ly thu

Khi chúng đến kính ảnh từ hai phía khác nhau, như cho thấy trên hình 3, chúng ta có được ảnh toàn cảnh phản xạ (ảnh Denisyuk ) dùng một laser hồng ngoại hay một laser YAG có một tần số g[r]

Ma sát lốp xe

Những cầu

Năng lượng người

Đo huyết áp

Trái Đất, Mặt Trăng thuỷ triều

Sức căng bề mặt phổi 10

Động xăng 11

Máy bay bay nào? 14

Đi chạy 15

Tai người việc nghe 17

Lưỡng cực lị vi sóng 18

Máy ghi điện tâm đồ 19

Điện giật 20

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 22

Nghịch lí anh em sinh đơi 23

Photon sức nhìn 24

Kính hiển vi điện tử 25

Màn hình tinh thể lỏng 27

Lưu lượng giao thông vào cao điểm 27

Cơ học động tác quay vũ đạo 30

Vật Lí khơng trọng lượng 34

Vật Lí thể thao khí động lực học vật ném 38

Sức cản khí động lực học 39

Âm học phịng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật? 44

Sự hồn chỉnh hiệu cho phịng Hịa Nhạc 45

Sự sôi hiệu ứng Leidenfrost 49

Phải tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu 53

Bay từ 58

Từ học đời sống 63

Vật Lí đồ chơi 67

Thơng tin sóng sáng dùng sợi quang học 70

Phép chụp ảnh toàn ký 74

Ứng dụng laser 79

Ma sát lốp xe

Các lốp xe ảnh hưởng đến an toàn bạn đến mức bạn lái xe xa lộ? Yếu tố ngăn cho xe khỏi bị trượt cho phép bạn kiểm soát xe bạn cua xe hay dừng lại? Ma sát làm đây?

Bề mặt lốp xe đóng vai trị chủ yếu việc tạo ma sát hay chống trượt Trong điều kiện khô ráo, lốp xe nhẵn tạo lực đẩy lớn diện tích tiếp xúc lớn làm tăng lực ma sát Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua đường đua có bề mặt nhẵn khơng có khía (Hình P.101)

Rủi thay, lốp xe nhẵn tạo ma sát đường ướt ma sát

bị giảm đáng kể có lớp nước mỏng bơi trơn mặt đường lốp xe Lốp xe có bề mặt nhiều khía tạo nên rãnh cho nước bị ép thoát cho phép lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường Một lốp xe có khía có hệ số ma sát khơ ướt khoảng 0,7 0,4 Giá trị nằm khoảng giá trị lớn khô (0,9) nhỏ ướt (0,1) lốp xe nhẵn

Lý thuyết ma sát cổ điển cần sửa đổi cho lốp xe cấu trúc mềm dẻo chúng độ dãn cao su Thay phụ thuộc hệ số ma sát bề mặt đường lốp xe (hệ số định chất mặt đường cao su lốp xe) Khả dừng tối đa cịn phụ thc vào độ bền lốp xe với lực xé rách xe thắng gấp Khi xe thắng gấp đường khơ, lực ma sát tạo lớn sức bền bề mặt lốp xe Kết thay bị trượt đường, cao su bị xé rách Rõ ràng độ bền chống lại xé rách phụ thuộc vào lớp bố hình dạng khía

Trọng lượng xe phân bố khơng diện tích tiếp xúc với mặt đường, tạo vùng áp suất cao thấp khác (giống bạn dép mỏng sỏi) Độ bền chống xé rách

lớn vùng có áp suất cao Hơn nữa, kích thước diện tích tiếp xúc quan trọng lực đẩy động tĩnh tức thay đổi bánh xe lăn Diện tích tiếp xúc lớn, lực đẩy lớn Do đó, với tải bề mặt khơ, lốp xe rộng có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả dừng tốt

Khi bạn mua lốp xe, suy nghĩ

Xe đua chạy đường siêu tốc trang bị lốp rộng, nhẵn gọi “lốp tăng tốc” Lốp xe đua đường khơ có bề mặt tiếp xúc nhẵn Lốp có khía dùng phổ biến để tạo rãnh cho nước thoát chạy đường ướt (Hình P.102) Bởi khơng có khía, lốp xe đua chạy đường ướt

Những cầu

Làm để qua sơng? Có lẽ câu trả lời làm cầu Người ta xây dựng cầu nhiều kỷ, ngày tiếp tục thiết kế xây dựng cầu dài hơn, đẹp

Những cầu thân hay đá gác lên hai bờ Khoảng cách phụ thuộc vào chiều dài sức bền vật liệu Sự phát triển giàn cầu, tổ hợp xà nối với cho chia phần trọng lượng cầu, làm tăng tỉ số sức bền trọng lượng Thành phần giàn cầu thẳng nối với thành loạt tam giác Cấu trúc tạo thành nhẹ cứng đơn chịu tải khoảng cách lớn Trong thuật ngữ đại thiết kế giàn cầu cần kiến thức cân sức bền vật liệu

Hình P.201 - Cầu Mỹ Thuận thuộc tỉnh Vĩnh Long - Việt Nam cầu treo chống đỡ tải trọng cách truyền lực căng dọc theo cáp treo tới trụ chính, trụ truyền lực nén xuống đất

Những cầu giàn làm gỗ Những giàn sau gia cố sắt hay làm toàn sắt Vào cuối kỷ 19, vật liệu phổ biến

để làm giàn cầu thép Hầu hết cầu xa lộ Mỹ từ khoảng năm 1890 đến kỷ 20 cầu giàn thép, đặc biệt

các nhịp từ 200 đến 400m

thép dùng giàn thép gia cố vòng cung Nhịp cầu lớn cho cầu vòng cung thép ước tính vào khoảng 900m

Hình P.202 - Một cầu vòng cung chống đỡ tải cách truyền lực nén tới trụ chống Cầu quốc lộ California tựa vào vách đá

Những nhịp cầu dài đạt với cầu treo, treo dây cáp thép trụ cao Đầu dây cáp neo bờ bên chỗ neo bêtông cứng Nhờ có tỉ số sức bền trọng lượng lớn, cầu treo làm dài loại cầu khác Cầu Askashi-Kaikyo Nhật cầu có nhịp dài giới, với khoảng cách 170m trụ

Các cầu treo ngày dựa nhiều vào nhà thiết kế cầu Brooklyn, John Roebling trai Washington Roebling Vào năm 1866 Roebling Bố, người tiên phong việc xoắn dây từ đầu neo đến neo qua đỉnh cột, nhận nhiệm vụ thiết kế xây dựng cầu nối Brooklyn Mahattan Ba năm sau, việc thiết kế hồn thành, John Roebling chết bệnh uốn ván tai nạn chỗ làm cầu Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ giám sát việc xây dựng cách dùng buồng kín nước gọi buồng khí nén, để đến vùng áp suất cao móng cầu Trong làm việc buồng khí

nén, Washington Roebling bị bệnh khí ép buồng bị khí đột ngột Ơng bị liệt phần, giám sát phần cịn lại cơng việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ Ông Emily thực lệnh ông đạo thợ Khi cầu khánh thành vào tháng năm 1883 cầu treo dài giới thời với nhịp dài 486m

Hình P.203 - Cầu giàn truyền tải trọng tới trụ tổ hợp lực nén (các vector hướng vào nhau) lực căng (các vector hướng xa nhau) Cầu Mystic Tobin băng qua sơng Mystic Boston, Massachusetts, ví dụ cầu giàn

Năng lượng người

Định luật bảo tồn lượng có áp dụng cho thể bạn không? Câu trả lời có

Thực phẩm bạn ăn nhiên liệu cung cấp lượng cho bạn tồn làm việc Các chất xúc tác, gọi enzyme, cho phép đốt cháy nhiên liệu nhiệt độ thể, biến đổi lượng hoá học thành nhiệt lượng khác Nếu bạn nạp vào nhiều nhiên liệu, phần lượng lưu trữ khối lượng thể bạn tăng cân Nếu bạn nạp vào lượng, bạn giảm cân Do đó, bạn muốn trì cân nặng, lượng bạn nạp vào phải lượng thể bạn sử dụng Sự cân lượng gọi lượng đủ sống

Ở nơi giới, lượng đo Jun Calori đơn vị dùng phổ biến để đo lượng thưc phẩm Khơng có ngạc nhiên lượng đủ sống phụ thuộc vào trọng lượng thể mức độ hoạt động Hình B 3.1 trình bày lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng thể Đường biên ứng với người hoạt động Đường biên ứng với người hoạt động Ở Mỹ hầu hết người nạp vào khoảng 2000 đến 3000 Calori

ngày

Hầu hết lượng thực phẩm đưa vào để làm thể tồn giữ ấm Khi bạn nằm yên giường, thể bạn dùng lượng nhất, lượng trung bình dùng điều kiện đó, gọi tốc độ trao đổi chất bản, khoảng 1400 Calori ngày cho phụ nữ 1600 Calori cho đàn ông Tốc độ ứng với công suất trung bình khoảng 75W Hầu hết lượng nạp vào dùng để taí tạo tế bào Năng lượng tiêu phí nhả dạng nhiêt để trì nhiệt độ thể

trung bình người đàn ông không hoạt động vào khoảng 2800 Calori, cho phụ nữ không hoạt động khảng 2000 Calori Những người làm việc nặng nhọc cần nhiều lượng Ví dụ lực sĩ cần khoảng 8000 Calori ngày

Bạn dùng lượng thể thao hoạt động khác? Bảng B6.1 cung cấp giá trị tiêu biểu cho người nặng 70 kg Để tìm giá trị cho bạn, nhân số bảng với khối lượng bạn chia cho 70 Bảng cho lượng trung bình Khi bạn nhảy, ném hay cử tạ, lượng bạn cần cao

Số Calori dùng người nặng 70kg 10 phút

Hoạt động Năng lượng sử dụng

(Calori) (Jun)

Bóng chuyền 34 142,000

Đi (5km/h) 40 167,000

Đi (7km/h) 58 242,000

Chạy chậm (7 phút - 1km) 91 380,000 Chạy (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 bạn kiểm tra sức khỏe, người ta đo huyết áp bạn Đó việc làm thơng dụng ngành y Người ta quấn băng quanh tay bạn, bơm căng, lắng nghe qua ống nghe đặt vào tai nhả từ từ Chuyện xảy người ta đo huyết áp?

Trái tim bắp thịt lớn, chịu trách nhiệm bơm máu khắp thể Máu từ thể quay qua tĩnh mạch ngăn bên phải tim Tim bơm máu qua phổi Phổi lấy khí dioxit cacbon khỏi máu cấp oxy vào máu Ngăn bên trái tim nhận máu giàu oxy từ phổi bơm khắp thể qua động mạch Máu chảy từ động mạch đến tĩnh mạch qua mao mạch

cao hay thấp bất thường huyết áp tình trạng bệnh tật vơí mức độ nghiêm trọng khác

Cách trực tiếp để đo huyết áp nhét ống đầy chất lỏng vào động mạch nối tơí máy đo áp suất Mặc dù điều làm, bất tiện Phương pháp thường dùng dùng máy đo huyết áp Một băng không đàn hồi có ruột thổi phồng lên được đặt vào cánh tay, độ cao vào cỡ độ cao tim Băng nối trực tiếp tơí áp kế(Hình P.401) Khi băng bơm phồng; đủ áp suất, máu chảy qua động mạch tay dừng lại Nêú băng đủ dài bó sát vào cánh tay, áp suất mô cánh tay áp suát băng áp suất động mạch Thực tế nguyên lý Pascal áp dụng cho hệ thống gồm băng, cánh tay động mạch

Sau dòng máu chảy bị ngưng, áp suất băng giảm

bằng cách nhả bớt Sự giảm áp suất tương đương vơí đường chấm chấm hình P.401 Tại điểm mà áp suất động mạch vượt qua áp suất băng, máu chảy qua Sự tăng tốc máu qua mạch tạo tiếng kêu nhận biết nhờ ống nghe Khi có tiếng kêu này, áp kế áp suất cực đại hay tâm thu Khi áp suất băng tiếp tục giảm, có tiếng kêu khác, ứng vơí áp suất tâm trương Số đọc hình P.401 ứng vơí hai áp suất thường đọc “110 80” giá trị bình thường cho người khoẻ mạnh

Hình P.401 Đo huyết áp maý đo huyết áp Âm nghe cánh tay xảy áp suất băng giảm xuống dươí áp suất tâm thu áp suất tâm trương

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ TIM MẠCH HUYẾT ÁP

Sphygmomameter cuff băng máy đo huyết áp Inflation bulb bóng bơm

artery động mạch

Diastolic pressure áp huyết tâm trương systolic pressure áp huyết tâm thu cuff pressure áp suất băng Arterial pressure pulses xung áp suất động mạch Intraarterial pressure áp huyết động mạch cuff pressure áp huyết băng

ventricle tâm thất

auricle tâm nhĩ

mitral valve van hai

tricuspid van ba

aorta động mạch chủ

pulmonary veins tĩnh mạch phổi pulmonary artery động mạch phổi

Trái Đất, Mặt Trăng thuỷ triều

Thủy triều quen thuộc với sống gần bờ biển Ngoài biển khơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét Khi thủy triều tiến gần bờ, địa hình bờ thường làm nước dâng cao hơn, thường

vào khoảng ba mét Thủy triều thay đổi theo nơi Trong vài vùng thủy triều thấp hơn, số vùng khác thủy triều cao Ở vịnh Fundy Canada (Hình P.501) thuỷ triều lên cao tới 15m

Con người mơ ước biến chuyển động thủy triều thành điện Tuy nhiên, khả làm điều bị hạn chế tới số vùng nơi thủy triều thay đổi đủ lớn nơi xây đập ngang qua

kênh Hiện nay, chi phí để xây dựng đắt so với phương pháp sản xuất điện khác

gần Mặt Trăng bị hút Mặt Trăng với lực lớn lực trung bình, phần nước phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ lực trung bình Hơn chuyển động Trái Đất quanh khối tâm làm tăng chổ phồng thuỷ triều phía Mặt Trăng Kết xuất hai chỗ phồng lên đại dương hai phía đối Trái Đất

Bởi Trái Đất quay quanh trục nhanh Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất, ma sát nước biển đáy biển, Trái Đất kéo cực đại thủy triều trước vị trí tính tốn cực đại (Hình P.502) Vị trí bất đối xứng cực đại so với đường nối tâm Trái Đất Mặt Trăng tạo moment lực tác dụng lên

Mặt Trăng Moment lực làm tăng moment xung lượng Mặt Trăng Theo định luật III Newton, moment lực với độ lớn tác động lên Trái Đất làm quay chậm lại

Mặc dù tổng moment xung lượng hệ Mặt Trăng - Trái Đất bảo toàn, moment xung lượng truyền từ Trái Đất sang Mặt Trăng Cơ toàn phần giảm kết ma sát thủy triều Hệ ngày dài Trái Đất quay chậm lại, tuần trăng ngắn lại Mặt Trăng quay nhanh lên Do tăng vận tốc, lượng, khoảng cách Mặt Trăng Trái Đất tăng lên Các hiệu ứng đo: độ dài ngày tăng dần với tốc độ 20ms năm, Mặt Trăng xa khoảng 3cm năm Các tính tốn Mặt Trăng tiếp tục xa Trái Đất đạt khoảng cách khoảng 75 lần bán kính Trái Đất Khi độ dài ngày Trái Đất tuần trăng, Trái Đất Mặt Trăng quay tốc độ Khi Trái Đất ln ln quay mặt phía Mặt Trăng, giống Mặt Trăng luôn hướng mặt Trái Đất

Hình P.502 - Cực đại thuỷ triều xảy trước đường nối tâm Trái Đất Mặt Trăng quay Trái Đất Hình nhìn từ cực xuống (kích thước thuỷ triều phóng đại cho dễ nhìn.)

Sức căng bề mặt phổi

Hãy hít vào dài Bạn có lẽ khơng ngờ rằng, phổi có tượng vật lí lý thú xảy bạn thở Nó ln ln xảy mà bạn khơng biết, tượng thật kỳ diệu

người lớn có khoảng 600 triệu phế nang Sức căng bề mặt chất phủ mặt phế nang điều khiển nhiều chức quan trọng phổi Trước hết, xét hai bóng xà phịng nối với ống có van (Hình P.601) Chuyện xảy mở van? Khi mở van, bóng bóng lớn to lên bóng nhỏ lại hẳn Chúng ta hiểu điều quan điểm lượng Giống giọt chất lỏng tự có hình cầu để làm giảm tối thiểu lượng bề mặt, bong bóng xà phịng biến đổi cho diện tích bề mặt tối thiểu Diện tích bề mặt cầu lớn nhỏ khoảng 30% so với diện tích bề mặt hai cầu nhỏ với thể tích cầu lớn Do đó, mở van, hai bong bóng nhập thành

Nếu hiệu ứng bóng bóng lớn thu lấy bóng bóng nhỏ xảy phổi, phế nang nhỏ biến phế nang lớn to lên Điều không xảy nhờ chất bề mặt phổi, chất phủ bên phổi Thực nghiệm chứng tỏ sức căng chất bề mặt phổi tăng theo diện tích, trái với

nước hầu hết chất lỏng khác Điều có nghĩa lượng bề mặt phế nang lớn Mặc dù có tỉ số bề mặt thể tích nhỏ hơn, lượng bề mặt lượng bề mặt phế nang nhỏ Do t khí lớn nhỏ tồn cân

Kết thực nghiệm chứng tỏ biến thiên sức căng bề mặt với diện tích giải thích tượng khác phổi Nếu bạn hít dài thả lỏng ngực, khơng khí bị đẩy khỏi phổi Một lý điều tính đàn hồi mơ làm phổi co lại ép Tuy nhiên, thí nghiệm chứng tỏ có tính đàn hồi phổi khơng đủ để giải thích tượng mà lý tường sức căng bề mặt phế nang, làm cho chúng co lại đầy Hơn nữa, hiệu ứng phụ thuộc vào chất mà sức căng bề mặt tăng vơí diện tích, khơng xu hướng đẩy phổi xẹp xuống yếu nhiều

Việc thở bình thường có phổi có đủ chất bề mặt có sức căng bề mặt thích đáng Nếu sức căng bề mặt lớn bình thường khó thở, sức căng bề mặt thấp bình thường xu hướng đẩy phổi xẹp xuống giảm Vài trẻ em sơ sinh, đặc biệt trẻ thiếu tháng, khơng có đủ chất bề mặt làm cho phổi khó nở Nếu khơng dược chữa trị tức thời, em bé chết sau sinh thiếu oxy Tình trạng gọi hội chứng suy hơ hấp Hình P.601 - Mơ hình nhựa đường dẫn khơng khí phổi Các đường tận phế nang

Hình P.602

(a) Hai bong bóng xà phịng bán kính khác nối qua ống

Động xăng

Các quảng cáo xe thường nhấn mạnh gia tăng hiệu suất động Quả thật là, năm qua có cải thiện thực việc tăng hiệu suất động Nhưng điều tiến đến mức nào? Chúng ta tìm hiểu cách phân tích mơ hình đơn giản động xe

Các động đốt làm thành loại đặc biệt động nhiệt đốt nhiên liệu xảy lịng động Ví dụ động đốt bao gồm động xăng, động diesel turbine khí Ở xét động xăng đại diện cho động đốt

Chu kỳ hoạt động hầu hết động xe bốn (Hình P.701) Trong kỳ hút hỗn hợp

xăng khơng khí hút vào cylinder qua van hút nhờ chuyển động xuống piston Van đóng lại hỗn hợp khí – nhiên liệu nén Tại cuối nén khí châm lửa tia lửa điện

từ bugi, làm tăng nhiệt độ áp suất khí Khí nóng dãn đẩy piston kỳ sinh công, truyền lượng cho trục khuỷu Van xả mở piston lên lần nữa, đẩy khí đốt ngồi kỳ xả Van xả đóng lại, van hút mở lặp lại chu kỳ

Phân tích giản đồ cho động thực khó (Hình P.702a) Vì vậy, động xăng thường phân tích dựa chu trình đơn giản hóa, Nicholas Otto(1831-1891) đề nghị Chu trình Otto bắt đầu điểm A giản đồ PV (Hình P.702b) Thể tích tăng áp suất khơng đổi đến điểm B

Công sinh diện tích bao chu trình B-C-D-E-B So sánh chu trình Otto với chu trình Carnot hoạt động hai nhiệt độ thấy hiệu suất chu trình Carnot cao chu trình Otto Chu trình Otto lại có hiệu suất lớn chu trình thực động Động xăng thực tế có hiệu suất khoảng 20-25%, khoảng nửa giá trị tính theo chu trình Otto

Trong năm gần đây, nhà thiết kế chế tạo xe hiệu suất cao Các cảm biến điện tử lắp đặt để điều khiển việc xả, việc máy tính kiểm sốt hỗn hợp khơng khí nhiên liệu phổ biến Các tiến khác đốt sạch, nạp nhanh, nhiều van động nhôm dùng để tăng hiệu suất động cơ, phát triển tương lai khơng nghi ngờ bao gồm việc máy tính kiểm sốt q trình đốt kiểm soát điện tử việc truyền lượng động bánh xe tình

Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động động bốn Pít-tơng xuống lên hai lần chu kỳ

Hình P.702 - Giản đồ cho:

(a) - Động xăng thực

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Intake valve van hút

Air and fuel hỗn hợp không khí 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 trình đánh lửa

Máy bay bay nào?

