thấy lượng hệ bảo tồn” hay, vua ban thưởng cho vị quan Xét mơ hình bánh xe đạp có mơ men truyền cho dân chúng nên xe đạp, qn tính quanh trục a nằm ngang J, ngựa, lừa dùng để kéo xe chở hàng hóa 81 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng Đến đây, ta thấy cho bánh xe lăn với tốc độ góc  đủ lớn trục bánh xe giữ nằm ngang, xe thăng Khi xe đạp, ta điều khiển tay lái cho xe chạy theo đường thẳng đường khơng q cong nhờ bảo tồn mơ men động lượng mà xe khơng bị ngã Còn xe dừng, mơ men động lượng khơng còn, ta khơng vịn lại xe ngã Ta xe đạp chậm được, ta phải liên tục lắc cổ xe để hai bánh xe gần giống với chữ T, làm chân đế cho xe khơng ngã quay quanh trục a với vận tốc góc  hình Hình Ở đây, ta xác định chiều vận tốc góc  theo quy tắc nắm tay phải: “Nắm bàn tay phải cho ngón tay theo chiều quay vật ngón chỗi góc 900 chiều tốc độ góc  ” Lúc đầu, ta tác dụng lên bàn đạp lực cho bánh xe quay với vận tốc góc  ta có véc tơ mơ men động lượng tính cơng thức: L0  J 0 1.2 Giải thích dựa vào hiệu ứng quay (Gyroscop) Nếu bỏ qua ma sát, bánh xe lăn với vận tốc góc  giống quay (con vụ hình 1c loại quay) trường hợp khơng chịu lực tác dụng ngồi trọng lực, quay với vận tốc góc  Do đó, theo hiệu ứng quay ta có: (1) Sau thời gian đó, bánh xe lăn với vận tốc góc  , véc tơ mơ men động lượng lúc là: 0  const (véc tơ số) Vậy, vận tốc góc  có phương độ lớn khơng đổi bỏ qua ma sát, tức trục bánh xe giữ nằm ngang, xe thăng bằng, người chạy xe đạp khơng bị ngã Thực tế, có ma sát nên bánh xe có vận tốc góc  ngày nhỏ phương  thay đổi, làm cho bánh xe bị nghiêng dần ngã Để xe khơng ngã ta cần tác dụng lực lên bàn đạp nhằm tăng thêm số vòng quay, tức làm cho  chưa lệch khỏi phương ngang q nhiều Đối với đồng xu hình 1b hay vụ hình 1c vậy, chúng quay quanh trục quay chúng bảo tồn phương véc tơ vận tốc góc  trùng với phương trục (2) L  J  Nếu ta khơng tác dụng lực thêm vào bánh xe bỏ qua ma sát theo định luật bảo tồn mơ men động lượng, ta phải có: L0  L hay 0   (3) Tức độ lớn chiều tốc độ góc trước sau nhau, làm cho bánh xe đứng lăn mãi, khơng bị ngã Tuy nhiên, thực tế ta ngừng tác dụng lực lên bàn đạp sức cản khơng khí, ma sát ổ trục, ma sát bánh xe mặt đất, … nên bánh xe có vận tốc góc  ngày nhỏ phương  thay đổi, tức bánh xe bị nghiêng dần ngã Để xe khơng ngã ta cần cung cấp cho bánh xe mơ men động lượng đủ lớn, tức ta giữ cho phương  chưa lệch khỏi phương ngang q nhiều quay Khi chúng dừng lại 0  có phương tùy ý, làm cho chúng ngã Như vậy, ta chạy xe đạp ta cho bánh xe lăn liên tục, bánh xe bảo tồn 82 TDMU, số (27) – 2016 Ngơ Bảo phương vận tốc góc dọc theo trục quay nó, tức phương ngang, giúp cho xe thăng bằng, lúc ta chạy xe Còn ta ngừng xe bánh xe khơng véc tơ vận tốc góc theo phương ngang nên xe ngã Giải thích người ta phải làm mặt đường nghiêng chỗ đường cong Định tính: Khi xe qua đoạn đường cong giống vật rắn chuyển động cung tròn nằm ngang Xe ln chịu lực ly tâm có xu hướng bị văng theo phương tiếp tuyến với cung tròn Để cân với lực ly tâm đó, ta tăng lực ma sát mặt đường lên bánh xe làm cho