Hàng không thắng lợi vĩ đại kỷ 20 Mỗi ngày hàng trăm ngàn người chuyên chở không khắp giới Một máy bay nặng không khí bay nhờ dịng khơng khí chuyển động qua cánh

Trước chuyến bay họ vào tháng 12 năm 1903, anh em Wright thử nghiệm nhiều hình dạng cánh

ống khí động để tìm dạng cánh sản sinh nhiều lực nâng Hình dạng này, thường gọi dạng cánh máy bay, hình P.802 với dịng khí chuyển động Khơng khí chuyển động phía cánh phải đoạn đường dài khơng khí chuyển động phía cánh Kết là, khơng khí chuyển động phía phải nhanh khơng khí chuyển động phía Hình dạng cánh máy bay làm cho đường dòng dày phía trên, giống đường ống bị hẹp lại Kết vùng khí phía cánh có áp suất nhỏ vùng khí phía cánh Bởi lực ép từ xuống nhỏ lực ép từ lên, lực nâng xuất Chú ý để có lực nâng cần có dịng khí chuyển động tương đối so với cánh Điều ứng với cánh chuyển động qua khơng khí đứng n hay khơng khí chuyển động qua cánh đứng yên

giấy làm tờ giấy nâng lên Hiệu ứng giống hiệu ứng nâng cánh máy bay Thêm vào đó, góc đụng, hay độ nghiêng cánh dịng khí, thay đổi để làm tăng lực nâng Nếu mép trước cánh cao mép sau, lực không khí tác dụng vào phía cánh nhiều phía cánh Trong trường hợp lực nâng xảy với cánh phẳng Tuy nhiên, góc đụng q lớn, dịng chuyển động xốy hiệu áp suất khơng cịn Nếu xốy lớn, máy bay chịng chành

Nói chung, dịng khí qua cánh tăng, lực nâng lực kéo (lực cản) tăng Cánh máy bay thiết kế cho phi cơng thay đổi hình dạng cánh bay, tạo lực nâng lớn tốc độ thấp cất cánh hạ cánh giảm bớt lực kéo lượn Trong cất cánh hạ cánh, cánh phụ mở sau xuống dươí mép sau cánh (Hình P.804), làm tăng lực nâng, vài máy bay việc mở cánh phụ làm tăng diện tích cánh khoảng 25%, làm tăng lực kéo đáng kể Đồng thời, mép trước cánh chuyển tới trước tạo thành khe hướng lớp khơng khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy tăng lực nâng Ở tốc độ cao, phi cơng đóng khe lại thụt cánh phụ vào để giảm lực kéo Hành khách chuyến bay thấy

thay đổi cánh bay Chúng ta cần lực nâng khơng tn theo xác phương trình Bernoulli Lý phương trình Bernouli cho lưu chất khơng nén khơng nhớt, khí khơng khí bị nén có nhớt Tuy nhiên, hiệu áp suất lực nâng, thật xảy khơng khí, độ lớn không tuân theo định luật Bernouli

Đi chạy

Để có vài ý tưởng nguyên tắc việc chạy giả thiết chân dài đồng

chất tiết diện Chúng ta mơ tả chân mơ hình phức tạp hơn, kết luận khơng thay đổi

Hình P.902 trình bày chiều dài L treo đầu (điểm O) dao động tự

do Chu kỳ lắc là:

giá trị Hãy đứng lên lắc chân theo chiều trước sau cách tự Đừng cố gắng dùng sức Sau chân bạn dao động tự do, đếm số lần dao động khoảng 10 giây tính chu kỳ So sánh giá trị bạn đo với giá trị tính theo biểu thức Để xác định chiều dài chân bạn đo từ xương hơng xuống Chúng ta dùng mơ hình để ước tính nhịp người Chúng ta giả nhịp tự nhiên nhịp địi hỏi sức lực – nhịp với chu kỳ tìm Trong gần giả sử chiều dài bước chân tỉ lệ với chiều dài chân Thời gian bước nửa chu kỳ Vận tốc v phụ thuộc vào chiều dài chân

Phương trình dự đốn người có chân dài nhanh Dự đốn rút sở mơ hình tiêu thụ lượng cực tiểu mơ hình dơn giản chân Tuy nhiên, dự đoán phù hợp với kinh nghiệm thông thường

Khi người chạy, mơ hình buộc phải có thay đổi quan trọng Trong chạy, chân không dao động tự mà chịu Moment lực quanh diểm O Moment lực kết lực F bắp thịt tác dụng Lực gần tỉ lệ với tiết diện Nếu giả thiết là, người có kích thước khác nhau, tỉ lệ tương dối chân nhau, lực F, phụ thuộc vào bình phương chiều dài L Moment lực tỉ lệ với tích F L:

Moment quán tính I tỉ lệ với khối lượng nhân với bình phương chiều dài Một lần giả thiết tất chân có tỉ lệ, tức chiều rộng chiều dày tỉ lệ với chiều dài Khi khối lượng tỉ lệ với lập phương chiều dài:

Có thể chứng minh chu kỳ T thành dài L dao động chịu Moment lực phụ thuộc vào Moment lực Moment quán tính

Thay giá trị I t vào, ta có

Do có dự đốn rằng, động vật có hình dạng chân đơn giản, vận tốc chạy không phụ thuộc vào chiều dài chân Dự đoán dĩ nhiên không cách chặt chẽ Tuy nhiên, mô hình giải thích tượng thực tế người chân dài bình thường nhanh rõ rệt người chân ngắn, tốc độ họ chạy luôn lớn người chân ngắn cách đáng kể

Tai người việc nghe

Tai người tốt đến mức việc nghe? Chúng ta nghe âm từ tiếng vo ve muỗi đến tiếng gầm động phản lực Trong trường hợp, khơng khí dao động Dao động khơng khí vào tai, tác động lên màng nhĩ, làm cho nghe âm Tai người máy nghe tốt làm việc dải rộng cường độ tần số

Tai không nhạy tần số Trong hình P.1001 minh họa cường độ âm nhỏ mà tai nghe tần số khác Miền cực tiểu đường cong nơi tai nhạy ứng với tần số 3-4 kHz Đây dải tần số nốt cao đàn piano

Chúng ta thấy tai nhạy đến mức cách dùng mối liên hệ biên độ cường độ Để tìm biên độ âm nghe người thính tai, dùng giá trị tối thiểu nghe thấy cường độ, 10-12W/m2 , tần số 4000Hz ứng với vùng tần số nhạy Khi dùng giá trị này, với tham số thích hợp khác, tìm biên độ dao động khoảng x 10–12m Đây thật dịch chuyển nhỏ; cỡ gần 1/100 đường kính phân tử oxigen cấu tạo nên khơng khí Khơng nghi ngờ nữa, màng nhĩ bạn nhạy để đáp

ứng thăng giáng nhỏ

Trái lại, âm q lớn gây đau đớn, ví dụ 120dB hay lớn hơn, có biên độ khoảng 3x10 -6m Dầu giá trị lớn biên độ âm thanh nhỏ nhất, cịn nhỏ Nếu tờ giấy dày cỡ này, 400 trăm tờ giấy dày cỡ 1mm

những ống Chiều dài trung bình ống tai khoảng 2,5cm, tần số cộng hưởng vào khoảng 3400Hz Trong hình cho thấy tăng độ nhạy miền cộng hưởng Thật lý thú để ý tần số tiếng khóc trẻ sơ sinh Tuy nhiên, vùng cao dải tần số tiếng nói người lớn, chủ yếu nằm miền 500-2000Hz Các máy trợ thính thụ động không cần pin thiết kế để dịch chuyển miền cộng hưởng xuống dải tần số tiếng nói người lớn Bắt đầu vào tuổi niên, độ nhạy tai người giảm dần dải tần số ngưỡng nghe Một đứa trẻ nghe âm có tần số 40kHz Vào tuổi niên giới hạn giảm xuống cỡ 10kHz từ tiếp tục giảm khoảng 160Hz năm Đối với người 50 tuổi, giới hạn 10-15kHz điển hình.

Việc điếc tạm thời thường xảy sau nghe tiếng động lớn Sau tai phục hồi khả nghe trở lại Tai bị hư hỏng nhiều nghe tiếng ồn lặp lại Những người làm việc môi trường ồn bị giảm sức nghe vĩnh viễn Vì họ thường đội mũ che tai hay dùng nút bịt tai để chống ồn, nhạc công chơi nhạc lớn tiếng thời gian dài thường dùng mũ bịt tai

Lưỡng cực lò vi sóng

Mặc dù lị vi sóng phát minh tương đối gần đây, trở nên phổ biến khắp giới Nhiều người không suy nghĩ dùng để hâm thức ăn, hay nấu nhanh Nhưng lị vi sóng nấu nhanh vậy? Nó hoạt động an toàn đến mức nào?

Một lực điện tồn hai phân tử có cực, ví dụ phân tử nước hình P.1201, chúng khơng tích điện Một phần liên kết phân tử tương tác lưỡng cực Trong điện trường đều, phân tử có cực chiu tác dụng moment lực có xu hướng xoay lưỡng cực nằm theo chiều điện trường Nếu đảo hường điện trường, moment lực xuất làm xoay phân tử theo chiều ngược lại Nếu phân tử lập, quay tự Tuy nhiên, phân tử liên

kết với phân tử khác vật chất, bị “ma sát” quay Lực ma sát phá vỡ liên kết phân tử Nếu hướng điện trường thay đổi nhanh chóng, lượng dùng để chống lại ma sát toả

dưới dạng nhiệt lịng chất

Các vi sóng, sóng tần số cao, tạo điện trường thay đổi nhanh chóng Ở Bắc Mỹ, lị vi sóng thiêt kế để dùng nhà có tần số 2450MHz(bước sóng 12,2 cm) Vi sóng tạo tập trung vào thể tích nhỏ lị (Hình P.1202) Những sóng này, giống sóng âm hay sóng ánh sáng, truyền qua, phản xạ hay hấp thụ Vi sóng dễ dàng truyền qua khơng khí, thuỷ tinh, giấy nhiều loại nhựa Vi sóng bị phản xạ kim

Lị vi sóng nấu nhanh chóng vi sóng xun qua lớp ngồi thức ăn nung nóng bên lịng thức ăn Trong lị thơng thường, lượng truyền tới bề mặt thức ăn Bởi vi sóng phản xạ thành bên lị, tạo thành sóng dừng lị, tương tự sóng âm tạo thành sóng dừng ống Các nút bụng sóng dừng làm cho thức ăn chín không Hiệu ứng giảm bớt cách dùng cac cánh quạt (bộ khuấy) để làm tan sóng đứng cách quay mâm đựng thức ăn Thức ăn đựng hộp kim loại không nấu vỏ kim loại ngăn khơng cho vi sóng vào bên

Cần cẩn thận dùng lò vi sóng Cơng suất lị vi sóng khoảng 500W, đủ cao để gây cháy Tuy nhiên, mức lượng vi sóng thấp khơng đủ để nấu gây nguy hiểm cho người Do đó, tiêu chuẩn chặt chẽ đề nhằm hạn chế xạ từ lị vi sóng Ở Mỹ tiêu chuẩn qui định khoảng cách 2cm từ cửa lị mật độ lượng xạ khơng vượt 1mW/cm2 Các nghiên cứu chứng tỏ mức từ 0,1 đến 1,0 mW/cm2 không gây nguy hiểm rong khoảng thời gian Để an tồn, vỏ đóng kín bảo đảm cho xạ khơng khỏi lị Thêm vào đó, điện tự ngắt bạn mở cửa lò, phép bạn thấy bên lị, hầu hết lị vi sóng có cửa sổ lưới kim loại Lưới khơng suốt với bước sóng dài cho ánh sáng qua

Máy ghi điện tâm đồ

Ứng dụng điện tử học cơng nghiệp, viễn thơng, máy tính giải trí đáng kể Tuy nhiên, điện tử học cịn có ảnh hưởng lớn lao đến y học Các nhân viên xét nghiệm, thường dùng thiết bị điện tử để phân tích mẫu máu dùng thiết bị tinh vi điều khiển máy tính cho nhiều mục đích chẩn đốn khác Một ví dụ kinh điển điện tử y học máy ghi điện tâm đồ, công cụ trở thành tiêu chuẩn chẩn đoán Về máy ghi điện tâm đồ bao gồm khuếch đại điện tử gắn với máy ghi để biểu diễn thay đổi theo thời gian điện gắn liền với nhịp

P.1301b) Ngay sau khử cực, quay trạng thái ban đầu phân cực trở lại (Hình P.1301c) Chuỗi thay đổi gọi điện hoạt động Trong khoảng mili giây hoạt động, bắt đầu co Hiệu điện ứng với hoạt động khoảng 100mV (Hình P.1302) Kết hoạt động xung điện xảy với nhịp tim, co bât khác Điện liên kết với tim ghi nhận từ bên ngồi (Hình P.1303) Hiệu điện bên tiêu biểu cỡ 1mV Do co bắp thịt tạo xung tương tự, điện tâm đồ thường ghi với bệnh nhân nằm bât động

Điện hoạt động xảy có hoạt động thần kinh Do đó, hoạt động điện não ghi lại theo cách giống làm với tim Ở bề mặt da đầu tín hiệu có độ lớn cỡ 50mV Do đó, để ghi sóng não, hoạt động phải bị cấm, tín hiệu ghi nhận từ lớn hai mươi lần từ não Hình ảnh ghi sóng não gọi điện não đồ

Điện giật

Điện giật mối nguy gắn liền với thiết bị điện Sự nguy hiểm khơng phải có đường dây cao Nhiều

người bị điện nhà 220V giật chết tiếp xúc với thiết bị điện cơng nghiệp có điện 40-50V

Đại lượng quan trọng điện giật điện thế, mà cường độ dòng điện qua thể (Hình P.1501) Do thiết bị điện dùng điện nhà cung cấp dịng nguy hiểm Dịng điện xác định định luật Ohm, điện trở người thay đổi cách đáng kể, khó đưa giá trị xác điện nguy hiểm Ví dụ điện trở hiệu dụng thể người phụ thuộc nhiều vào diện tích tiếp xúc tình trạng da Nhưng điện trở da thay đổi từ 5,000,000 W khô nhỏ khoảng 500W ướt Sự nguy hiểm điện giật khơng phụ thuộc vào dịng điện mà

cịn phụ thuộc vào đường dòng diện qua thể Một dịng điện từ ngón tay tới cùi chỏ gây đau khó chịu dịng điện từ tay sang tay ngang qua ngực gây chêt người

Dịng điện gây nguy hiểm cho thể theo ba cách:

1 Nó cấp nhiệt làm thể

2 Nó làm gián đoạn hoạt động hệ thần kinh tim

được Dịng điện cỡ 20mA làm khó thở dịng điện cỡ 75mA làm ngưng thở hồn tồn

Dịng điện 100 200mA làm cho tim loạn nhịp Kết chết người Ở dịng điện lớn hơn, tim ngừng đập hồn tồn khơng loạn nhịp Trong tình trạng này, hội sống sót tốt hơn, nhịp tim dễ khôi phục ngưng hẳn loạn nhịp Liệu pháp để chống loạn nhịp dùng cấp cứu dùng xốc điện để làm tim đứng hẳn tìm cách khơi phục lại nhịp tim

Cách chữa tốt điện giật đề phòng Hãy cẩn thận với điện điện thế, luôn tuân thủ qui định làm việc với thiết bị điện

MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐIỆN GIẬT

threshold of sensation ngưỡng cảm giác mild sensation cảm giác nhẹ painfuf shock xôc đau muscle paralysis liệt

severe shock sốc nghiêm trọng breathing stops ngưng thở

severe burns cháy

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

Trong hai thập kỷ vừa qua cách mạng xảy chụp ảnh chẩn đoán y học Nhiều phương pháp phát triển để nhìn sâu vào cấu trúc thể mà không cần phẫu thuật hay dùng xạ ion hóa Một phương pháp tốt chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic Resonance Imaging)

Nếu xếp moment từ hạt nhân bị nhiễu loạn từ trường xung, chúng quay trạng thái ban đầu sau một thời gian đặc trưng gọi thời gian trễ Các hạt nhân Hydro loại mơ khác có thời gian trễ khác Bằng cách dùng hiệu ứng thời gian trễ tạo hình ảnh, MRI phân biệt loại mô khác mật độ nguyên tử Hydro

Trong số trường hợp điều cung cấp ảnh rõ ảnh tia X vốn việc phân biệt mô

Đối với bệnh nhân phần thấy hệ thống MRI nam châm để tạo từ trường (Hình P.1602) Nam châm thường nhiều cuộn dây quấn quanh trục chung với lỗ khoan cỡ mét Những cuộn dây dùng dây dẫn chât siêu dẫn đặt buồng Heli lỏng, làm lạnh dây đến nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Nam châm tạo từ trường tới cỡ 1.5 Tesla với độ đồng đạt đến cỡ phần triệu thể tích 1cm3.

Các cuộn dây bổ sung dùng để cung cấp gradient từ trường theo hướng mong muốn, với chọn lựa

đúng đắn giadient, tạo lát cắt hai chiều vật Các ảnh chụp theo phương ngang, dọc, đứng Những cuộn dây anten riêng biệt đựọc dùng để thu tín hiệu Dùng cuộn cải thiện độ phân giải ảnh Ví dụ, số cuộn đặc biệt dùng để thu ảnh đầu người

Với cường độ từ trường điển hình

cỡ Tesla, tần số cộng hưởng từ nằm dải sóng ngắn, 108Hz Bởi lượng sóng nhỏ, MRI an toàn nhiều so với tia X, tia phá vỡ liên kết hóa học thể

Hình P.1604 - Ảnh chụp não người bình thường bệnh nhân tâm

thần phân liệt

Nghịch lí anh em sinh đơi

Một điểm hấp dẫn thuyết tương đối nghịch lí anh em sinh đôi Vấn đề đươc phát biểu cách đơn giản Tưởng tượng có cặp sinh đơi giống hệt nhau, nhà khoa học phi hành gia Phi hành gia tàu vũ trụ lên thăm Anh ta với vận tốc 0,99c

trong chuyến bay kéo dài 35 năm, theo đồng hồ Trái Đất

Thời gian phi thuyền trôi chậm so với Trái Đất Khi phi hành gia quay về, trẻ người em sinh đôi nhà:

Trong khoảng thời gian phi hành gia khoảng thời gian người em mặt đất Sự sai biệt tuổi phụ thuộc vào thời gian chuyến bay vận

tốc phi thuyền Trong trường hợp này, người Trái Đất già thêm 35 tuổi người phi thuyền già tuổi

Nếu xem xét việc hệ qui chiếu gắn với phi thuyền, phi hành gia lại thấy người em Trái Đất di chuyển với vận tốc 0,99c so với tàu Do nhà khoa học Trái Đất trẻ lâu

hơn Tới xuất nghịch lý: Người số hai anh em sinh đơi nghĩ già người 30 tuổi

Chúng ta giải nghịch lý nhớ lại tiên đề lý thuyết tương đối Tiên đề thứ phát biểu tất hệ qui chiếu quán tính tương đương Nhưng trường hợp hai anh em sinh đôi, hai hệ qui chiếu rõ ràng không tương đương Phi hành gia chuyển

động với vận tốc không đối, trước tiên phải gia tốc để đạt đến vận tốc lớn, rối lại gia tốc quay quanh sao, rối gia tốc quay Trái Đất Không phụ thuộc vào chuyến bay tiến hành nào, phi hành gia buộc phải gia tốc lúc lúc quay Do hệ qui chiếu gắn với phi thuyền hệ qui chiếu quán tính, hai quan điểm thời gian khơng tương đương Bởi trường hợp coi Trái Đất hệ qui chiếu quán tính, người sống Trái Đất có quan điểm đúng: người phi thuyền chậm già

gian Chỉ sau họ gặp lại hệ qui chiếu quán tính họ thấy khác biệt

Hình P.1701 - Thiên hà Centaurus A khoàng cách từ 10 đến 28 triệu năm ánh sáng, Nếu bạn quãng đường 10 triệu năm ánh sáng với vận tốc 0,99c , hành trình bạn dài 1,4 năm triệu năm Nếu bạn chuyển động với vận tốc 0,999999999999c, chuyến bay 14 năm

Photon sức nhìn

“Chúng ta thấy ánh sáng yếu tới mức nào?” Nói cách khác, “Số photon tốí thiểu võng mạc để nhận nháy sáng?” Chúng ta thấy nháy sáng thụ thể nhạy sáng võng mạc kích thích Có hai lọai thụ thể, hình que hình nón, loại có phân tử nhạy sáng riêng gọi sắc tố thị giác(Hình P.1801) Thụ thể hình nón chịu trách nhiệm hình ảnh màu nằm chủ yếu điểm vàng, vùng nhạy sáng Thụ thể que nhiều chủ yếu nằm ngồi điểm vàng Chúng khơng truyền thơng tin màu, nhạy sáng thụ thể nón Chú ý võng mạc người theo nghĩa bị ngược Các thụ thể nằm phía sau võng mạc, phía xa hướng ánh sáng tới Để ánh

sáng đến thụ thể phải qua phần lớn võng mạc, chủ yếu tế bào suốt

Câu trả lời cho câu hỏi ban đầu được cung cấp thực nghiệm Hecht, Shlaer Pirene tiến hành vào khoảng năm 1940 Phần thí nghiệm xác định xem photon phải tới giác mạc để gây cảm giác sáng Phần thứ hai thí nghiệm xác định xem photon thực đến thụ thể

Thiết bị thí nghiệm tạo nháy sáng khoảng 0.1s rơi vào vùng võng mạc có khoảng 500 thụ thể que Ánh sáng có cường độ cực đại 510nm, tương ứng với vùng nhạy thụ thể que Mục đích thí nghiệm nháy sáng ngẫu nhiên hỏi xem lúc thấy nháy sáng Cường độ ánh sáng hạ thấp tới mức không thấy nháy sáng nào, từ xác định ngưỡng Các nhà thực nghiệm xác định khoảng 100 photon đến giác mạc Đây thực lượng nhỏ! 100 photon phát 0.1s bước sóng 510nm nhỏ 10-5W

photon bị hấp thụ võng mạc trước đến thu thể que Các thí nghiệm sâu chứng tỏ có khoảng photon rơi vùng 500 thụ thể que đủ để tạo nháy sáng

Xác suất để thụ thể que số 500 thụ thể que hấp thụ nhiều photon nhỏ Do đó, kết luận photon kích thích thụ thể que Nhưng kích thích thụ thể que khơng đủ – phải hay nhiều bị kích thích đồng thời thấy nháy sáng

Làm giải thích cần photon kích thích thụ thể que, phải photon gây cảm giác sáng? Các thụ thể que bị kích thích chúng cung cấp đủ lượng, lượng photon cung cấp Nhưng lượng lượng nhiệt mơi trường Tính tốn kích thích nhiệt ngẫu nhiên cỡ với photon Do đó, khơng thấy nháy sáng tín hiệu tạo khơng lớn tín hiệu kích thích ngẫu nhiên nhiệt

Kính hiển vi điện tử

Kính hiển vi điện tử chế vài năm sau khám phá electron vận tốc cao có bước sóng nhỏ bước sóng ánh sáng Nhờ bước sóng nhỏ, kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao nhiều so với kính hiển vi quang học Chùm electron co thể hội tụ nhờ điện trường hay từ trường thích hợp Ví dụ, từ trường solenoid tác dụng giống thấu kính

hội tụ electron (Hình P.1901) Trong kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopes –TEM) , chùm electron lượng cao hội tụ thấu kính từ chiếu lên mẫu qua vật kính từ, vật kính tạo nên ảnh trung gian Một thấu kính chiếu electron phóng đại phần ảnh trung gian để tạo thành ảnh cuối cùng, ảnh xem huỳnh quang hay ghi kính ảnh Giống kính hiển vi quang học, độ khuếch đại tồn phần tích độ khuếch đại vật kính với độ khuếch đại thấu kính chiếu Bằng cách lựa chọn dịng thấu kính từ độ khuếch đại tồn phần đạt tới 200000X Các thiết bị đại có độ phân giải nhỏ 0,5nm

Kính hiển vi điện tử quét(Scanning Electron Microsopes-SEM), dùng rộng rãi vào thập niên 70 80, hoạt động khác với TEM nguyên tắc

tới đập vào mép lồi so với đập vào mặt phẳng Thông tin cường độ dùng để tạo nên ảnh giống ảnh tivi đèn hình; tạo nên hình ảnh chiều (Hình P.1903) Kích thước

của chùm (thường nhỏ 10nm) độ phân giản thiết bị Trong hai loại kính hiển vi điện tử bước sóng De Broglie cực nhỏ electron tốc độ cao cho phép tạo hình ảnh có độ phân giải cao

Hình P.1903 - Hình chụp giả màu kính hiển vi điện tử quét dãy diod thu tia hồng ngoại Các lớp bán dẫn loại

p(màu cam) phân biệt với thung lũng loại n (màu đỏ) Các chỗ lồi màu xanh kim loại Indi dùng để làm điện cực, diod đặt cách 100mm, tính từ tâm đến tâm

Màn hình tinh thể lỏng

Hãy nhìn quanh bạn Rất xung quanh bạn có hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display – LCD) Được dùng từ

những năm 70 hình số cho đồng hồ điện tử, ngày hình tinh thể lỏng dùng máy đo số, nhiệt kế, hình cho máy tính xách tay LCD cịn dùng để làm hình ti vi bỏ túi Trong tất ứng dụng này, xếp phân tử bên tinh thể tính chất quang học tinh thể, thay đổi bằg cách đặt vào điện trường Bởi LCD

cần dòng nhỏ, chúng lưạ chọn tối ưu cho loại thiết bị điện tử dùng pin Một LCD điển hình làm từ vật liệu tinh thể lỏng có phân tử hình que với moment lưỡng cực điện hướng dọc theo trục phân tử Một

lớp mỏng vật liệu kẹp điện cực suốt lọc phân cực (Hình P.2102) Hai phân cực đặt vng góc với Hai bề mặt xử lý cho phân tử song song với bề mặt quay

nhất Khi ánh sáng qua lớp tinh thể lỏng, mặt phẳn phân cực quay góc 90o. Ánh sáng qua phân cực thứ hai, đập vào phản xạ phản xạ trở lại hệ thống

Khi có hiệu điện đặt vào tinh thể lỏng, phân tử quay theo hướng điện trường Mặt phẳng phân cực ánh sáng sau qua phân cực khơng quay Do đó, phân cực thứ hai không cho ánh sáng qua Nếu hình dạng đoạn dùng, đoạn có điện trở nên tối sáng Nếu đặt hai phân cực song song nhau, số sáng tối

Lưu lượng giao thông vào cao điểm

Jeal Walker giáo sư vật lí ĐHTH quốc gia Cleveland Ơng đỗ cử nhân vật lí Học viện kĩ thuật MIT tiến sĩ vật lí trường Đại học Tổng Hợp Maryland Từ năm 1977 đến 1990 ông phụ trách phận “Nhà khoa học nghiệp dư” tạp chí Nhà khoa học Mĩ Cuốn sách "Xiếc bay vật lí với lời giải" ơng in mười thứ tiếng

Trong thành phố nhỏ đèn để điều khiển giao thơng thường khơng u cầu có đặc biệt Các

dòng xe cộ qua chúng ngẫu nhiên, hàng xe đứng chờ đèn đỏ dài Trái lại lưu lượng giao thông thành phố lớn, cao điểm, cần có điều phối cẩn thận Nếu khơng, dịng xe kéo dài qua nhiều ngã tư bị chặn lại làm khu vực bị tắc đường Bởi

vì có xe vùng ngoại vi khu vực bị

tắc nghẽn dịch chuyển, nên cần nhiều để giải phóng xe kẹt vùng bị tắc

Vậy bạn phải đặt thời gian sáng cho đèn xanh chỗ đường giao khác ? Nếu bạn bố trí cho đèn xanh sáng đồng thời giao thơng thực 50s Mỗi có đèn xanh dòng xe chuyển động dọc đường tất đèn chuyển đồng thời qua đỏ Các lái xe đua chạy để qng đường tối đa Hàng đồn dịng xe chạy, chẳng hạn với tốc độ tối đa 55mi/h đường phố chật ních giống đua rõ ràng nguy hiểm

Một cách thiết kế tốt an toàn xếp xen cho đèn xanh chỗ đường giao không sáng xe đầu đoàn đến gần ngã tư (Đèn xanh phải sáng trước xe tới đó, chúng chậm lại, để tránh không gặp đèn đỏ ngã tư) Như đua chạy vơ ích : xe chạy nhanh phải dừng lại đèn chưa chuyển từ đỏ sang xanh

Hình mộ tả phần đường phố điều khiển giao thông Giả sử xe đầu đoàn vừa tới chỗ giao số 2, đèn xanh sáng từ xe cách chổ giao đoạn d Chúng tiếp tục chuyển động với tốc độ vp (tốc độ giới hạn) để đến chỗ giao số 3, dèn xanh bắt đầu sáng chúng cách đoạn d Khoảng cách hai ngã tư D23

Câu hỏi

Đèn xanh chỗ giao số phải bật sáng muộn so với đèn xanh chỗ giao số để đoàn xe chạy thơng suốt ? (Trả lời kí hiệu cho)

Nếu đoàn xe phải dừng lại ngã tư trước đèn đỏ tình thay đổi (và trả lời khác) Thí dụ hình đoàn xe dừng lại ngã tư số Khi đèn tín hiệu chuyển sang xanh người lái xe cần thời gian tr để thích ứng thời gian để tăng tốc với gia tốc a, đạt tốc độ xe chạy vp Trong thời gian tăng tốc xe đoạn đường nhỏ xe chay với vp

Câu hỏi

Nếu khoảng cách hai chỗ giao nhau, số số D12 đèn chỗ giao số cần bật xanh xe cách đoạn d, đèn xanh phải bật sau đèn xanh chỗ ngã tư số ?

Với hệ thống đèn tín hiệu bật trễ nhau, giao thơng bị ngừng trệ Vấn đề chỗ : đoàn xe dừng đèn xanh bật lên xe khơng tăng tốc lúc “Sóng khởi hành” truyền từ đầu xe xuống xe sau với vận tốc vs Mỗi lái xe bắt đầu phản ứng sóng tới họ Những xe đứng sau xe đầu lại phải đoạn đường xa để tới chỗ giao

Câu hỏi

Những điều nói minh họa hình 2, bên trái trình bày sơ đồ đường phố, bên phải đồ thị diễn tiến đồn xe (với chu trình tín hiệu giao thơng) d1 độ dài mà phần đồn xe ban đầu dừng chỗ giao số lúc đèn hoàn toàn xanh) Các đường cong thời gian gia tốc ban đầu ; xe xa phía sau bắt đầu gia tốc muộn Đèn xanh chỗ giao bật sớm vài giây so với thời điểm mà xe đầu tới

Hình vẽ cho thấy khơng phải đoàn xe qua đựoc chỗ giao số trước đèn chuyển sang đỏ Nếu tượng lặp lại số chu trình tín hiệu giao thơng độ dài phần “bị loại” tăng lên, có lẽ kéo dài phía ngã tư trước, đó, chắn se cắt ngang Hiện tượng đó, xảy ra, gây nên tắc nghẽn

Câu hỏi

Trên đồ thị (a) vp (b) vs miêu tả ? (c) Độ dài thời gian gia tốc ?

Ngay hệ thống đèn tín hiệu giao thơng thiết kế tốt xảy tắc đường Một lần bị tắc đường cao điểm Cleveland, đột ngột có trận tuyết rơi mạnh vào buổi chiều Vì đường trơn nên lái xe phải thận trọng Sóng khởi hành truyền chậm Trong vòng 20 phút phần “bị loại” đồn xe kéo dài phía sau tới ngã tư trước chắn lối Giao thông bị bế tắc hai dặm dọc theo đường năm đường song song khác thành phố Tơi tiến lên xe cuối đoạn đường tránh thoát sang khu vực ngoại ô Chúng vừa rời khỏi chỗ chen chúc, sóng khởi hành chầm chậm truyền qua đồn xe dài dặm, cho phép tơi bị dần lên phía trước, lần bị qng đường độ dài vài xe Vấn đề trở thành tồi tuyết rơi dày xe bị nhốt che đường chạy Binh thường qua đoạn đường phút, mà vào ngày khốn khổ tơi chỗ tắc nghẽn

Trả lời câu hỏi

1 t = D23/vp

2 t = tr + vp/2a + (D12 - d)/vp

3 t = tr + vp/2a + d1/v3 – tgr + (D12 – d + d1)/vp

4 (a) Độ dốc đoạn thẳng đường cong x(t) cho xe chuyển động (b) Độ dốc đường x(t) cho sóng khởi hành, (c) vp/a

Cơ học động tác quay vũ đạo

Nghệ sĩ múa biểu diễn sân khấu chuyển động theo nhiều đường đa dạng đáng kinh ngạc – số duyên dáng đơn giản, số lại làm ta kinh ngạc phức tạp, khỏe mạnh Một số động tác gây xúc cảm mạnh : “Ơi chao ! Tưởng chừng làm nổi” Thật nghệ sĩ múa nhiều chuyển động cách khiến ta kinh ngạc, chí đơi cịn vi phạm định luật vật lí Bây giờ, nhận xét buộc phải phân tích

Một người chuyển động vật rắn mà kích thước hình thể khơng đổi dễ dàng đo Tuy nhiên, số động tác “từ vựng” vũ đạo mơ tả cách chặt chẽ, để giúp ta áp dụng nguyên lí học cổ điển cho vật chuyển động không gian, ảnh hưởng lực hấp dẫn lực khác

Một nhóm chuyển động đặc biệt lí thú địi hỏi quay – quay sàn, quay không trung quay quanh trục thẳng đứng, nằm ngang nằm nghiêng, quay người ta tạo ảo giác trình diễn khơng thể có Cơ sở việc phân tích quay hệ thức moment quay moment động lượng Thí dụ : người nghệ sĩ múa xoay sở với moment quay tác dụng vào thể để khởi pirueti (quay tròn người quanh thẳng đứng, với chân sàn) ? Hoặc làm để thực động tác nhảy xoay người, mà thân bắt đầu quay rời sàn ? Làm cách mà nghệ sĩ múa (hoặc nghệ sĩ trượt băng) thay đổi tốc độ quay, động lực quay nhiều vòng ?