xe nghiêng để trọng tâm xe nằm lọt cung tròn Tuy nhiên, cách tăng lực ma sát mặt đường lên bánh xe mặt đường xấu Do đó, cách làm trọng tâm xe nằm lọt cung tròn, tức làm mặt đường chỗ cong nghiêng ít, hợp lý Định lượng: Giả sử, ta coi xe chất điểm khối lượng m, chạy qua đoạn đường cong nằm mặt phẳng ngang, bán kính cong R Ở đây, ta cho mặt đường nghiêng với phương ngang góc  Ta vẽ lực tác dụng vào xe hình  N  P.cos   m.g.sin   k.N  m.aht (k hệ số ma sát mặt đường bánh xe, aht gia tốc hướng tâm xe qua đoạn cong) Thành phần m.aht biểu thức (6) lực hướng tâm (Fht) Tuy nhiên, xe chạy đoạn cong ln có lực ly tâm (Flt) Theo ngun ký D’Alembert, lực ly tâm có độ lớn bằng, có chiều ngược với chiều lực hướng tâm m.v (7) R Lực ly tâm làm văng xe theo phương tiếp tuyến với đường cong Để tránh văng lực hướng tâm phải lớn lực ly tâm, tức từ biểu thức (5), (6) (7), ta có: Flt  Fht  m.aht  m.v  m.g.sin   k m.g.cos  R  v  (sin   k.cos  ).R (8) Ta thấy, vận tốc xe phải nhỏ (sin   k.cos  ).R xe qua đoạn đường cong an tồn Giả sử, xe chạy qua chỗ đường cong có thơng số sau: - Bán kính cong đường: R = 400 m - Hệ số ma sát k = 0,15 Thì ta có vận tốc tối đa xe sau: Hình v  400.(sin   0,15.cos  ) (9) Ta có bảng so sánh: Góc nghiêng α Áp dụng định luật II Newton cho xe, ta có: P  N  Fms  m.a (4) Chiếu biểu thức (4) lên lên Ox, Oy: (5)  N  P.cos    (6)  P.sin   Fms  m.aht 83 Vận tốc v tối đa xe m/s km/h 0 7,8 28 50 9,7 35 100 11,3 40,8 150 12,7 45,7 20 13,9 50 250 15 54 300 15,9 57 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng Dựa vào bảng số liệu trên, ta thấy góc nghiêng α tăng dần vận tốc tối đa xe qua đoạn cong tăng dần Như vậy, mặt đường đoạn cong phải làm nghiêng từ 00 tới 200 để thắng lực qn tính ly tâm, bảo đảm cho xe qua lại an tồn với vận tốc cho phép Lúc đó, vận chuyển hàng hóa lại nhanh, phù hợp với phát triển kinh tế đất nước Hiện nay, nhiều chỗ đường cong chưa đặt biển báo tốc độ giới hạn cho phép xe qua lại, làm cho tai nạn thường xun xảy Nhất người xa tới, chưa quen đường, khơng kịp giảm tốc bị lực ly tâm làm văng xe sang bên trái, gây tai nạn với xe khác lật xe Giải thích ta đặt đứng trứng đầu đũa Trứng đứng đầu đũa hình 4a mà nhiều người nghĩ có yếu tố tâm linh Thực ra, khơng có khó hiểu, chí ta đặt trứng đầu kim hình 4b Theo cách này, ta đặt chai nghiêng mặt phẳng hình 4c Bất kể trứng gà hay trứng vịt ta đặt đứng đầu đũa Có người tự xưng nhà ngoại cảm, nói nơi để trứng đầu đũa đất nơi có hài cốt người chết! Nói thật vơ lý phản khoa học trứng lên mặt gương phẳng hay đầu đũa dễ dàng Ta lý giải tượng dựa vào định luật I Newton: “Một vật đứng n chuyển động mãi khơng có lực tác dụng lên tổng tất các lực tác dụng lên khơng” Hình Khi trứng đặt đầu đũa trọng tâm trứng nằm đường tác dụng trọng lực P phản lực N đầu đũa hình Ở ta trượt điểm đặt lực N từ A tới O theo ngun lý trượt lực: “Tác dụng lực lên vật rắn khơng đổi ta trượt điểm đặt lực đường tác dụng nó” Mục đích trượt lực N để ta dễ nhìn mà thơi Trọng lực P phản lực N lực trực đối, nên chúng triệt tiêu lẫn nhau: (10) PN 0 Lực