Một nghệ sĩ múa thường bắt đầu piruet với hai chân sàn, chân trước chân (h-1) Bằng cách đẩy sang bên, theo hướng với chân hướng chân với chân kia, tạo hai lực ngược chiều tác dụng vào sàn, với khoảng cách vuông góc d chúng (h-2) lực tương ứng sàn tác dụng vào chân tạo ngẫu lực (moment quay) tác dụng vào người, làm cho thu moment động lượng Khi người nghệ sĩ đứng thẳng lên chân sang tư piruet bình thường (h-3), có chuyển động quay, toàn vẹn, mà tốc độ xác định độ lớn moment quay, độ dài lâu dài qn tính quay thân tư quay (xem p.t 12-37 12-39) Chú ý khơng có lực tổng hợp ngang, nên khơng có gia tốc dài tác dụng vào người

Độ lớn moment quay phụ thuộc vào cường độ lực lẫn khoảng cách hai chân Khoảng cách điển hình mét, nhỏ vài cm, lúc chuẩn bị “tư thứ năm”, hai bàn chân đặt gần đổi song với Trong trường hợp này, nhiều người quan sát thấy nghệ sĩ múa “xoắn với hai cánh tay, khiến chúng bắt đầu quay trước phàn cịn lại thân vươn lên hình thể piruet Sự xoắn nhằm mục đích giúp cho moment động lượng tích lũy phần quay thân – hai cánh tay – hai bàn chân cắm xuống sàn tác dụng lực vào sàn Kéo dài thời gian tác dụng moment quay, bù lại moment quay nhỏ hai chân cách xa hơn, giúp cho đạt moment quay cuối đáng kể

quay đáng kể - nhiều hai vòng giây Động tác quay kiểu Arâp hay piruet lớn, chân giang ngang phía sau, sang bên, động tác quay chậm hơn, qn tính thân hình thể lớn cách đáng kể Bằng cách thay đổi phân bố khối lượng thân trục quay, nghệ sĩ múa thay đổi vận tốc góc lúc quay Một người trượt băng, chẳng hạn, làm tăng tốc độ quay piruet cách đưa tay chân lại gần trục quay

Giả sử hai nghệ sĩ múa biểu diễn piruet theo điệu nhạc (cùng nhịp thời gian đó, gia tốc góc), người có kích thước lớn 15% Chú ý thể tích người nghệ sĩ, đó, khối lượng phụ thuộc vào lũy thừa ba kích thước dài, qn tính quay thân phụ thuộc bình phương khoảng cách từ mẫu khối lượng đến trục quay

Câu hỏi

Cần thêm bao nhêu moment lực, cho người nghệ sĩ múa to lớn hơn, so với người nhỏ bé hơn, để bắt đầu piruet ?

Nhưng bây giờ, công nhận rằng, với hình dạng tư chuẩn bị trước bắt đấu quay, khoảng cách chân nghệ sĩ to lớn lại lớn so với người 15%

Câu hỏi

Lực nằm ngang chân sàn nghệ sĩ to lớn tác dụng, phải lớn bao nhiêu, để biểu diễn piruet

Nảy sinh tình hình lí thú moment quay cần cho piruet lại tay người bạn múa tác dụng sàn Cái “piruet” “hỗ trợ” ấy, thông dụng balê cổ điển, nhiều thực ta thấy (h-4) Giả sử người nữ đứng tư piruet, chuẩn bị để quay sang phải Nếu người bạn múa cô cố gắng bắt đầu quay cách dùng tay phải kéo phía sau dùng tay trái kéo phía trước, quay, thân quay góc lớn trước moment quay có may tạo dựng nhiều moment quay động lượng

Bây giả sử trước người nam tác dụng moment quay vào eo người nữ, cô duỗi chân phải trước mặt sang trái chút (croisé, bắt chéo) Cái chân duỗi thẳng ngang có qn tính quay trục quay lớn gấp gần bốn lần qn tính quay thân mình, tư piruet, thành thử, quay, có moment động lượng đáng kể phần lại thân hướng khán giả Như khoảng thời gian mà người nam tác dụng moment quay vào eo bạn múa kéo dài đáng kể, tạo moment động lượng cuối lớn nhiều Khi mà, cuối cùng, người nữ co chân từ bên tư piruet, với bàn chân đặt vào gối trái, moment động lượng lớn chuyển từ chân vừa quay vào thân coi vật nguyên vẹn, tạo tốc đọ quay lớn hơn, so với quay mà không dùng chân quay

quay fuettê (đá chân), thường thấy vũ balê, biểu diễn động tác đó, phong cách điệu vũ tính chất học cho phép thực uyển chuyển động tác kết hợp với cách tốt đẹp Hình trình bày vòng quay loạt vòng quay fuettê Đây dạng piruet lặp, đó, lần vòng quay, nghệ sĩ múa hướng mặt phía khán giả, chân phải chuyển từ tư piruet chạm vảo đầu gối trái, phía trước, quay chân duỗi thẳng từ phía trước sang bên, lại trở đầu gối trái Trong thới gian moment động lượng quay tích lũy chân quay cho phép phần lại thân dừng lại khơng quay nữa, hướng mặt phía khán giả Quãng nghỉ nhằm hai mục đích Thứ nhất, làm cho hình dạng động tác phù hợp với phong cách vũ balê cổ điển, đó, thân thường tư “hướng về” khán giả Trong trường hợp này, phần quan trọng tổng thời gian vòng quay để dành để thân hướng khán giả vòng quay lên tiếp Thứ hai, nhịp nghỉ cho phép người múa hạ từ tư kiễng đầu chân sang tư đặt bàn chân Từ tư này, lực xoắn tác dụng vào sàn, nhờ chân trái đặt bàn chân xuống sàn tạo moment quay thay cho phần momen động lượng bị ma sát vòng quay trước

Ta tính tỉ số thời gian dành cho lúc quay mặt khán giả thời gian dành cho quay, chu trình động tác Giả sử quán tính quay thân quay với vận tốc góc , tư piruet bình thường Ib = 0,62 K.m2, lúc mà chân giang ngang quay với tốc độ quanh trục thẳng đứng, đi qua khớp nối hông Il = 2.55 K.m2 (Các số liệu này, số liệu khác đối với nghệ sĩ múa tìm “Vật lí học vũ đạo”, Kenneth Laws, Schirmer Books, 1984, tr.137) Nếu moment động lượng gần không đổi chu kì chọn vẹn động tác, chuyển hóa hai hình thể nhanh, gọn, tính tỉ số Cái chân giang pha hoạt động quay góc chừng 900, tồn thể thân phải quay đủ vòng 3600.

Câu hỏi

Hãy tính tỉ số thời gian nghỉ (chân quay) thời gian quay

Nhảy, động tác phổ biến vũ, nhảy kèm theo quay khơng thường gây cảm xúc mạnh đặc biệt Một tour jeté (tung mình, quay người) mỗt cú nhảy với quay người 1800 quanh trục gần thẳng đứng, hai chân bắt chéo không trung, lại tiếp đất chân khác với chân cất khỏi mặt đất (xem h.6) Động tác có hiệu quay xảy sau diễn viên rời sàn Liệu thân quay, để thay đổi hướng khơng trung, khơng có moment động lượng, không ?

bây giờ, sau thân Sự quay đầy đủ thực mà khơng có moment động lượng tồn phần

Các động tác piruet, piruet có hỗ trợ, fouettê, tour jeté, phần nhỏ từ vựng phong phú vũ đạo

Khi quan sát điệu vũ, tán thưởng động tác nhiều động tác khác, cách nồng nhiệt hơn, mà tán thưởng thẩm mĩ làm phong phú thêm hiểu cách làm nghệ sĩ múa, ràng buộc định luật vật lí

Một thí nghiệm

Một demi-fouetté (nửa fuettê) động tác quay với moment động lượng khơng biểu diễn hồn tồn đơn giản, chứng minh cho ngun lí trình bày phân tích tuor jeté Bắt đầu với hai tay giơ cao khỏi đầu chân trái vươn phía trước, dướn người ngón bàn chân phải, nhanh chóng quay chân trái nằm ngang sang bên trái, vịng phía sau Động tác làm cho thân mình, đầu, hai tay hai chân trụ phải quay sang phải Chân trái quay góc ? Các góc nhắc bạn momen qn tính chân quay, chân xa trục quay, so với moment qn tính phần cịn lại thân thể, giữ cho gần trục quay ?

Vì ma sát chân trụ sàn thường làm nhiễu loạn q trình này, nên có cách tốt để biểu diễn động tác nhảy lên khơng, từ vị trí đầu, mơ tả trên, thực động tác quay để tiếp đất chân ấy, sau quay

Trả lời câu hỏi

1 Nhiều chừng gấp hai lần !

2 75%

3 Chừng !

Vật Lí khơng trọng lượng

Saly K Ride nhà du hành vũ trụ tàu thoi NASA Bà giành B.S vật lí B.A tiếng anh Đại học Tổng hợp Stanford năm 1973 Ph.D vật lí Stanford, năm 1978 Sau tốt nghiệp, bà tuyển vào nhóm du hành vũ trụ Bà bay vào vũ trụ hai lần : lần phóng thứ bảy vào khơng gian (của nhóm STS-7, chuyến bay thứ hai Challenger, phóng vào tháng năm 1983), lần phóng thứ 13 (của nhóm STS-41G phóng vào tháng mười năm 1984) Năm 1986 bà bổ nhiệm vào Ủy ban điều tra tai nạn tàu vũ trụ thoi Challenger, trực thuộc Tổng thống Cho đến lúc hoàn thành việc điều tra, bà hoạt động danh nghĩa Trợ lí đặc biệt giám đốc NASA, giúp việc phát triển kế hoạch dài hạn NASA, dùng người để thăm dò vũ trụ Hiện nay, bà giáo sư vật lí giám đốc Viện Khơng Gian California thuộc trường Đại học Tổng hợp California, San Diego

rằng “cuộc bay vào vũ trụ chắn làm cho trở thành khó khăn cho người dạy khoa học” Quan điểm cô thuật ngữ “g không” gây hiểu lầm nhiều người hiểu thành “khơng có trọng lực” Đúng ra, tàu vũ trụ thoi khơng khỏi xiềng xích trọng lực Thực ra, trọng lực giữ tàu vật bên trong, quỹ đạo quanh Trái Đất Sự lẫn lộn nảy sinh nhà du hành tàu thoi “khơng có trọng lượng”, họ lơ lửng cân gắn vào sàn Họ khơng có trọng lượng khơng phải “thốt khỏi trọng lực” mà tàu thứ (kể nhà du hành cân) rơi tự Một nhà du hành vũ trụ đứng cân tàu vũ trụ thoi, nhà khoa học phạm vi Trái Đất đứng cân buồng thang máy rơi (may thay, hiếm)

Một tàu vũ trụ quỹ đạo “rơi”, theo nghĩa rơi khỏi đường thẳng mà lẽ phải theo không gian hành tinh, khơng có lực tác dụng vào Nó khơng đâm sầm vào Trái Đất, có vận tốc nằm ngang đủ để vượt “ra khỏi đường chân trời” Trong rơi mặt Trái Đất cong xa dần Về mặt lí thuyết, đặt vệ tinh lên quỹ đạo cách mặt Trái Đầt vài mét, lượng nhanh chóng bị tiêu hao sức cản khơng khí (và có lẽ tịa nhà đồi, núi nữa) Để quỹ đạo lâu vài vòng, tàu vũ trụ cần cung cấp nhiều lượng hơn, để đặt lên quỹ đạo cao phần lớn khí Trái Đất

Tàu vũ trụ thoi đua lên quỹ đạo nhờ đẩy hai tên lửa dùng nhiên liệu rắn ba động nhiên liệu lỏng : xem h-1 Tên lửa nhiên liệu rắn cháy hai phút đầu, động phóng, 8,5 phút đầu Thế đủ hợp thành lực đẩy xung để đặt tàu vũ trụ thoi vào quỹ đạo elíp gần Trái Đất (quỹ đạo xác thay đổi theo chuyến bay) Tới điểm xa (điểm viễn địa) quỹ đạo cách xa bệ phóng vịng giới, động quỹ đạo nhỏ tàu đốt cháy chừng hai phút, để cấp thêm đủ lượng, làm cho quỹ đạo thành tròn Các động quỹ đạo tắt vận tốc đắn đạt không cần động để giữ tàu quỹ đạo Trong lực lo chuyện Trong quỹ đạo điển hình cao 400km mặt Trái Đất, tàu vũ trụ có vận tốc 8km/s 90 phút để bay vòng quanh Trái Đất

Một tàu vật chứa truyền cho tốc độ đủ để quay quanh Trái Đất, trọng lực khơng gia tốc vật phía “sàn”con tàu ; gia tốc vật lẫn sàn Mọi vật tàu quỹ đạo, vật rơi quanh Trái Đất Chuyện chúng rơi nhau, hệ nguyên lí tương đương Galileo chứng minh lần Ông chứng minh (khi bỏ qua sức cản khơng khí), vật nặng vật nhẹ thả từ độ cao, chúng va vào sàn lúc Điều kiểm nghiệm nhiều lần, thường xác hơn, chưa gây xúc động thử nghiệm nhà du hành vũ trụ Dave Scott tàu Apollo 15 Anh mang búa vật nhẹ lông chim lên bề mặt Mặt Trăng (khơng có khí quyển, đó, khơng có sức cản khơng khí), đứng ngồi xe Mặt Trăng, giữ chúng cách độ dài cánh tay áo vũ trụ, để chúng rơi Chúng va vào Mặt Trăng với Nguyên lí tương đương chứng minh chuyến bay tàu thoi : vật tàu – nhà du hành, bút chì, vệ tinh, sổ tay, bít tất – rơi với tốc độ, nên chúng không chuyển động Chúng “nổi” lơ lửng

Cũng có nhiểu tác dụng sinh lí liên quan với khơng có trọng lượng Thân thể người phát triển mặt Trái Đất ; chịu nhiều thay đổi mơi trường Có lẽ thay đổi dễ thấy mặt nhà du hành phị ra.Trên Trái Đất trọng lực kéo chất lỏng thể xuống chân Trên quỹ đạo, phân bố cân chất lỏng khác đi, có xu hướng kéo phần thể Một ảnh hưởng lí thú khác nhà du hành cao thêm chừng inch quỹ đạo Vì khơng có lực kéo xuống tác dụng vào cột sống, nên đĩa xốp cột sống không bị nén lại Vì đĩa giãn ra, nên nhà du hành “lớn lên” Hiệu không vĩnh cửu, nhà du hành lại co ngắn chiều cao cũ trở Trái Đất

Trong môi trường không trọng lượng hệ tim mạch không cần hoạt hoạt động căng để bơm máu khắp thể Việc đưa máu từ chân trở về, đưa lên não dễ dàng tim mạch tính chất định Chừng mà nhà du hành vũ trụ quỹ đạo, khơng thành vấn đề, trở Trái Đất, hệ thống tim mạch, lần nữa, lại phải bơm máu chống lại trọng lực, phải trạng thái làm điều Nếu nhà du hành quỹ đạo chừng tuần, khơng phải vấn đề lớn, vấn đề quan trọng cần phải nghiên cứu đối chuyến bay xa trạm không gian, cần có nghiên cứu lớn lao, trước đưa nhà du hành lên Hỏa

Trong trạng thái khơng trọng lượng, khơng có “phương ưu tiên”, khơng có “lộn ngược” hay “lộn xi” Về phương diện sinh lí, khơng có cách phân biệt Các phần tử nhạy góp phần vào thăng ta giúp ta định hướng, nằm tai nhạy cảm trọng lực Trái Đất Nếu đầu nghiêng đi, cấu trúc giồng sợi tóc bị uốn cong gửi tín hiệu não, cho biết đầu khơng thẳng Khi khơng có trọng lượng, phần tử nhạy khơng ghi nhận sai khác định hướng khơng có thị sinh lí quen thuộc khác (chẳng hạn, chất lỏng dồn lên đầu) để cung cấp cho não manh mối định hướng thể Nhà du hành có cảm giác dù hướng hai chân Trái Đất hay hướng phía

Sự thích nghi với khơng gian bên ngồi

Con người học cách ứng xử với định luật tác dụng phản tác dụng Trái Đất, đó, họ bị neo chặt vào mặt đất Bất kì người đó, kéo để mở ngăn kéo, tác dụng cách vô thức, lực vào sàn Khi nhà du hành không bị neo mà kéo ngăn kéo, kết đáng thất vọng, lường trước xem h-2 Ngăn kéo lại không mở, nhà du hành lại chuyển động phía ngăn kéo Và nhà du hành khơng bị neo dùng mở đinh ốc để tác dụng moment vào đinh ốc, kết nhà du hành quay, ốc không quay

Các hiệu ứng lực căng mặt hiển nhiên Trái Đất : hình dáng bong bóng xà phịng, giọt nước treo đầu vòi nước mặt khum đầu cột nước dâng lên ống thủy tinh Lực căng mặt kết lực phân tử Các phân tử chất lỏng cảm nhận lực hút chúng lại với nhau, khiến cho phân tử mặt chịu lực tổng hợp nhỏ giữ chất lỏng Một cách tương tự, chất lỏng tiếp xúc với chất rắn, phân tử chất lỏng cảm nhận lực hút nhỏ lại gần phân tử mặt chất rắn

Lực căng mặt ngồi có xu hướng làm cho tỉ số điện tích thể tích chất lỏng thành cực tiểu Điều hiển nhiên, trọng lượng, lúc chất lỏng co lại thành hình cầu Trên Trái Đất, khơng thể rõ : sữa đổ đọng thành vũng sàn ; khơng có trọng lượng, sữa khơng tung toé sàn mà làm thành khối cầu lơ lửng phòng

Lực dư phân tử mặt tiếp xúc chất rắn chất lỏng, làm cho chất lỏng “dính” vào vật rắn.Chính lực căng mặt ngồi mà người ta ăn uống người bình thường (nghĩa theo kiểu đất) vũ trụ Các nhà du hành ăn hộp mở dùng thìa để đưa thức ăn vào miệng Thực ra, mẹo phải có thức ăn “quánh” Phần lớn thức ăn khử nước, đóng gói chân không hộp chất dẻo, với nắp chất dẻo mỏng Nó pha nước trở lại, cách cắm kim súng phun nước xuyên qua nắp chất dẻo, phun nước vào Mọi thức ăn (thí dụ : mì ống mát, cơc- tay tơm, súp cà chua) có phần lỏng, chúng pha nước lực căng mặt ngồi giữ chúng hộp chứa, thìa Nhà du hành cắt mở hộp súp, ăn súp thìa Cái khác thuận tiện thìa nghêng (hoặc “rơi”) súp nằm n thìa

Lực căng mặt ngồi giữ cho thức ăn pha nước thìa, giúp cho đồ lỏng khỏi bình chứa Nếu dùng cọng rơm để uống hộp, phân tử chất lỏng cảm nhận lực hút phía phân tử cọng rơm, kể phân tử bề mặt chất lỏng Lực hút vừa đủ, để trang thái không trọng lượng, chất lỏng trườn thong thả qua cọng rơm tụ tập lại thành giọt lớn – khối cầu - đầu hở cọng rơm Mọi cọng rơm tàu vũ trụ cung cấp với kẹp nhỏ để thắt kín lại giữ cho chất lỏng khỏi trèo ngồi

Chính ngun lí – vật chìm xuống vật nhẹ lên – tạo đối lưu nhiệt Trên mặt đất, phần chất lỏng chất khí bị nóng lên, hay lạnh đi, có đối lưu Một bọt khơng khí bị nung nóng nở rộng, trở thành nhẹ hơn, (trên mặt đất) lên, bọt lạnh, trở nên nặng rơi xuống Khi trọng lượng, khơng xảy đối lưu Một lần nữa, có cột khơng khí (chẳng hạn) khơng có trọng lượng nên khơng khí nóng khơng lên : bị nung nóng, giãn nỡ, yên chỗ

Một lí nghiệm lí thú chứng minh (vì lí an tồn hiển nhiên, nên chưa thực hiện) đốt que diêm thắp nến tàu vũ trụ quỹ đạo Khi ơxy khơng khí bị cháy bị cạn xung quanh lửa, khơng khí nóng lên khơng khí lạnh đến để chỗ cho để cung cấp thêm ơxy cần tiêu thụ Khơng có đối lưu, nến bị tắt nhanh

Thế giới không trọng lượng khác với giới mà quen thuộc Một vài hiệu ứng vật lí thơng thường vắng mặt, số khác lại rõ ràng đập vào mắt Như bạn tưởng tượng, mơi trường sống khơng bình thường Nó mơi trường thí nghệm độc : mơi trường cung cấp cho ta hội để thực thí nghệm vật lí, hóa học sinh lí học, điều kiện thí nghiệm

Vật Lí thể thao khí động lực học vật ném

Peter J Brancazio giáo sư vật lí Học viện Brooklyn, Trường Đại học tổng hợp City New York Ơng có học vị Ph.D vật lí thiên thể trường Đại học Tổng hợp New York năm 1966 Ông tác giả hai sách :”Bản chất vật lí ”(Macmillan 1975) khoa học thể thao (Simon & Schuster, 1984) Các viết ơng Vật lí học bóng chày, bóng đá bóng rổ xuất tạp chí : Discovery, Physics today, New – Scientist, The Physics Teacher American Journal of Physics Là vận động viên lâu năm, nhà thể thao nhiệt tình, ơng cảm thấy thoải mái ngang nhau, sân bóng rổ, lớp

Một vật chuyển động qua chất lưu phải chịu cản trở đó, chuyển động Lực chất lưu tác dụng vào vật thiết làm cho chuyển động vật bị thay đổi phần Chúng ta nghĩ lực hãm lớn vật chuyển động chất lỏng, nước chẳng hạn ; chất lưu chất khí, khơng khí chẳng hạn, ta cho lực nhỏ đến mức không ảnh hưởng thực tế vào chuyển động vật Tuy nhiên, thấy, lực mà thường gọi sức cản khơng khí khơng phải dễ dàng bỏ qua

Sức cản khơng khí biểu lực khí động lực – lực khơng khí tác dụng vào vật chuyển động (Khi vật chuyển động nước, lực gọi lực thủy động lực) Những lực quy lực động lực chúng chuyển động sinh Hơn nữa, lực tồn vật đứng yên chất lưu chuyển động, vật chuyển động chất lưu đứng yên : tức lực tạo chuyển động tương đối

nguyên lí lại vận động viên sử dụng để nâng cao thành tích họ nhiều mơn thể thao, động lực học có ảnh hưởng thực đến chuyển động nhiều vật ném dùng cho thể thao Các lực làm cho người giao bóng chày ném bóng theo đường cong, nguyên nhân cú lệch sang phải sang trái bóng bạt gơn khơng Chúng xác định kĩ thuật đặc biệt cho việc ném bóng đá, phóng lao Chúng lực chủ yếu cản trở chuyển động người trượt tuyết xuống dốc, tay đua xe đạp

Nói chung, lực lưu – động lực học tác dụng vào vật phụ thuộc kích thước, hình dạng đặc trưng bề mặt vật, vào vận tốc chất lưu Tất nhiên lực phụ thuộc vào tính chất thân chất lưu Tính chất then chốt độ nhớt chất lưu, thước đo lực cản bên chống lại chảy, tương tác phân tử chất lưu sinh Khi chất lưu tiếp xúc với mặt vật nhúng chìm, nhớt tác dụng lực ma sát hãm song song với mặt Lực nhớt tác dụng vào vật lớn hơn, chất lưu nước, so với khơng khí, nhiệt độ phịng, nước nhớt gấp chừng 40 lần khơng khí điều giải thích lội qua bể bơi nhiều công sức dọc đường phố Bản chất mặt ngồi vật chuyển động có vai trị : nói chung, mặt nhẵn lực cản nhớt nhỏ

Một vật nhúng chìm thiết tác dụng chướng ngại dòng chảy, buộc chất lưu phải đổi hướng gia tốc quanh vật Ma sát nhớt chất lưu mặt vật có xu hướng lấy lượng chất lưu Các mát lượng xuất lớp tương đối mỏng chất lưu, gọi lớp biên, nằm cạnh mặt vật Nếu chất lưu chảy chậm, mát lượng ma sát nhỏ, chất lưu lớp biên có khả tăng tốc, để giữ cho tiếp xúc với mặt vật Tuy nhiên tốc độ cao mát lượng trở nên lớn, đủ để ngăn không cho tiếp tục tiếp xúc với mặt Kết lớp biên có xu hướng tách khỏi mặt (xem h-1), tạo miền sau vật, gọi dịng đi, mà tính chất đặc trưng có áp suất thấp chuyển động xốy, hay không ổn định Trong điều kiện ấy, áp suất chất lưu mặt trước vật lớn áp suất mặt sau, kết sinh lực hãm tổng hợp Có thể giảm lực cản cách thay đổi hình dạng vật để làm cho “có hình dạng thn”, tức cách điều chỉnh đuờng chu vi cho chất lưu không rời xa khỏi mặt

Các lực sinh sức cản nhớt sức cản hình dạng đuợc phân bố tồn bề mặt vật nhúng chìm Tuy nhiên, thực tế, người ta thường cộng quy chúng hai thành phần : lực cản, tác dụng ngược với chiều chuyển động tương đối vật chất lưu, (tức đối song với vector vận tốc) lực nâng tác dụng vng góc với phương chuyển động Bất chấp tên gọi nó, lực nâng phải hiểu, lực hướng lên (chống lại trọng lực) mà lực ngang, hướng sang bên, làm cho vật bị lệch theo phương vng góc với vận tốc

Sức cản khí động lực học

thể thao – bóng chày, bóng quần vợt, chí thân vận động viên nữa, lực cản nhớt tương đối nhỏ, so với lực cản hình dáng, lực cản khí động lực biểu diễn phương trình đơn giản Xét theo khía cạnh lượng động lượng, chứng minh lực đơn vị diện tích, chất lưu tác dụng vào vật nhúng chìm tỉ lệ với đại lượng ,(trong khối lượng riêng chất lưu v tốc độ tương đối dòng chảy) Tức là, D lực cản,

Trong A diện tích hiệu dụng mặt trước vật (diện tích tiết kiệm vng góc với dịng chảy) Có thể đổi thành p.t, cách đưa vào hệ số tỉ lệ không đổi, không thứ nguyên, gọi hệ số cản CD

Hệ số cản CD có tính đến phần đóng góp tương đối lực cản nhớt lực cản hình dạng, phụ thuộc chất vật (kích thước, hình dạng nhẵn, không đặn mặt) vào đặc trưng dịng chảy Nói chung vật thn hệ số cản nhỏ – điểm quan trọng cần lưu ý thiết kế vật phải chuyển động chất lưu với tốc độ cao

Về nguyên tắc, xác định CD phép đo trực tiếp Cách làm tiêu chuẩn đặt vật (hoặc mơ hình theo tỉ lệ thích hợp) ống thổi, để lợi dụng kiện lực cản phụ thuộc vận tốc tương đối vật chất lưu Thí dụ, CD bóng chày chuyển động với 90 dặm/h đo cách lắp bóng chày đứng yên luồng gió 90 dặm/h

Tác dụng lực cản khí động lực vào chuyển động vật rơi mô tả mục 6-3 Khi vật rơi kkhơng khí, tốc độ lẫn lực cản tăng lúc lực cản trọng lượng vật Từ lúc ấy, vật đạt tốc độ cuối (xem p.t 6-19)

Môn thể thao sử dụng kiện vật rơi tiến dần tới tốc độ cuối khơng khí, mơn nhào lộn không trung Một người nhảy khỏi máy bay rơi với gia tốc giảm dần, tiến tới tốc độ cuối chừng 200 dặm/h (320 kh/m) chút Tuy nhiên, cách thay đổi hình dạng xoay hướng thân mình, lúc rơi, người nhào lộn có khả làm tăng giảm độ lớn lực cản, đó, chọn lựa cách có hiệu tốc độ cuối cách thay đổi hệ số cản diện tích mặt trước Khi giang cánh kiểu đại bàng với tay chân giang rộng, người nhào lộn không chịu lực cản lớn có tốc độ cuối thấp

nó Khi vật bị ném lên góc mặt đất, lực cản khí động lực làm chậm hai thành phần thẳng đứng thành phần nằm ngang chuyển động Do đó, độ cao cực đại quỹ đạo, tầm xa theo phương ngang bị rút ngắn lại Khi vật ném lên cao, giảm tốc nhanh so với chân khơng ; rơi, tăng tốc chậm Kết vật ném thời gian để lên tới đỉnh để xuống, tốc độ lúc tới mặt đất nhỏ tốc độ mà ném Vì thành phần nằm ngang phương ngang vận tốc giảm cách liên tục nên vật bị ném qua khoảng dài hơn, theo phương ngang, lúc lên, so với lúc xuống Do đó, q trình xuống vật bị ném vừa dốc hơn, vừa chậm hơn, so với lúc lên

Một bóng chày có tốc độ cuối chừng 95 dặm/h (153 km/h) Theo điều kiện chơi, bóng ném đập lại bị ném với tốc độ sánh được, chí lớn tốc độ cuối (chú ý tốc độ cuối tốc độ cực đại mà vật bị ném khơng khí, mà tốc độ mà vật ném đạt được, dược để rơi từ nghỉ) Do đó, rõ ràng quỹ đạo bóng chày bay bị bay đổi cách đáng kể lực cản khí động lực Một bóng chày bay điển hình có tầm xa khơng khí khoảng 60% chân không (xem h.4-14, đồ thị so sánh)

Do có kích thước lớn hình dạng khơng đối xứng, nên bóng bàu dục đặc biệt nhạy cảm với ảnh hưởng lực cản khí động lực Nếu đi, mũi đưa lên trước, bóng có tiết diện nhỏ có dạng thn với mặt rộng nằm ngang ; lực cản lớn gấp 10 lần, hướng theo mặt rộng Sự kiện xác định kĩ thuật tốt để ném bóng bàu dục cụ thể cần làm cho bị “xoắn ốc” tức bị ném, mũi trước, với quay đáng kể quanh trục dài (Sự quay tạo cho bóng moment động lượng, làm cho định hướng trục quay vững hơn, bay) Ném bóng bàu dục, với trục dài chếch ngang đường làm cho tầm xa ngắn lại nhiều Hiệu đặc biệt rõ rệt bóng đá với quay nhỏ không quay, lên mũi trước xuống, chiều rộng trước Sự đột ngột tăng lên lực cản khí động lực xảy bóng qua đỉnh quỹ đạo làm cho rơi theo đường dốc rút ngắn tầm xa cú sút Người sút bóng giỏi cố gắng làm cho bóng bị “xốy lại” (tức xốy cho mũi hướng xuống bóng xuống – kết việc sút bóng xốy) cách để làm cho xa

Các vận động viên làm giảm lực cản ?

Trong môn thể thao bơi, đua xe đạp trượt băng tốc độ - lượng chuyển động hoàn toàn vận động viên cung cấp – điều đặc biệt quan trọng giữ cho lực cản nhỏ Trong môn trượt tuyết xuống dốc, đạt tốc độ cao đến 80 dặm/h (130 km/h) lực cản khí động lực hiển nhiên lực hãm Kĩ thuật thiết bị dùng môn thể thao ấy, chừng mực lớn, nhằm làm giảm lực cản đến cực tiểu Có ba cách tếip cận để đạt mục tiêu

Chính mà người đua xe đạp gập người ghi đông, người trượt tuyết tốc độ cúi khom người tới thắt lưng giữ cánh tay quặt sau lưng ; người trượt tuyết thu thấp xuống bàn trượt, tư “quả trứng” Vận động viên bơi lội chuyển động chậm nước (tốc độ đua kỉ lục dặm/h) họ phải chịu sức cản thủy động lực quan trọng, khối lượng riêng độ nhớt tương đối cao nước Người bơi giảm diện tích hiệu dụng mặt trước nước cách đập chân lúc bơi Mục đích chủ yếu việc đập chân khơng phải để đẩy người bơi (cánh tay đập nước cung cấp chừng 75% lực đẩy người bơi) mà để giảm lực cản cách giữ cho thân nằm ngang nước

Dùng thiết bị có dạng khn Việc nghiên cứu người đua xe đạp người trượt tuyết ống thổi dẫn đến nhiều cải tiến việc thiết kế dụng cụ Người ta thấy chỗ nhơ tương đối nhỏ khóa giầy bốt, rổ (lưới) gậy ski, dây phanh, đai ốc xe đạp nguồn tạo cuộn xốy lực cản khí động lực đo Tuy tác dụng tương đối nhỏ, chúng có tầm quan trọng tay đua có trình độ quốc tế, mà phần nhỏ giây làm nên chênh lệch kẻ thắng, người bại Do thiết bị thay đổi để loại bỏ phần nhô ra, che bọc chúng lại chắn nhẵn nhụi Đầu vận động viên nguồn vài cuộn xoáy, số người trượt tuyết đua xe đạp thường đội mũ có hình giọt lệ, để tạo nhiều dịng khí thn khơng khí quanh đầu họ

Mặc áo nhẵn, che kín da thịt Quần áo mặc khơng khít làm tăng diện tích vận động viên tạo dịng xốy “Quần áo khí động lực”, nhẵn, trơn, che kín da thịt, bó sát người làm vải tổng hợp chế tạo đặc biệt trở nên quen thuộc nhiều người trượt tuyết, đua xe đạp trượt băng tốc độ Một thân có mặt ngồi nhẵn đặc biệt quan trọng đua tài bơi lội ; chẳng hạn áo bơi hợp khổ người bó sát người, làm vải không thấm nước trở nên bắt buộc Các tay bơi nam giới ngày phải cạo hết lông lộ ngồi – chí tóc họ - phương tiện để làm giảm lực cản thủy động lực

Lực nâng khí động lực

Như lưu ý trên, lực nâng thành phần tương tác vật chất lưu hướng vng góc với phương chuyển động Nói chung, lực nâng sinh tác dụng làm cho chất lưu đổi hướng chảy qua vật Nếu chất lưu thu thành phần vận tốc vng góc với phương ban đầu nó, kết tương tác với vật nhúng chìm, vật phải tác dụng lực vào chất lưu gia tốc theo phương Theo định luật Newton thứ ba (nguyên lí tác dụng phản tác dụng) chất lưu phải tác dụng vào vật lực ngược chiều Như vậy, vật làm ngoặt chất lưu sang trái, vật chịu lực đẩy sang phải Trong số tác dụng tạo lực đẩy, có (1) vật có hình dạng xoay hướng bất đối xứng dòng chất lưu ; (2) vật quay ; (3) mặt bên vật gồ ghề (tức mặt nhẵn mặt kia)

Hiệu ứng Magnus

đuôi áp xuất thấp Trên cầu quay, phía quay vào dịng khí Ở phía quay chiều này, khơng khí chở theo mặt vật làm cho tách sinh dịng xuống xa Ở phía quay ngược chiều dịng khí điểm tách (của lớp biên) bị kéo phía mặt trước Kết dịng khơng đối xứng : dịng khí bị lệch phía cầu chịu tác dụng phản lực phía đối diện (h-2) Chiều cường độ lực phụ thuộc vào tốc độ chiều quay Hiện tượng gọi hiệu ứng Magnus (do Gustav Magnus nghiên cứu năm 1850)

Hiệu ứng Magnus quen thuộc với nhìn theo trái bóng bay theo đường cong Nó có vai trị then chốt mơn thể thao, bóng chày, quần vợt, đánh gơn bóng đá Bằng cách tạo phép quay thích hợp, vận động viên làm cho bóng cong, theo hướng trọn trước Thí dụ, bóng đá sút cho điểm chạm bóng bên phải tâm – làm cho bóng quay ngược chiều kim đồng hồ, nhìn từ xuống – cong từ phải sang trái ; cú sút đặt vào bên trái tâm, bóng cong sang bên phải

Cũng nguyên lí sử dụng việc bạt bóng chày, để bóng cong Người bạt bóng tạo quay cho bóng cách vặn cổ tay vào lúc bạt bóng Tuy nhiên cấu tạo cánh tay người phương diện giải phẫu lại làm cho việc vặn cổ tay theo hướng lại mềm mại theo hướng

Chính mà người bạt bóng thuận tay phải, làm cho bóng bay ngược chiều kim đồng cho quay theo chiều kim đồng hồ (khi nhìn từ xuống) ; điều trái lại, cho người thuận tay trái Quả bóng cong người thuận tay phải chuyển động từ bên phải sang bên trái (cong xa khỏi người thuận tay phải) Để làm cho bóng cong từ trái sang phải (quả bạt thường gọi “bóng xốy”) vặn cổ tay theo chiều “sai” Ít người chơi bóng chày thuận tay phải thực bạt cách có hiệu Như vậy, hiệu ứng Magnus, kết hợp với trớ trêu giải phẫu người làm sở cho thao tác tổ hợp đa dạng người phát bóng đập bóng chày, thuận tay trái, thuận tay phải, điểm chủ chốt chiến lược đánh bóng chày

Một bóng chày bị bạt thiết phải quỹ đạo cong, khơng quay : lực, cong xuống theo đường parapol Một bóng chày ném ngang, với tốc độ 85 dặm/h (137 km/h) rơi chừng (1,1m) khoảng cách từ tay người bạt bóng đến bảng đích Người giao bóng tăng giảm đoạn rơi thẳng đứng cách cho bóng quay thích hợp Nếu bóng ném cho quay đằng đầu (đầu bóng hướng người bạt bóng) lực đẩy tác dụng hướng xuống đường ném cong nhiều bình thường (đường ném gọi đường cong cao vai) Nếu bóng buông quay ngược (bằng cách quay đầu ngón tay, lúc vặn cổ tay xuống) lực đẩy tác dụng hướng lên, chống lại trọng lực Đó bóng “đi lên” ; nhiên, bóng khơng thật lên, bay – sức người không tạo phép quay đủ làm cho lực đẩy lên thắng trọng lượng bóng chày – mà bóng khơng rơi nhiều chịu tác dụng riêng trọng lực, nên cho ta ảo giác lên

hướng làm ngắn lại Giao bóng mạnh, cho qua lưới, rơi vào khu giao bóng, mà khơng cho quay đằng đầu, điều khó khăn

Sự kiện, quay ngược làm kéo dài đường bay bóng đặc biệt thuận lợi cho người chơi gơn Một bóng bạt tốt phải làm cho bóng quay ngược mạnh : nhờ đường soi nằm ngang, mặt nghiêng đầu gậy đánh bóng mà làm điều Vì có lực nâng tạo quay ngược, nên quỹ đạo bóng gơn bị bạt khác xa với đường parapol Các góc tối ưu có xu hướng trở thành nhỏ 450 độ nhiều (thường 200 300) ; trọng lực ngược hướng lực nâng nên bóng phóng theo phương nằm ngang hơn, với khoảng cách lớn Tuy nhiên, mặt gậy khơng đập thẳng vào bóng, mà chếch sang phải sang trái, bóng quay bên Kiểu quay làm cho bóng bay cong sang trái sang phải Đối với người chơi gơn trung bình, góc mặt gậy lúc chạm bóng đơi làm đủ điểm khác birdie bogie

Âm học phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật?