tác dụng lên trứng theo phương đứng khơng còn, lực tác dụng theo phương khác lực phân bố gió, lực ma sát coi khơng đáng kể Vậy, trứng đứng n mãi theo định luật I Newton Như vậy, ta cần khéo tay, đặt đứng trứng đầu đũa cho trọng tâm trứng nằm phương tác dụng phản lực N đầu đũa trứng đứng n Giải thích máy bay bay lên được? Đây câu hỏi thú vị, nhiều người khơng biết giải thích cách cho hợp lý a) b) c) Hình Thực vậy, ta cần lắc nhẹ cho dây chằng bên trứng bị đứt, lòng trắng lòng đỏ dồn hết xuống đầu Sau đó, khéo tay chút ta dựng đứng 84 TDMU, số (27) – 2016 Ngơ Bảo Từ điển mở Wikipedia giải thích chung chung, khơng có cơng thức tính tốn Hiện máy bay chia làm loại: 4.1 Máy bay phản lực Ở máy bay này, phận để bay nhờ khí phun từ hai động phản lực gắn hai bên cánh hình tác dụng với lớp khơng khí B ngồi trời lực đẩy F12 Theo định luật III Newton lớp khí B đẩy lại khối khí A lực F21 độ lớn, phương ngược chiều với F12 Kết máy bay bị đẩy trước Mặt khác, khối khí nóng A có áp suất cao, gây chênh lệch áp suất làm nóng lớp khơng khí ngồi trời phía cánh, lớp khơng khí giãn nở, gây thêm chênh lệch áp suất trầm trọng Kết quả, áp suất khơng khí phía cánh (p1) lớn áp suất khơng khí phía cánh (p2) nhiều lần Thậm chí, ta có xem: p1>> p2 (11) Giả sử tổng diện tích cánh phía S1, tổng diện tích cánh phía S2 Thơng thường, nhà chế tạo máy bay ln chế tạo cánh cho phần cánh thn tròn để khơng khí dễ chảy qua, phần cánh phẳng dễ đón khơng khí, nên ta xem: S1 > S2 (12) Ta tính lực tác dụng phía phía cánh sau: Lực đẩy lên phía cánh: (13) F1  p1.S1 Hình Động phản lực hình 7, có cấu tạo gồm quạt hút (1) có cơng suất lớn để hút khơng khí (giống máy hút bụi ta hay dùng nhà) nén khơng khí đến áp suất cao, nhiệt độ khơng khí tăng cao đẩy vào buồng đốt (2) Lực đẩy xuống phía cánh: F2  p2 S2 (14) Kết hợp (11), (12), (13) (14) ta có: F1 >> F2 (15) Biểu thức (15) cho ta thấy lực đẩy cánh đẩy lên lớn nhiều lực phía cánh nén xuống Nếu tính trọng lượng máy bay lực lớp khơng khí phía cánh nén xuống lực tổng cộng hướng xuống P + F2 Giá trị nhỏ F1 F1 > P + F2 (16) Vì lẽ đó, F1 nâng thân máy bay vốn nặng lên dễ dàng (Boeing 747 nặng 52,2 tấn, Airbus 380 nặng 580 tấn) Hình Ở đây, khơng khí trộn với nhiên liệu dạng sương mù bốc cháy (do áp suất cao nên nhiệt độ khơng khí cao đạt tới nhiệt độ tự bốc cháy) Khí thải bị cánh quạt (3) thổi phía sau với nhiệt độ áp suất cao, tốc độ phun cực lớn Điều quan tâm động phản lực phun khí phía sau tạo lực để đẩy máy bay phía trước? Ngun lý giải thích cách: Cách 1: Khi động phản lực phun khối khí nóng A phía sau khối khí 85 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng Khi máy bay cất cánh, đầu hướng nghiêng lên cao, hạ thấp xuống lúc lực lên chủ yếu nhờ vào lực đẩy khối khí động phản lực phun phía sau Khi máy bay đạt độ cao mong muốn người phi cơng điều khiển phận cánh làm cho luồn khí thải chuyển hướng sang nơi khác, chí máy bay có động cho hoạt động động Lúc đó, lực nâng cánh giảm bớt, giữ thăng với trọng lượng thân máy bay Cách 2: Giả sử tồn máy bay có khối lượng M, chứa