John S Rigden nhận học vị Ph D Trường Đại học Tổng hợp Johns Hopkins năm 1960 Sau làm cơng trình tiến sĩ Trường Đại học Harvard, ông giữ nhiều chức vụ học thuật Trường Đại học Eastern Nazarene, Trường Đại học Middlebury Trường Đại học Tổng hợp St Louis Missouri Ông vừa chuyển từ Viện Vật lí Hoa kì , nơi ơng giám đốc chương trình vật lí, sang Viện Hàn lâm khoa học quốc gia để giữ chức Giám đốc quan Phát triển dự án vế trình độ Giáo dục khoa học quốc gia Ơng nguyên chủ bút American Journal of Phisys (1978 - 1988) tác giả Vật lí âm âm nhạc (Wiley 1977, tái năm 1985) Gần ông viết xong tiểu sử cuối nhà vật lí Hoa kì có tên tuổi, I Irabi : Rabi, nhà khoa học người công dân (Basic Books, 1987)

Tối hôm 18 tháng 10 năm 1976, nhạc công Dàn nhạc giao hưởng New York so dây đàn họ, thân họ sẵn sàng cho buổi hòa nhạc khác thường Khung cảnh Đại sảnh Avery Fisher Lincoln Center (trung tâm Lincoln), tên phòng hịa nhạc có q khứ sóng gió

Đại sảnh giao hưởng (Philharmonic Hall) khai trương năm 1962, mong đợi cao độ (h.1) Một nhà âm học lỗi lạc Hoa Kì, Leo L Branek làm việc với kiến trúc sư thiềt kế đại sảnh Nhưng bắt đầu, có vấn đề : người biểu diễn sân khấu nghe thấy phận khác ban nhạc ; bè trầm nghe yếu người ngồi sảnh ; người ta nghe rõ tiếng vọng từ tường sau ; thính giả khơng thể nghe hết thứ mà dàn nhạc trình tấu Trong thời kì 1964 – 1972, có nhiều cố gắng để cải thiện tình hình, cố gắng đểu thất bại

Vì đại sảnh phải sẵn sàng trước mùa thu, nên công việc phải tiến hành suốt mùa hè năm 1976 với tốc độ chóng mặt Harris, đầu đội mũ bảo hộ lao động giám sát bước Tất sẵn sàng cho ngày 19 tháng mười, ngày mở đầu cho buổi hòa nhạc mới, ngày 18 tháng mười, buổi hòa nhạc đặc biệt trình tấu đại sảnh vừa thiết kế Đây buổi hòa nhạc khác thường, thính giả buổi mời cách đặt biệt : họ gồm công nhân xây dựng, người chủ thầu thầu phụ, kiến trúc sư, người làm việc tân tình suốt mùa hè Các nhà phê bình âm nhạc khơng mời, họ mị đến Khi ban nhạc trình tấu xong bốn khúc đoạn Bản giao hưởng số chín Mahler, nhà phê bình có ấn tượng tốt đẹp ; nhạc sĩ hoan hỉ người công nhân xây dựng vui sướng tự hào

Sự hồn chỉnh hiệu cho phịng Hịa Nhạc

Isaac Stern nghệ sĩ viôlông cỡ quốc tế Thế ông bước lên sân khấu phịng hịa nhạc tốt, phịng hịa nhạc lại trở thành công cụ bổ sung mà ông sử dụng để làm tăng thêm hiệu trình tấu âm nhạc ơng Phịng hồ nhạc khơng phải rào chắn thụ động cho khu vực trình tấu âm nhạc ; thế, thành viên tham gia tích cực việc truyền cảm diễn suất người nghệ sĩ tới người thưởng thức chăm lắng nghe

Sóng âm, cầu nối người diễn tấu thính giả, mang theo lượng Nếu nguồn âm dây đàn viôlông rung với họa ba họa ba bậc cao, dao động áp suất với số có dây đàn khơng khí xung quanh chuyển từ đàn viơlơng Các sóng áp suất dọc truyền lượng âm từ nguồn xa

Một sóng âm đến gần cửa sổ mở, tới cửa, tải lượng từ bên chức nguồn cửa sổ sang miền bên Một cửa sổ mở vật hấp thụ hồn hảo : hấp thụ tồn lượng âm tới Tình hình lại khác hẳn nguồn âm bao quanh mặt phản xạ, trường hợp phòng hòa nhạc ; sóng âm đập vào tường phản xạ trở lại vào buồng, truyền qua buồng lúc gặp mặt khác lại bị phản xạ nhiều lần ; Nếu nguồn âm tỏa lượng vào buồng với tốc độ xác định, cường độ âm tăng nhanh không gian bị bao kín lúc đạt đến cường độ cân Một phần lượng tới bị hấp thụ lần phản xạ mức cường độ cân đạt tốc độ hấp thụ lượng tất mặt lộ tốc độ mà nguồn tỏa lượng vào khu vực khép kín

Âm đạt đến mức cân giảm xuống từ mức cân Nếu nguồn âm ngừng phát, âm trực tiếp đến từ nguồn tắt trước người nghe cảm thấy mức âm sụt đột ngột Sau tốc độ suy giảm âm chậm lại chút, lúc sóng âm cuối chịu lần phản xạ tới tai người nghe Âm kéo lê theo hàm mũ, sóng âm phản xạ nhiều lần, ngày yếu dần tới tai người nghe

Thời gian vang

Thời gian cần thiết để mức âm đạt đến, giảm xuống từ giá trị cân gọi thời gian vang đặc trưng âm học quan trọng phịng hịa nhạc Nói cách xác, thời gian vang định nghĩa thời gian cần thiết để cường độ âm (w/m2) tăng lên, giảm đi triệu lần Nếu thời gian vang ngắn, nốt nhạc nghe thấy riêng biệt nốt một, âm nhạc nghe chán Nếu trái lại, thời gian vang dài, âm từ nốt trước va đụng với nốt chơi, chẳn hạn, thời gian vang tốt nhạc giao hưởng chừng 2s Symphony Hall Boston, phòng hòa nhạc tốt có thời gian vang 1,8s, lúc đầy thính giả (h-2) Nhà Musikvereinssaa Viên, phịng hịa nhạc ưu việt khác có thời gian vang 2,05s (đầy thính giả)

Thời gian vang phụ thuộc thể tích phòng hòa nhạc chất mặt phản xạ Thể tích lớn, âm thanh, truyền khơng khí với chừng 345m/s, nhiều thới gian để vượt khoảng cách tường phản xạ âm nhiều thời gian để đạt đến mức cân Thể tích Symphony Hall 61.496 m3 Thể tích Carnegie Hall thàng phố NewYork, lớn hơn, 79160 m3 mà thời gian vang nó, 1,7s lại ikém thời gian vang Symphony Hall Boston Sự lệch tính chất mặt phản xạ Khi mặt phản xạ lộ với sóng âm có độ hấp thụ cao, tốc độ hấp thu lượng mặt nhanh chóng trở lại tốc độ sản sinh lượng nguồn, đó, thời gian vang nhỏ Như vậy, ta hiểu Isaac Stern muốn ngụ ý gì, ơng nói Carnegie dùng để diễn tập làm thính sảnh Vì tính chất hấp thụ người tương đương với 0,5m2 cửa sổ mở, nên thời gian vang phòg hòa nhạc dài thêm có thính giả (chính mà thời gian vang đo lúc đầy người nghe Hơn nữa, lí phần lớc phịng hịa nhạc có tủ cho thính giả treo áo rét khốc ngồi, thứ hấp thụ mạnh.)

Giữ tiếng ồn ngồi phịng hồ nhạc

nhạc, tần số thấp tường sẵn sàng hưởng ứng, âm thấp truyền dễ dàng vào tịa nhà

Phịng hịa nhạc đựơc sưởi ấm, làm lạnh Thế có nghĩa máy móc phải sinh khơng khí nóng lạnh ; quạt phải lùa khơng khí ống dẫn phải chuyển khơng khí Thiết bị khí khơng khí chuyển động nguồn gây tiếng ồn Máy móc phải đặt nhà tách biệt, ống dẫn phải lót vật liệu hấp thụ âm Những chỗ cong mạnh, chỗ nối không nhẵn, vật cản ống phải loại trừ chúng làm cho khơng khí qua ống bị chuyển động cuộn xốy Khơng khí cuộn xốy đặc biệt ổn

Một cố vấn âm nói tình trạng tai hại tiềm tàng ống dẫn khơng khí Khi ơng đến thăm công trường xây dựng ông nhận thấy ống dẫn bị hạ thấp vài cm để dùng xà nhà làm giá đỡ cho chúng Sự tiếp xúc ống dẫn xà nhà phòng hòa nhạc phối hợp tiếng ồn thân ông dẫn với thân tòa kiến trúc May thay, nhà âm học có sữa chữa kịp thời trước trần, làm xong, che khuất vấn đề khỏi nhìn

Giả sử âm xung quanh, từ nguồn nguồn sinh ra,đều mức phòng ngủ nhà trang trại, đêm vắng, nhạc trưởng sử dụng toàn dải âm lượng cùa dàn nhạc từ giai điệu forte fortissimo ồn đến giai điệu pianissimo êm nhẹ nhất, chí giai điệu du dương nhẹ nhành nghe rõ Hơn nữa, thời gian vang phòng hịa nhạc, lúc n tĩnh tốt, thí nghiệm để nghe có khán giả bị hỏng, thiết kế âm phịng có sai sót ; vả chăng, người trình diễn tấu khốn khổ, người huy dàn nhạc mời đến sẻ không dạt mong chờ, người lãnh đạo dàn nhạc tránh không ghi vào danh mục buổi diên tấu sau dàn nhạc họ, thính sãnh có vấn đề

Các phịng hịa nhạc hoan nghênh nhà phê bình, nhạc sĩ thính giả có hình dạng khác : (chữ nhật, hình quạt, hình móng ngựa) chúng có chung số phẩm chất phịng tiếng có thời gian vang khoảng 1,7 – 2,0s Quan trọng ngang thời gian vang, phẩm chất gọi độ thân mật, xác định khoảng thời gian trễ ban đầu Khoảng lớn, bầu khơng khí âm nhạc thân mật

Phạm vi khoảng thời gian trễ ban đầu từ 10 đến 70ms, phịng hịa nhạc tốt, nhỏ 40ms

Sóng dừng

Sóng dừng tạo lập phòng hòa nhạc

số nguyên đơn giản nhau, tránh tường nhẵn, song song Những chỗ gồ ghề (mấp mô) tường trần làm giảm khả tạo sóng dừng trội, mà cịn tán xạ sóng âm nhiều hướng góp phần vào tán xạ âm mong muốn (h-3)

Phòg hịa nhảc kiến trúc ba chiều sóng âm phản xạ theo hướng đó, có hàng nghìn mốt chuẩn Một âm đơn vĩ cầm phát kích thích hàng trăm mốt chuẩn phòng hòa nhạc : nguời hát khai thác mốt chuẩn phịng hịa nhạc để đạt âm vực động lực học cao hơn, số nốt nhạc Như sóng dừng nét đặc trưng quang trọng phòng hòa nhạc : lượng âm bị bắt gọn nhiều mốt dao động chuẩn góp phần vào âm vang lại

Khoa học nghệ thuật

Mặc dầu khối lượng kiến thức âm ngày tăng, buổi hòa nhạc phòng hòa nhạc xây dựng chờ đợi với tất dự đốn chắn lẫn khơng chắn Điều làm nảy sinh câu hỏi : âm học khoa học hay nghệ thuật ? Nhiều huyền thoại chất lượng âm phòng hòa nhạc tăng thêm ý nghĩa câu hỏi Có ý kiến thịnh hành chất lượng âm phòng hòa nhạc cải thiện dần theo tuối thọ (ý khơng đúng) ; có xu hướng đồng nét đặc trưng bật, vật trang trí mạ vàng, tượng phòng hòa nhạc lớn nguyên nhân chất lượng âm tốt (khơng phải thế) ; có ý kiến huyền người xưa nắm bí nguyên lí âm thanh, nguyên lí mà người ngày khơng biết, tìm lại ngun lí bị đó, phịng hịa nhạc cải thiện cách rộng rãi (thực ra, người xưa làm có hiểu biết sâu sắc, bí mật âm học)

Hào quang tốt bí mật xung quanh đề tài âm học lại tôn thêm kiện là, âm học, theo nghĩa đó, lại ngành lâu năm vật lí Xét cho cùng, âm học có vai trị quan trọng việc thiết kế định vị trí nhà hát ngồi trời, người Hi lạp người La mã sử dụng Theo nghĩa khác, khoa học âm lại trẻ : khoảng năm 1900 nghiên cứu vế âm áp dụng cách có hệ thống vào việc thiết kế phịng hịa nhạc Thậm chí ngày nay, lời khuyên nhà âm học luôn nghe theo

Vào thời gian Cabrieli biểu diễn Venise, nhiều phát triển diễn Italia Những nhà thờ nhỏ hình chữ nhật với trần xây cao kề với nhà thờ lớn Điểm đặc trưng thời kì ấy, tường trang trí, có nhiều chi tiết điêu khắc phong phú Những bề mặt trang trí vật tán xạ âm có hiệu lực với tần số thời gian vang ngắn 1,5s – nhà thờ nhỏ khuyến khích phát triển nhiều hình thức âm nhạc mở đầu thời kì Baroque George FrederickHandel viết phần lớn nhạc ông cho môi trườngnhư Những môi trường nhỏ hơn, thân mật nâng cao kinh nghiệm nghe nhạc lên nhiều (h-4)

Với môi trường âm cải tiến, thành tựu âm nhạc trở nên đại chúng Cần có kiến trúc to lớn dể thỏa mãn yêu câu công chúng háo hức Âm nhạc thời kì cổ điển – giao hưởng Josef Haydn, Wolfgang Ămadeus Mozart Ludwig van Beethoven – trình tấu tốt phịng hịa nhạc lớn hơn, thời gian vang từ 1,5 đến 1,7s Thời kì lãng mạn theo sau thời kì cổ điển âm nhạc Johames Brahms, Peter Ilyitch Tchaikovsky, Maurice Ravel Richard Strauss chí cịn phát triển mạnh môi trường rộng lớn hơn, với thời gian vang từ 1,8 – 2,2s

Thiết kế tương lai phịng hịa nhạc khai thác, khơng vật liệu phương pháp xây dựng mới, mà khai thác việc sử dụng cải tiến điện tử sử dụng qua khứ lời dẫn, tin rằng, mà phịng hịa nhạc thay đổi, nhà soạn nhạc sáng tác nhiều phong cách âm nhạc mới, phù hợp, mà làm bật nhờ phòng nhạc

Sự sôi hiệu ứng Leidenfrost

Jeark Walker giáo sư vật lí trường đại học quốc gia Cleveland Ơng tốt nghiệp cử nhân vật lí MIT tiến sĩ vật lí trường đại học tổng hợp Maryland Từ 1977 – 1990 ông hướng dẫn “các nhà khoa học nghiệp dư” khoa học Mĩ Cuốn sách ơng Xiếc bay vật lí với câu hỏi xuất 10 thứ tiếng

Nước sơi ! Đó thường gặp nên có lẽ bạn chẳng ý chút đến tính chất Một số tính chất quan trong ứng dụng cơng nghiệp, số tính chất khác lại dùng sở cho ảo thuật nguy hiểm thực người liều lĩnh buổi trình diễn lễ hội hóa trang

nước liên tục trộn lẫn đối lưu làm nước nóng sơi lên, nước lạnh chìm xuống

Nếu bạn tiếp tục làm tăng nhiệt độ xoong lớp nước đáy bắt đầu bay hơi, phân tử nước tập hợp bọt nhỏ đường sước lúc khô, giai đoạn sôi thể tiếng “bục” reo “sùng sục” Nước reo lên khơng hài lịng bị nung nóng Mỗi bọt nước dãn lên phía vùng nước lạnh chút xíu, bọt xẹp xuống bị ngưng tụ Mỗi lần xẹp lại phát âm tiếng réo mà bạn nghe thấy Khi nhiệt độ khối nước tăng lên, bọt không xẹp đến khỏi đường sước đáy nồi lên phần tới mặt nước Giai đoạn sôi đặt tên “bọt nước lập” hình

Nếu bạn tiếp tục tăng nhiệt độ xoong lên nữa, tiếng reo bọt bị vỡ (xẹp) lúc đầu nghe to sau hẳn Tiếng reo bé khối lỏng đủ nóng để bọt đạt tới mặt nước, chúng vỡ làm tóe nước chút Nước hồn tồn sơi

Nếu nguồn nhiệt bạn bếp lị câu chuyện dừng lại Tuy nhiên với lị phịng thí nghiệm, bạn tăng tiếp tục nhiệt độ xoong Những bọt tiếp tục trở nên nhiều rời khỏi đường sước nhiều chúng dính với tạo thành cột vùng vẫy hỗn độn mãnh liệt lên phía trên, gặp “đám” thoát từ trước

Sự sản sinh bọt cột gọi sơi theo tâm việc tạo thành lớn lên bọt khí tùy thuộc vào đường sước đáy xoong dùng làm tâm sơi (nơi hình thành bọt) Khi bạn tăng nhiệt độ xoong tốc độ truyền nhiệt cho nước tăng Nếu bạn tiếp tục nâng nhiệt độ xoong giai đoạn tạo thành cột đám sơi chuyển sang giai đoạn gọi chế độ chuyển tiếp Tiếp theo tăng nhiệt độ xoong lại làm giảm tốc độ truyền nhiệt cho nước Sự giảm khơng phải nghịch lí Trong chế độ chuyển tiếp phần lớn đáy xoong bị bao phủ lớp Vì nước dẫn nhiệt độ dẫn nhiệt nước khoảng bậc, nên truyền nhiệt cho nước bị giảm Xoong nóng tiếp xúc trực tiếp nước đáy xoong giảm truyền nhiệt kượng Tình nguy hiểm bình trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ chuyển nhiệt từ vật nóng Nếu nước bình trao đổi nhiệt để chuyển sang chế độ chuyển tiếp vật bị đun nhiệt tới mức bị phá huỷ truyền nhiệt lượng từ bị giảm Giả thiết bạn tiếp tục nâng nhiệt độ xoong lên Cuối tồn đáy xoong bị phủ lớp nước – nhiệt lượng chuyển chậm chạp cho nước phía xạ dẫn nhiệt Giai đoạn gọi “sự sôi màng”