khối khí có khối lượng m Máy bay khối khí coi đứng n với Khi động phản lực phun khối khí m, vận tốc v phía sau thì theo định luật bảo tồn động lượng, ta có: Các máy bay phản lực có từ tới động gắn hai bên cánh Máy bay chở khách thường có động cơ, đơi phi cơng cho hoạt động động cơ, đủ sức cho máy bay bay tốt Máy bay B52 chở nhiều bom, bay nhanh “người hùng” máy bay nên có tới động 4.2 Máy bay trực thăng Ở máy bay (hình 9), phận để bay nhờ cánh quạt quay, đẩy lớp khơng khí phía với lực đẩy F12 Theo định luật III Newton lớp khơng khí phía đẩy lại cánh quạt lực F21 độ lớn, phương ngược chiều với F12 Kết máy bay bị đẩy lên cao pđầu  psau  M.V  m.v  (17) Hình Hình Cánh quạt thay đổi mặt phẳng quay, từ thay đổi hướng đẩy khơng khí, giúp máy bay bay tiến phía trước, lùi lại phía sau, hay bay sang phải, sang trái Chọn chiều dương chiều vận tốc V hình Chiếu biểu thức (17) lên chiều dương, ta có: M.V  m.v   V  m.v M (18) Kết biểu thức (18) cho thấy V số dương, chứng tỏ máy bay bị đẩy theo phía trước Vận tốc v thường lớn (khoảng 300 ÷ 500 m/s), khơng thể tức khắc làm máy bay cất cánh được, mà máy bay phải chạy đường băng đủ dài Nhờ qn tính, vận tốc V lớn dần lên làm cho máy bay bay lên Khi máy bay đạt đến chế độ bay ổn định, vận tốc V đạt từ (400÷1000) km/h Lực tác dụng lên cánh làm nâng máy bay lên cao giải thích giống cách Hình 10 Theo định luật bảo tồn mơmen động lượng, cánh quạt quay theo chiều kim đồng hồ phần lại máy bay có xu hướng quay theo chiều ngược lại, 86 TDMU, số (27) – 2016 Ngơ Bảo tức máy bay bị quay tròn Để tránh trường hợp này, máy bay trực thăng có thêm cánh quạt để tạo mơ men động lượng cân với mơ men động lượng cánh quạt gây Cũng có loại máy bay trực thăng khơng cần cánh quạt hình 10 Khi người ta dùng cánh quạt quay ngược chiều Lực nâng cánh quạt hướng lên mơmen động lượng triệt tiêu lẫn Khi muốn đổi hướng bay người ta phải thay đổi tốc độ cánh quạt để mơ men động lượng hai cánh quạt thắng Tóm lại, máy bay trực thăng bay nhờ vào lực đẩy cánh quạt lên lớp khơng khí làm cho lớp khơng khí đẩy lại Nếu khơng có khơng khí (chân khơng) khơng có máy bay bay Giải thích tượng thủy triều Thủy triều tượng hùng vĩ thiên nhiên làm cho nước sơng, biển dâng cao nơi hạ thấp nơi khác Có nhiều người giải thích tượng thủy triều, người cách, chí trái ngược Từ điển Wikipedia có giải thích tượng thủy triều sức hút Mặt trời Mặt trăng tác dụng lên trái đất, lời giải thích khơng thuyết phục chưa đưa cơng thức chứng minh rõ ràng Dựa vào kiến thức học để giải thích ngun nhân tượng thủy triều sau: Ngun nhân 1: Theo số liệu thiên văn học, ta có khối lượng Trái đất M = 5,98.1024 kg; khối lượng Mặt trăng m = 7,35.1022 kg; khoảng cách từ tâm Trái đất tới tâm Mặt trăng r = 384.106 m Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn vật thể lớn tương tác với lực hút theo cơng thức: Với G  6,67.1011 N m2 / kg2 số hấp dẫn Thế số liệu vào biểu thức ta được: Fhd  6,67.1011.5,98.1024.7,35.1022  2.1020 N (384.10 ) Lực hấp dẫn q lớn, có phương trùng với phương nối tâm Trái đất Mặt trăng, chiều hướng Mặt trăng Do vậy, lực hút phần tử vật chất Trái đất phía Mặt trăng Mà lớp vỏ Trái đất có khí nước vật liệu nhẹ nên dễ bị hút Khi lớp nước Trái đất bị lực hấp dẫn Mặt trăng hút lớp nước dâng lên tạo thành nước lớn, lớp nước chỗ khác hạ xuống tạo thành nước ròng Ngun nhân 2: Trái đất quay quanh trục đối xứng qua tâm nó, Mặt trăng lại quay quanh Trái đất chiều quay Trái đất, chúng có có mối liên kết lực hấp dẫn Do đó, coi hai vật “Trái đất – Mặt trăng” hệ có trọng tâm khối lượng nằm đường nối hai tâm chúng Hình 11 Dựa vào cơng thức tìm trọng tâm vật rắn, ta tính trọng tâm hệ “Trái đất – Mặt trăng” nằm A hình 11 Hệ “Trái đất – Mặt trăng” coi quay quanh trọng tâm A với tốc độ góc ω đó, nên Trái đất chịu lực ly tâm có chiều hướng xa điểm A Điều cần biết ta phải so sánh lực ly tâm B C – Lực ly tâm B: FltB  ( M  m).b. – Lực ly tâm C: FltC  ( M  m).a. G.M m Fhd  r2 Vì a < b nên FltC  FltB 87 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng Lực ly tâm B ngun nhân vùng nước gần B dâng lên cao tạo thành nước lớn Các vùng khác B nước hạ thấp xuống, tạo thành nước ròng khoảng cách từ tâm Trái đất tới tâm Mặt trời R = 149597870700 m Ta tính lực hấp dẫn sau: Fhd Mặt trời-Trái đất  G.MT M R2 6,67.1011.1,9891.1030.5,98.1024  (149597870700)2  3,55.1022 N Lực hấp dẫn q lớn, lớn gấp 117,5 lần lực hấp dẫn Mặt trăng lên Trái đất Tuy nhiên, lực hấp dẫn Mặt trời lên Trái đất bị triệt tiêu lực ly tâm Trái đất có khối lượng M quay quanh Mặt trời theo quỹ đạo có bán kính R, vận tốc góc ω Lực ly tâm là: Nước lớn hợp lực hấp dẫn lực ly tâm C Nước ròng Nước lớn lực ly tâm B Quỹ đạo Mặt trăng quay quanh Trái đất  2  Flt Mặt trời-Trái đất  M R  M R   (19)  T  Với T chu kỳ quay Trái đất quanh Mặt trời, T = 365,25 ngày = 31557600 s; bán kính quỹ đạo R = 149597870700 m; M = 5,98.1024 kg Thế số liệu vào biểu thức (19) ta được: Hình 12 Kết hợp ngun nhân 2, ta có hình vẽ minh họa tượng thủy triều hình 12 Ở hình này, ta thấy khối nước Trái đất phía gần Mặt trăng chịu hợp lực Fhd  FltC ; khối nước Trái đất phía xa   2. Flt  5,98.10 149597870700    31557600  24 Mặt trăng chịu lực FltB Kết khối nước bị kéo nhơ lên cao tạo thành nước lớn Nước vùng khác Trái đất chảy dồn vùng nước lớn nên vùng có nước ròng Khi Mặt trăng quay quanh quỹ đạo nước Trái đất chảy theo làm cho ta thấy nước lớn phình hai bên Trái đất, đường nối tâm Trái đất với Mặt trăng Mỗi ngày Trái đất quay quanh trục đối xứng hết vòng nên ta thấy ngày có hai lần nước lớn lần nước ròng Ngun nhân 3: Mặt trời gây lực hấp dẫn lên Trái đất Với số liệu: số hấp dẫn G  6,67.1011 N m2 / kg2 ; khối lượng Mặt trời MT = 1,9891.1030 kg, khối lượng Trái đất M = 5,98.1024 kg;  3,55.1022 N Ta thấy rằng: Mặt trăng quay quanh Trái đất phần tử vật chất Mặt trăng phải chịu lực ly tâm, phần tử vật chất Trái đất khơng bị ảnh hưởng q trình quay Lực hấp dẫn Mặt trăng với Trái đất tác dụng ngun vẹn tới Trái đất, gây tượng thủy triều trình bày ngun nhân Trong đó, Trái đất lại quay quanh Mặt trời, phần tử vật chất Trái đất phải chịu lực ly tâm Đồng thời phần tử vật chất chịu