Để nghiên cứu trình diễn người, tơi chuẩn bị kim loại phẳng để nung bếp phịng thí nghiệm Trong điều khiển nhiệt độ với cặp nhiệt điện, cẩn thận nhỏ giọt nước cất từ ống tiêm Giọt nước rơi vào vết lõm tạo búa bi, ống tiêm cho phép nhỏ giọt nước Mỗi lần nhỏ giọt nước, tơi lại đếm thời gian tồn Sau tơi vẽ đồ thị thời gian tồn giọt theo nhiệt độ (h-2)

Đồ thị có đỉnh Khi mhiệt độ 100 chừng 2000C, giọt nước trải mặt thành lớp mỏng bay nhanh Khi nhiệt độ khoảng 2000C giọt nước nhỏ gộp lại tồn tới hàng phút Khi nhiệt độ cao giọt nước gộp lại không tồn lâu Thí nhiệm tương tự nước máy cho đồ thị có đỉnh tù hơn, có lẽ hạt bụi lơ lửng giọt nước phá thủng lớp nước, dẫn nhiệt vào giọt nước

Sự kiện giọt nước tồn lâu nhỏ kim loại nhiệt độ cao nhiệt độ sôi nước lần Hermann Boerhaave phát năm 1732 Nó khơng nghiên cứu nhiều năm 1756, Johann Gottlieb Leidenfrot công bố : “Bàn số tính chất nước thường” Vì cơng trình Leidenfrot đến năm 1965 không dịch từ tiếng Latinh nên chưa nhiều người đọc Tuy nhiên tên ông ngày gắn với tượng Hơn nữa, nhiệt độ ứng với đỉnh đồ thị làm gọi điểm Leidenfrot

Leidenfrot tiến hành thí nghiệm thìa sắt nung đỏ lửa lò sưởi Sau nhỏ giọt nước vào thìa ơng đếm thời gian tồn theo nhịp lắc Ơng nhận thấy nước rút ánh sáng nhiệt từ thìa để lại vết sẫm so với phần lại thìa Giọt thứ thìa kéo dài 30s, giọt kéo dài 10s giọt nước kéo dài vài giây

Leidenfrot hiểu sai chứng minh ơng khơng nhận thức giọt nước kéo dài lâu sôi thực Tôi giải thích theo thí nghiệm tơi Khi nhiệt độ kim loại thấp điểm Leidenfrot, nước trải dẫn nhiệt nhanh khỏi làm cho bay hồn tồn vài giây Khi nhiệt độ ao điểm Leidenfrot, mặt giọt nước nhỏ bị bay tức khắc, áp suất khí lớp ngăn cản phần lại giọt nước, khơng cho tiếp xúc với (h-3) Lớp che chở đỡ lấy giọt nước phút sau Lớp bổ sung nhờ nước bốc thêm từ mặt giọt nước xạ dẫn nhiệt qua lớp từ kim loại Tuy lớp có chiều dày bé 0,1mm gần biên giới phía ngồi khoảng 0,2mm tâm, làm chậm đáng kể q trình bay nước

Tôi cưỡng lại ý định thử nghiệm cách giải thích tơi Bằng lị phịng thí nghệm tơi đun chảy thỏi chì chén nung Tơi đun nóng chì tới nhệt độ 4000C, cao nhiệt độ nóng chảy 3280C Sau khi dùng nước máy làm ướt tay, chuẩn bị sờ vào mặt chì nóng chảy Tơi phải thú nhận tơi có trợ lí đứng sẵn sàng với dụng cụ sơ cứu Tôi phải thú nhận vài lần thử nghiệm thất bại óc tơi khơng cho phép làm thí nghiệm nực cười nên ln hướng ngón tay tơi trệch khỏi chì nóng chảy

Cuối thắng sợ hãi chạm nhanh vào chì, tơi kinh ngạc Tơi cảm thấy khơng nóng Đúng tơi đốn, phần nước ngón tay bốc hơi, tạo lớp bảo vệ Vì tiếp xúc ngắn nên xạ dẫn nhiệt qua lớp không đủ để nâng nhiệt độ da thịt lên cách đáng kể Sau làm ướt bàn tay, tơi nhúng tất ngón tay vào chì cho chạm đáy nồi đun (xem ảnh) Sự tiếp xúc với chì cịn q ngắn để làm bỏng tay Rõ ràng là, hiệu ứng Leidenfrot, hay nói xác hơn, có mặt sơi màng, bảo vệ ngón tay tơi

Tơi cịn boăn khoăn giải thích Liệu tơi cho ngón tay khơ vào chì mà khơng bị bỏng khơng ? Vứt bỏ suy nghĩ hợp lí, tơi thử ln, nhận điên rồ vết đau lan nhanh qua ngón tay Sau tơi thử với Weiner khơ nhúng vào chì nóng chảy vài giây Da Weiner bị đen nhanh Nó khơng bảo vệ sơi màng giống ngón tay khơ tơi

Tơi phải lưu ý rằng, nhúng ngón tay vào chì nóng chảy có số nguy hiểm thực Nếu chì nóng cao nhiệt độ nóng chảy nước bốc nhiệt sinh làm đơng đặc chì quanh ngón tay Nếu tơi kéo tay với bao tay chì bị nóng cứng từ thùng chứa tiếp xúc với ngón tay tơi thời gian lâu, hồn tồn làm cho ngón tay bỏng nặng Tôi đương đầu với khả chì bắn kên đổ Thêm vào có nguy hiểm lớn có nhiều nước ngón tay Khi có nhiều nước bốc nhanh chóng, nước thổi chì nóng chảy xung quanh nghiêm trọng vào mắt Tôi mang bao tay mặt vết sẹo từ bốc nổ Bạn chẳng nên lặp lại trình diễn làm Sự sơi màng thấy nitơ lỏng bị đổ Những giọt cầu bị hợp lại với chúng trượt sàn, chất lỏng nhiệt độ khoảng –2000C Khi chất lỏng bị đổ tiếp xúc với sàn mặt chất lỏng tồn thời gian đáng kinh ngạc

Tôi nghe kể xảo thuật người trình diễn rót nitơ lỏng vào mồm mà khơng bị bỏng nhiệt độ q thấp Chất lỏng sôi màng mặt nó, khơng trực tiếp tiếp xúc với mồm Cũng lại điên rồ, tơi lặp lại trình diễn Hàng chục lần, xảo thuật tiến hành yên ổn hấp dẫn Với cầu lớn nitơ mồm, tập trung không nuốt thở Độ ẩm thở lạnh ngưng tụ lại tạo thành đám lông tơ khủng khiếp kéo dài hàng mét từ mồm Tuy nhiên lần thử cuối tôi, chất lỏng làm hai cửa co lại lạnh, nghiêm trọng tới mức men bị nứt đường đồ Nha sĩ tơi thuyết phục tơi ngừng trình diễn

kích động vơ nghĩa, chẳng hạn nói bảo vệ khỏi bị cháy bỏng “ý chí thắng vật chất” mang lại Thực tế vật lí bảo vệ bàn chân, chơi có hiệu Sự kiện đặc biệt quan trọng bề mặt than hồn tồn nóng, lại chứa lượng cách đáng ngạc nhiên Nếu người trình diễn với bước vừa phải thời gian chân tiếp xúc ngắn đến mức chân dẫn nhiệt lượng nhỏ từ than Dĩ nhiên, châm dễ bị bỏng tiếp xúc lâu cho phép nhiệt lượng dẫn tới bàn chân từ lớp bên than

Nếu chân làm ẩm từ trước bộ, chất lỏng giúp bảo vệ chúng Để làm ướt chân, người trình diễn bước cỏ ướt trước bước lên than hồng Cũng chân dẫm mồ nhiệt lượng than hoăc kích thích buổi trình diễn Khi mà người trình diễn than, số nhiệt luợng làm bay chất lỏng chân, để nhiệt lượng dẫn tới da thịt Thêm vào đó, điểm tiếp xúc mà chất lỏng bị sơi màng, tạo nên bảo vệ ngắn khỏi than

Tôi than hồng năm lần Trong bốn lần sợ chân đổ mồ hôi Tuy nhiên lần thứ năm, cẩn thận để chân khô Những vết bỏng chịu đựng làm đau dội mạnh mẽ Chân không lành nhiều tuần lễ

Thất bại tơi khơng có sơi màng chân, tơi bỏ qua yếu tố an tồn phụ Trong ngày khác, tơi thận trọng giữ lấy sách lần xuất trước lồng ngực tôi qua than hồng chổ dựa lòng tin vào vật lí Hởi ơi, tơi qn sách đó,trong ngày tơi bị bỏng nặng

Tơi tranh luận lâu chương trình “mức độ tin tưởng” phải dùng “đi lửa” kiểm tra cuối Người chủ trị chương trình chờ phía bên đống than hồng “thí sinh mức độ” buộc phải qua than Nếu lịng tin thí sinh vật lí đủ mạnh, để chân khơng thiệt hại gì, người chủ trị trao tay cho thí sinh chứng tốt nghiệp Thử nghiệm biểu lộ rõ thật nhiều so với thi cuối truyền thống

Phải tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu

Barbara Goss Levi thành viên lớn tuổi ban biên tập “Vật lí ngày nay” Bà tốt nghiệp đại học Carleton College (1965) tiến sĩ trường đại học Stabford (1971) vật lí hạt Cùng với việc dạy học ( Geogiatech Rutgerd) viết sách báo vật lí, bà làm việc trường đại họcPrinceton vấn đề bảo toàn lượng kỉểm sốt vũ khí Tiến sĩ Levi hội viên Hội vật lí Mĩ, hội viên hội Vì tiến khoa học Bà đồng tác giả “Sự ấm toàn cầu” Vật lí kiện, Viện vật lí Mĩ xuất năm 1992

hành giảm bớt việc sản xuất carbon diocid hay chưa ? Ta phải thận trọng lẽ nhiều biện pháp tác động đến cá nhân bạn Carbon diocid mà văn minh đưa thêm vào bầu khí đốt cháy nhiên liệu hóa thạch : than, dầu khí Các chất đốt dùng nhà máy điện cung cấp lượng cho xe ôtô Sẽ đến ngày bạn phải chọn khí hậu ơtơ Trước người xuất hiện, bầu khí Trái Đất có sẵn carbon diocid, carbon diocid với nước vài loại khí khác bầu khí làm cho Trái Đất ấm dễ chịu so với khơng có Nền văm minh hàng năm đưa thêm vào khoảng 22 tỉ carbon diocid phần lớn khí carbon diocid tồn chừng 50 – 200 năm Kết quả, nhiều nhà khoa học đồng ý : Trái Đất ấm dần lên Tuy nhiên, họ chưa biết chắn nhiệt độ tăng mức độ nhanh chậm ? Nhiệt độ toàn cầu có lẽ tăng từ 0,3 đến 0,60C 100 năm gần đây, khơng chứng minh mà khơng cịn e ngại carbon diocid có thực ngun nhân hay khơng

Khí hậu hệ phức tạp đến mức làm cho việc tiên đoán chắn địi hỏi nhiều mẫu máy tính thơng minh Dẫu sao, điều dễ hiểu chế mà carbon diocid làm ấm Trái Đất Trong tiểu luận cố gắng hiểu xác sở mẫu đơn giản với nhân tố phương trình xác định nhiệt độ Trái Đất ta biết Điều rút giúp hiểu tăng carbon diocid tác động đến nhiệt độ

Nhiệt độ Trái Đất quy định nhiều xạ mặt Trời mà nhận Mặt Trời cụng tất vật nóng khác chẳng hạn gỗ cháy âm ỉ, bóng điện dây cháy đỏ, xạ nhiệt lượng dạng sóng điện từ Với mục đích ta đây, bạn cần biết sóng điện từ dạng chuyển động sóng sóng mang theo lượng cường độ xạ I phát từ vật phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vật đó, tuân theo hệ thức, gọi định luật Stefan – Botzmann

(1)

trong I cơng suất xạ (tinh theo oát) phát từ 1m2 diện tích vật có nhiệt độ T (K) Hai số có phương trình gọi số Stefan – Botzmann (5,67.10-8 W/m2K4) số phát xạ vật xạ, tức khả phát xạ Với vật xạ lí tưởng = với vật khác < Hãy ý phụ thuộc mạnh công suất xạ vào nhiệt độ Một vật có nhiệt độ lớn gấp đôi xạ nhiều lượng gấp 16 lần thời gian

Bài toán

ngày ấm lên Để Trái Đất (cũng vật khác) giữ nhiệt độ cân tốc độ hấp thu lượng Trái Đất phải tốc độ xạ lượng từ Trái Đất ngồi Chính nguyên lí cân lượng xác định nhiệt độ Trái Đất

Hằng số Mặt Trời cho ta biết công suất xạ Mặt Trời rọi xuống đơn vị diện tích Để tìm xạ bị Trái Đất chặn lại, ta phải nhân số Mặt Trời với diện tích hình chiếu bề mặt Trái Đất Hình chiếu vịng trịn có diện tích Khơng phải tất cơng suất xạ Mặt Trời Trái Đất hấp thụ : phép đo cho thấy, có chừng 30% ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ trở lại vào không gian Hệ số phản xạ gọi anbêdô ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ Phần Trái Đất hấp thụ (1 - )

Công suất xạ Trái Đất cường độ tính theo định luật Stefan – Botzmann nhân với diện tích Trái Đất Trong phép tính tốn này, ta giả thiết độ phát xạ Trái Đất

Cân công suất xạ Mặt Trời tới với công suất xạ Trái Đất ta thu :

(2) hay

(3) Giải để tính ta :

(4)

Nhiệt độ thực tế xấp xỉ nhiệt độ mà vệ tinh đo phía ngồi khí Nó nghe lạnh lẽo ? Nhưng nhớ rằng, phép tính tốn bỏ qua bầu khơng khí quanh Trái Đất Giá trị trung bình toàn cầu thực nhiệt độ bề mặt Trái Đất dễ chịu nhiều = 288K (150C) nghĩa ấm 330C Bề mặt Trái Đất giữ nhiệt độ người có thể sống nhờ chăn đắp gồm chất khí hạt khí (h-1)

vật 255K (như Trái Đất) Các đường cong 2b 2c trình bày bước sóng mà “khí nhà xanh” cácbon điơxít nước hấp thụ Dầu hai khí hấp thụ lại xạ có vài bước khác phát từ Trái Đất có nước hấp thụ cách đáng kể số xạ từ Mặt Trời Như phần lớn xạ Mặt Trời lọt thẳng tới Trái Đất, phần lớn xạ Trái Đất lại bầu khí giữ lại

Để có ý tưởng trực giác việc khí ảnh hưởng tới nhiệt độ nào, tưởng tượng Trái Đất ban đầu khơng có lớp “khí nhà xanh” nên bề mặt có nhiệt độ 255K ta tính trước Giả thiết số “khí nhà xanh” đột ngột thêm vào bầu khí Trái Đất…Đầu tiên mặt Trái Đất tiếp tục xạ lượng lượng cho phép

bởi nhiệt độ theo định luật Stefan – Botzmann Cường độ cân thơng tới từ Mặt Trời Nhưng “khí nhà xanh” hấp thụ phần lượng Các khí lại xạ lượng phần quay trở lại Trái Đất Mặt Trái Đất nhận nhiều lượng xạ ấm lên Khi gần xạ nhiều lượng Mặt Trái Đất tiếp tục ấm lên tới nhiệt độ ứng với cân thơng

Ta tính nhiệt độ Trái Đất đạt tới cân này, cách xây dựng mơ hình đơn giản (xem hình - P.2810)

Từ ta thu hai phương trình sau : Đỉnh tầng khí S’ = A (5)

Bề mặt Trái Đất S’ + A = E (6)

Nếu giá trị A tính theo p.t (5) vào p.t (6) nhớ công suất xạ Trái Đất viết theo định luật Setfan – Botzmann, ta thu : E = 2S’

Hay

(7) (8)

Bài tốn Trong mơ hình hai lớp, ta xét trường hơp khí hấp thụ phần a < xạ Trái Đất Trong trường hợp này, xạ rời khỏi đỉnh khí gồm phần xạ từ bề mặt Trái Đất khơng bị khí hấp

thụ Giá trị độ hấp thụ a mà bầu khí phải có để nhiệt độ Trái Đất có giá trị quan sát 288K ?