lực hấp dẫn Mặt trời đối kháng với lực ly tâm nên chúng cân Fhd Mặt trời-Trái đất  Flt Mặt trời-Trái đất 88 TDMU, số (27) – 2016 Ngơ Bảo Lực hấp dẫn lực ly tâm độ lớn ngược chiều nhau, làm cho Trái đất giữ khoảng cách với Mặt trời quay quanh Mặt trời mãi Như vậy, ta khẳng định: lực hấp dẫn Mặt trời với Trái đất khơng gây tượng thủy triều Trái đất Vậy, ngun nhân khơng phải ngun nhân tạo thủy triều Trái đất Ở đây, tác giả đưa để thấy hiểu lầm người trước, kể từ điển Wikipedia Họ cho rằng, Mặt trời tạo lực hút, gây nên tượng thủy triều Trái đất Đây tư tưởng khơng phù hợp với kiến thức vật lý mà biết Từ điển Wikipedia tính sai lực hấp dẫn Mặt trời với Trái đất Theo số liệu thiên văn, ta tính lực hấp dẫn Mặt trời lên Trái đất lớn gấp 117,5 lần lực hấp dẫn Mặt trăng lên Trái đất Thế mà từ điển Wikipedia số liệu lại tính lực hấp dẫn Mặt trời lên Trái đất nhỏ gấp 2,5 lần lực hấp dẫn Mặt trăng lên Trái đất! Khoảng cách Trái đất tới Mặt trăng có thay đổi theo tháng mùa năm Tại điểm gần nhất, khoảng cách là: 363.300km; điểm xa khoảng cách 405.500 km Do đó, lực hấp dẫn Mặt trăng lên Trái đất (vốn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách) thay đổi, làm cho mức thủy triều thay đổi theo Đó lý do, tháng mùa năm ta hay gặp tượng nước lớn hay nước ròng bất thường Vào ngày 30, mùng 15, 16 âm lịch Mặt trăng gần Trái đất Lúc dễ xảy trường hợp “Mặt trời – Mặt trăng – Trái đất” thẳng hàng hình 13, làm cho dễ xảy tượng nhật thực, nguyệt thực (nhiều người gọi “Mặt trăng máu”) Thủy triều lúc dâng cao Hình 13 Các tượng thiên nhiên xảy lúc làm cho nhiều người lầm tưởng “điềm chẳng lành, trời phạt, trời đất tối sầm, lụt lội, báo hiệu đời sống cực, thất bát mùa màng, làm ăn khơng được,…” Thực ra, tượng tự nhiên, biết trước, ta phòng tránh Vào ngày 8, 23, 24 âm lịch Mặt trăng xa Trái đất, làm cho thủy triều thấp Lúc ta nhìn thấy sơng nước, chí cạn khơ Giải thích xiếc mơ tơ bay Xiếc mơ tơ bay trò giải trí lý thú cách cho xe (xe đạp, xe máy, xe tơ, …) chạy vòng lên vách đứng hình 14a chạy lòng cầu hình 14b a) b) Hình 14 89 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng Ta xem hệ người xe xiếc mơ tơ bay vật rắn có khối lượng m, chuyển động với vận tốc dài v mặt cong có bán kính cong R, tốc độ góc  Có hai trường hợp xảy sau: 6.1 Hệ người xe chạy vách mặt cong đứng Chọn hệ trục tọa độ Oxyz hình 15 Tại vị trí bất kỳ, hệ người xe chịu tác dụng lực gồm:  N  man   F  Fms1  mat F  P  ms (21) (22) (23) Trong đó, an gia tốc pháp tuyến (hay gọi gia tốc hướng tâm), at gia tốc tiếp tuyến Biểu thức (23) cho ta trường hợp giới hạn để hệ “người – xe” khơng bị rơi Vậy, điều kiện an tồn lực hướng lên lớn lực hướng xuống, tức là: Fms  P (24) Mà lực ma sát trượt vật chuyển động hệ số ma sát trượt kt mặt tiếp xúc nhân với phản lực pháp tuyến nên: Fms2  kt N (25) Từ biểu thức (21), (24) (25), ta có: kt man  P  kt m v v2  m.g R Rg (26) kt Vậy, vận tốc hệ “người – xe” lớn Rg chuyển kt động vách đứng Hình 15 giá trị Lực kéo F làm hệ chuyển động theo chiều Oy; trọng lực P hướng xuống ngược chiều Oz; phản lực N vách đẩy ra, hướng theo Ox (lực N lực ly tâm ép sát vật vào vách); lực ma sát ngang Fms1 ngược chiều chuyển động, ngược chiều Ox (độ lớn Fms1 nhỏ, xe lăn, trượt); lực ma sát đứng Fms chiều Oz; mơ men ma sát Mms ngược chiều quay  Áp dụng định luật II Newton, ta có: P  Fms1  Fms2  N  F  ma Ta thấy rằng, hệ lực F, P, Fms1 , Fms2 , N khơng đồng quy O nên trọng lực P có xu hướng kéo hệ “người – xe” xuống, làm cho hệ bị nghiêng Tuy nhiên, nhờ có bảo tồn mơ men động lượng, tức bảo tồn phương véc tơ vận tốc góc  nên trục quay giữ thẳng đứng hệ chuyển động Vậy, hệ “người – xe” chạy vách đứng nhờ hệ có bảo tồn mơ men động lượng lúc hệ phải có vận tốc đủ (20) Chiếu biểu thức (20) lên trục Ox, Oy, Oz, ta có: lớn giá trị 90 Rg để tạo lực ly tâm đủ kt TDMU, số (27) – 2016 Ngơ Bảo lớn, từ tạo lực ma sát đủ lớn thắng trọng lượng hệ, giữ cho hệ khơng bị rơi xuống 6.3 Hệ người xe chạy bề lõm mặt cong P  N  man (27) Chiếu biểu thức (27) lên trục Ox ta có: N  man  P Để hệ “người – xe” chạy qua đỉnh bề lõm khơng rơi xuống hệ có lực ép vào trần đỉnh đó, tức là: N   man  P  m v2  mg R  v  Rg (28) Vậy, hệ “người – xe” có vận tốc lớn giá trị Rg hệ có lực ly tâm đủ lớn, ép sát hệ vào trần bề lõm mặt cong vượt qua mặt cong * Những phần giải thích tốn thực tế, thiết thực, dùng làm tài liệu cho giảng dạy mơn vật lý mơn học Hình 16 Tại vị trí hệ “người – xe” lên đỉnh cao mặt cong chịu tác dụng trọng lực P phản lực N (lực N lực ly tâm ép sát hệ vào trần bề lõm), lực hướng xuống chiều Ox hình 16 (hệ chịu tác dụng lực khác, khơng liên quan, ta khơng xét) Áp dụng định luật II Newton, ta có: APPLICATION OF MECHANICAL KNOWLEDGE TO EXPLAIN INTERESTING PHENOMENA IN LIFE Ngo Bao ABSTRACT This article uses the knowledge of classical mechanics courses to explain rigorously quantitative and qualitative interesting phenomena in life Applying the law of conservation of angular momentum or the principle of gyroscope to explain why I can ride a bike , why we can play circus motorcycles.Applicable law I, II Newton to explain why we can put the eggs upright on top chopstick, why people have to tilt the road at the bend location Apply the law of conservation of momentum and the law of II, III Newton to explain why airplanes can fly Apply the law of universal gravitation and the laws of II, III Newton to explain why the tide may have occurred TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Sanh, Cơ học tập 1, 2, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 [2] Trường Đại học Thủ Dầu Một, Tài liệu giảng dạy mơn Cơ học lý thuyết, 2014 [3] Bộ Giáo dục Đào tạo, Vật lý 10, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 [4] Bộ Giáo dục Đào tạo, Vật lý 12, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 [5] Nguyễn Văn Đạo, Cơ học giải tích, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2001 [6] Vũ Duy Cường, Cơ học lý thuyết, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 1999  Ngày nhận bài: 15/01/2016; Chấp nhận đăng: 31/03/2016 91 TDMU, số – 2016 Dùng kiến thức học để giải thích tượng 92