Một hiệu ứng bỏ qua mơ hình đơn giản lượng bị thoát khỏi bề mặt bay xạ Hiệu ứng thứ ba khí khơng phải lớp đơn nhiệt độ mà phân thành nhiều tầng với nhiệt độ giảm dần theo độ cao tới khoảng 10km Còn hiệu ứng thứ tự bị bỏ qua đối lưu : khơng khí gần mặt Trái Đất bị ấm lên, bốc lên mang theo nhiệt độ tới độ cao lớn Hơn nữa, mơ hình thực tế phải xét tới thay đổi cường độ Mặt Trời theo vĩ độ dòng đối lưu gây hiệu nhiệt độ xích đạo hai đia cực, địa hình bề mặt, hiệu ứng đám mây, tương tác đại dương, khí quyển, đất, khối băng Hình P.2811 trình bày giản đồ dòng lượng thực tế hệ Trái Đất, khí Những nhà khoa học tìm cách giải vấn đề phải tốn hàng chục năm trời để phát triển mơ hình máy tính chi tiết, địi hỏi máy tính tốt mà ta có

Bài tốn

Trong năm đầu thập kỉ 80 (1980) nhóm năm nhà khoa học khuyến cáo chiến tranh hạt nhân mở đầu “mùa đơng hạt nhân” hay thời kì thời tiết lạnh lẽo cách thảm hại Sự lạnh lẽo mạnh mẽ xảy ra, lửa nhóm lên vũ khí hạt nhân tung lượng tro bụi vào khí đủ làm che khuất Mặt Trời Hãy thêm lớp thứ ba, lớp cho bụi lên bầu khí mẫu đơn giản ; Giả thiết lớp cho bụi hấp thu tất ánh sáng tới từ Mặt Trời, cho qua tất xạ nhiệt từ Trái Đất khí

Tính nhiệt độ bề mặt thực tế Trái Đất (câu hỏi “mùa đông hạt nhân nào, cịn phải tranh luận địi hỏi cách xấp xỉ thơng minh mẫu đơn giản chúng ta”)

nồng độ đạt mức cao gấp hai lần mức thời kì tiền cơng nghiệp Các mẫu khí hậu vi tính hóa phát triển tính tăng gấp đơi nồng độ cácbon điơxít làm tăng nhiệt độ thêm giá trị nằm khoảng từ 1.5 tới 4,50C Sự tăng có thể vài nơi địa cầu so với nơi khác nơi bị hậu khí hậu khác nhau, chẳng hạn : lượng mưa thay đổi,dông bão tới nhiều nước biển dâng cao

Không biết liệu bước thay đổi khí hậu có vượt ngồi hay khơng khả thích nghi hệ sinh thái tự nhiên tập quán người ? Và nữa, phải cho cố gắng để cắt giảm phát sinh CO2 tốn Dẫu có hàng loạt nhà khoa học bắt đầu kêu gọi tiến hành biện pháp thận trọng để làm giảm thải cácbon điơxít khí khác fluo-cacbon (chính đe dọa tầng ozơn), mêtan nitơoxit Nếu khuyến cáo họ chấp nhận có lẽ bạn từ bỏ thú lái xe bạn, chắn bạn phải mua khác để nhiều dặm hơn, với galông xăng, dùng loại nhiên liệu khơng phải nhiên liệu hóa thạch

Trả lời

1 7,35.107W/m2 ; 1590W/m2 (20% lớn giá trị đó)

2

3

Bay từ

Thomas D Rossing giáo sư vật lí trường đại học tổng hợp Bắc Hllinois Ông nhận cử nhân trường Luther tiến sĩ trường đại học quốc gia Iova Ông tác giả 200 ấn phẩm, bao gồm 10 sách, phát minh Mĩ 11 phát minh nước ngoài, chủ yếu lĩnh vực âm học, từ học giảng dạy vật lí Ơng nghiên cứu giảng dạy Anh, Đức, Thụy Điển, Úc, Trung Quốc Hà Lan, số trường đại học phịng thí nghiệm quốc gia Mĩ Ông thành viên hội âm học Mĩ chủ tịch hiệp hội nhà vật lí Mĩ năm 1991

Các tàu hỏa cao tốc Pháp, Nhật hay Đức chạy với tốc độ 300km/h, gần tới giới hạn thực tế cho xe cộ thơng thường có bánh xe Các tàu cao tốc đệm khơng khí thường tỏ nhiều hứa hẹn đến mức người ta nghĩ Người ta thấy tương lai giao thông tốc độ cao mặt đất thuộc xe cộ nâng lên từ (nâng từ) ; chúng “bay” đường dẫn

Mặc dù xe nâng từ giống tàu hỏa, nhiều phương diện thiết kế chúng lại gần với máy bay Cần phải tính đến lực nâng, lực cản, lực dẫn hướng nhiều ổn định khác dẫn tới tàu bị tròng trành chạy bị chệch đường Hệ thống đẩy phải hoạt động mà tiếp xúc học với đường dẫn hướng Có loại lại dùng “các bánh xe tiếp đất” co lên để đỡ tàu chạy tốc độ nhỏ

Với kĩ thuật người ta thấy xây dựng hệ nâng từ hoạt động 500km/h (300m/ph) Một hệ thống thay nhiều chuyến bay cự li ngắn (100 – 600 dặm) mà sân bay đảm nhiệm Các xe nâng từ sử dùng để nối thành phố với sân bay quốc tế lớn đặt xa vùng đô thị đông đúc Hệ thống nâng từ quốc gia đóng góp nhiều vào việc giải tỏa tắc đường đường cao tốc liên bang, đặc biệt vùng có mật độ giao thông cao gần trung tâm dân cư lớn

Hệ thống vận chuyển nâng từ cho ta tiết kiệm nhiều lượng Thí dụ, khoảng số chuyến bay đến sân bay O’Hare Chicago loại cự li 500 dặm chuyến bay tỏ hiệu suất, máy bay cần nhiều thời gian để lấy đà, đạt độ cao hạ xuống, máy bay phản lực lại hoạt động có hiệu độ cao lớn Ngược lại tàu nâng từ đưa hành khách cự li ngắn đến đích thời gian ngắn với chi phí lượng nhiều

Bay từ sử dụng lực hút lực đẩy (hoặc kết hơp hai) để nâng xe lên Các hệ thống điện tử (htđt) phụ thuộc vào lực nam châm điện đường sắt từ (thép) mơ tả hình P.3002 Vì lực hút tăng khoảng cách giảm, nên hệ thống vốn không bền, phải điều khiển cẩn thận dòng điện nam châm để trì độ cao mong muốn Hơn khoảng cách nam châm đường dẫn phải nhỏ (nhiều vài cm) Mặt khác trì treo từ tàu đứng lại, điều mà hệ điện động (dùng lực đẩy) khơng làm Trong hệ thống hình P.3003, mạng nam châm điện tách biệt khơng vẽ hình cung cấp lực dẫn ngang, nam châm nâng, chịu tác động từ trường chuyển động từ đường dẫn hướng, cung cấp lực đẩy Tàu cao tốc TR-07 Đức thiết kế để chở 200 hành khách chạy với tốc độ tối đa 500km/h Độ cao nâng 8mm công suất tiêu thụ 43MW tốc độ 400km/h

Hệ thống điện động phụ thuộc vào lực đẩy nam châm chuyển động dịng điện xốy chúng cảm ứng đường dẫn hướng dẫn điện (nhôm), mơ tả hình P.3002, vịng dẫn điện Lực nâng đẩy vốn ổn định khoảng cách, nâng độ cao nâng tưong đối lớn (20 - 30cm) cách sử dụng nam châm siêu dẫn Đường dẫn hướng dẫn điện ngang phẳng (P.3004a), hai vật có hình L tách (P.3004b), mảng cuộn dây đoản mạch nam châm (P.3004c), mảng cuộn dây tường bên (P.3004d) Nhật Bản đưa hệ thống cao tốc nâng từ sử dụng cuộn dây hình nối với (“dịng vơ lực”) tường bên Cách bố trí dịng vơ lực dẫn đến giảm lực từ cản dòng xốy, cần cơng suất nhỏ

Lịch sử vắn tắt

Năm 1907, sinh viên tên Robert Goddard, sau gọi “người cha kĩ thuật tên lửa đại”, đăng báo mơ tả nhiều đặc trưng hệ thông nâng từ Năm 1912, kĩ sư người Pháp tên Emile Bachelet đưa kiểu xe nâng từ dùng để đưa thư Xe ông nâng nam châm điện chuyển động dải nhôm Tuy nhiên công suất tiêu thụ lớn nên đề nghị Bachelet không xem xét cách nghiêm túc, ý tưởng bị lãng quên kỉ

Trong năm 1970, hệ thông nâng từ trở thành đối tượng nghiên cứu nghiêm túc số nước Những xe nâng từ thí nghiệm chế tạo thử nghiệm nơi Viện nghiên cứu Stanford M.I.T Các nhóm nghiên cứu phịng thí nghiệm khoa học cơng ti Ford motor, trường đại học tổng hợp Warwick thuộc Anh, số trường đại học thuộc Canada nghiên cứu cẩn thận nâng từ đẩy từ

Việc nghiên cứu Đức năm đầu 1970, lúc đầu hướng vào hệ thống điện từ dùng lực nâng hút, lẫn hệ thống điện dùng lực đẩy, năm gần có hệ điện từ xem xét cách nghiêm túc Ở Nhật Bản, nghiên cứu phát triển hệ thống điện từ (hút) điện động (đẩy) tiến hành chương trình song song mà hãng hàng không đường sắt Nhật Bản người tiên phong

Mặc dù Mĩ tài trợ cho việc nghiên cứu nâng từ chấm dứt vào năm 1975, nghiên cứu phát triển tiếp tục Nhật Đức, mẫu xe to thật thử nghiệm hai nước Hiện có kế hoạch xây dựng hệ thống dựa kĩ thuật điện từ Đức (Transrapid) Orlando, Florida ; hệ thống nâng từ công cộng Mĩ

Lực nâng lực cản tác dụng lên nam châm chuyển động

Khi nam châm chyển động vật dẫn Theo định luật Lenz dòng chống lại từ trường thay đổi nam châm chuyển động Điều có nghĩa từ trường dịng điện xốy phải đẩy nâng nam châm vừa chống lại chuyển động Như lực tác dụng lên nam châm chuyển động mặt phẳng dẫn phân tích thành hai thành phần : lực nâng vng góc với mặt phẳng dẫn lực cản ngược chiều với chiều chuyển động

Ở tốc độ nhỏ lực cản lớn nhiều so với vật nâng Một đĩa NeFeB (vật liệu từ vĩnh cửu mạnh) trượt xuống chậm nhơm nhơm có độ nghiêng lớn, lực cản mạnh gây dòng điện xoáy Một minh họa đơn giản khác cản từ nam châm hình đĩa rơi chậm xuống qua ống nhôm đồng Trong hai trường hợp, lực cản tỉ lệ với tốc độ nam châm vả với bình phương từ trường, nam châm mau chóng đạt tốc độ dừng

Ở tốc độ nhỏ, lực cản tác dụng lên nam châm tỉ lệ với tốc độ v, đạt cực đại (gọi đỉnh cản) sau giảm theo bên hình P.3005 Ngược lại, lực nâng lúc đầu có giá trị nhỏ, tăng theo v2 sớm vượt lực cản tốc độ tăng Ở tốc độ cao, lực nâng tiến tới giá trị tiệm cận, lực đẩy “ảnh” gương mặt phẳng dẫn điện tạo nên (tức nam châm giống hệt nam châm mặt dẫn điện, khoảng cách mặt dẫn điện)

được quay mơ tơ 1725vịng/phút, tạo nên tốc độ tới 75cm/s, đủ nâng nam châm lên độ cao 8mm hay

Về mặt định tính, hiểu lực cách xét từ thông khếch tán vào vật dẫn Khi nam châm chuyển động vật dẫn, từ trường tìm cách khếch tán vào vật dẫn Nếu nam châm chuyển động đủ nhanh trường khơng thể xun sâu vào vật dẫn được, sức ép từ thông nam châm vật dẫn gây lực nâng Từ thông xuyên qua vật dẫn bị nam châm chuyển động kéo đi, lực cần để kéo từ thông lực cản

Ở tốc độ cao, từ thơng có đủ thời gian xuyên vào vật dẫn Lực nâng đạt giới hạn tiệm cận, lực cản tiến tới tốc độ cao

Trong thiết kế hệ nâng từ, “tỉ số nâng – cản” quan trọng ; tỉ lệ với tốc độ độ dẫn điện đường dẫn mà hệ chuyển động Trong máy bay lực nâng lực cản tỉ lệ với v2, nên tỉ số nâng – cản không phụ thuộc vào tốc độ. Ngược lại xe nâng từ tỉ số tăng theo tốc độ, đạt giá trị vào khoảng 50 300km/h Ở 500km/h (300m/ph) lực cản khí động lực học lớn nhiều so với lực cản từ (ngay hình dáng thon nhất)

Lực đẩy

Vì xe nâng từ khơng có bánh xe kéo, nên người ta dùng kiểu đẩy khác Một số loại động máy bay phản lực chọn, dùng chúng mặt đất ảnh hưởng đến môi trường tiếng ồn, nhiệt khí thải.Có khả dùng hệ đẩy từ,đáng ý động đồng tuyến tính Động đồng tuyến tính dùng mảng cuộn dây đường dẫn để tạo từ trường chuyển động, từ trường tác dụng vào nam châm gắn xe (Về nguyên lí, tương tự với từ trường quay động không đồng hồ đồng hay máy hát hảo hạng) Những nam châm xe cuộn dây siêu dẫn dùng để nâng hay dẫn hướng

Nhìn vào tương lai : Bay từ mặt đất

Mặc dù tàu nâng hệ đầu hoạt động cách mặt đất vài mét, bay từ đường hầm hút khí mặt đất có nhiều ưu điểm so với máy bay xe cộ cao tốc mặt đất Ưu điểm đáng ý tiết kiệm nhiều công suất đẩy giảm sức cản khí động học Ta thấy lực cản tứ giảm theo tốc độ, sức cản khí động lại tăng Một ưu điểm lớn khác bay từ mặt đất có liên quan đến mơi trường Ta hình dung hệ thống vận chuyển cao tốc, khơng cần đường riên qua vùng đất tư nhân, khơng gay tiếng ồn khơng xả khí thải gây ô nhiễm môi trường !

Các xe nâng từ mặt đất đẩy lực từ áp lực khơng khí Trong cách thứ hai người ta đưa khơng khí vào đường hầm sau xe Tuy cách đẩy từ ưa chuộng

năng lượng đẩy 3.107 J cho hành khách, xấp xỉ lượng đuợc giải phóng đốt lít xăng

Hiện chi phí để xây dựng 1500km đường hầm đắt đến mức bất khả thi, tiên bạc lẫn lượng tiêu thụ Liệu nhìn thấy chuyến bay từ lịng đất khơng Rõ ràng điều phụ thuộc vào tiến kĩ thuật đường hầm

Từ học đời sống

Charles P Bean giáo sư đại học khoa học trường đại học bách khoa Rensselaer Năm 1952 ông nhận học vị tiến sĩ vật lí trường đại học tổng hợp Illinois Hơn 33 năm ông nghiên cứu khoa học phịng thí nghiệm General Electric Research trung tâm kế vị làGeneral Electric Research and Development Center Ở ông nghiên cứu lĩnh vực tinh thể ion, từ học siêu dẫn lí sinh màng mỏng Ông thành viên viện hàn lâm khoa học quốc gia Viện hàn lâm nghệ thuật khoa học Mĩ Ơng thiên nghiên cứu vật lí tượng tự nhiên

Do tính huyền bí từ lực mà xưa ngày người ta tìm kiếm tác động từ trường lên sống người sinh vật khác.Trong nhiều trường hợp người ta tin tìm hiệu ứng khơng thể lập lại Tuy nhiên, nhà khoa học trẻ phát hiệu ứng hoàn toàn lặp lại được, vi khuẩn hoạt từ Tiểu luận kể cho bạn phát hiệu Trước kể, cần phải đưa vài viễn cảnh lịch sử khoa học

Ta nói tượng từ huyền bí Ta lấy hai nam châm vĩnh cửu đặt chúng gần Ở định hướng chúng hút qua không gian trống không, định hướng khác chúng đẩy Tất cảm thấy điều kì lạ tượng này.Đối với cậu bé tuổi Einstein, việc quan sát kim la bàn bị lệch làm cậu nghĩ trước tiên trường lực, trường Chủ yếu nhờ ý nghĩ Einstein mà hiểu biết tồn trường, trường điện từ, nhận biết phụ thuộc vào chuyển động so với trường Chẳng hạn, mà ta gọi từ trường tạo nên chuyển động điện tích so với ta Một hệ là, tốc độ tương đối chuyển động thường nhỏ so với địện lực Thí dụ điện lực giữ nguyên tử vật rắn với Thông thường từ lực đóng góp phần nhỏ tồn mối liên kết

Nói chung nói nam châm, ta nghĩ đến vật làm cho cửa tủ lạnh bị hút chặt lại, - nam châm vĩnh cửu Trong thiên nhiên, chủ yếu tồn dạng gọi manhêtít, có cơng thức hóa học Fe3O4 Một cách đầy đủ hơn, viết tắt FeO.Fe2O3 để phân tử có ion sắt hai (Fe2+) hai ion sắt ba (Fe3+) Nó loại đá đen, nhìn khơng có đặc biệt (đá nam châm), dẩn đến thời kì vĩ đại phát địa lí thời gian kể từ kỉ 12 đến kỉ 16, đến nhiều mặt khoa học đại

trong phát minh vĩ đại lại thực từ trước thể đơn giản Trái Đất

Dẫn đường từ

Vi khuẩn lả thể đơn bào, sống nơi Chúng sinh sôi bên lẫn bề mặt thể Người ta tìm thấy chúng suối nước nóng 850C đáy đại dương Điển hình, chúng có kích thước vài micrơmet, có thể nhìn thấy chúng kính hiển vi Do giới hạn phân giải xác định sóng ánh sáng (khoảng 0,4mm nước) nên kính hiển vi quang học, khơng thể nhìn thấy cấu trúc chi tiết bên chúng Cần phải dùng kính hiển vi điện tử nhìn thấy điểm tinh vi cấu trúc chúng

Mặc dù nhỏ bé, vi khuẩn có khả thích nghi với điều kiện xung quanh có nhiều tính chất Thí dụ, lớp vi khuẩn rộng lớn hoạt động tốt điều kiện khơng có ơxi Người ta nghĩ loại xuất sớm trình phát triển Trái Đất, trước thời kì tiến hóa cỏ giải phóng ơxi sau vào khí (Ơxi chất thải quang hợp, giống CO2 q trình biến hóa thể chúng ta) Ngày vi khuẩn gọi yếm khí tồn nhiều vùng nước, nơi có ơxi Súc vật cỏ phân hủy cung cấp điều kiện Điển hình, chất thải q trình biến hóa yếm khí mêtan, cịn gọi yếm khí đầm lầy Đa số vi khuẩn bơi cách dùng nhiều phần phụ - gọi “cờ” chúng dài ít, gọi lơng chúng nhiều ngắn Hơn chúng có phận nhận cảm nhận hóa chất cảm nhận hóa chất chất khí hịa tan nước bơi đến gần thức ăn tránh xa khỏi chất độc Đối với vi khuẩn yếm khí ơxi chất độc

đã mang gần giọt nước Theo hướng khuấy khơng gây chuyển động theo hướng ngược lại chiều chuyển động vi khuẩn bị đảo ngược lại ! Sự quan sát này, nam châm khuấy thử nghiệm la bàn, đại đa số vi khuẩn bơi theo hướng đầu bắc kim la bàn từ

Đây khám phá lịch sử từ học sinh học Nó ảnh hưởng trực tiếp lặp lại địa từ trường lên thể sống Blakemore người cộng nhanh chóng sống khơng cần thiết cho định hướng vi khuẩn Các vi khuẩn bị giết thường quay theo từ trường áp đặt vào, từ chúng bị chết chúng khơng di chuyển vào trướng

Cơ chế định hướng

Mỗi phát minh khoa học dẫn tới nhiều câu hỏi Trong trường hợp : chế vật lí hiệu ứng ý nghĩa sinh học hiệu ứng ? Đối với câu hỏi thứ nhất, Blakemore lập luận chế đơn giản vi khuẩn, thân la bàn nhỏ, mà quay từ trường Một phim chụp qua kính hiển vi điện tử vi khuẩn điển hình (P.3101) cho thấy xếp hạt đậm đặc electron bên vi khuẩn điển hình, điều đáp lại tác dụng từ trường Chúng la bàn ? Edward M.Purcell Harvard đề xuất hạt có khả hạt từ đơn đơmen chất sắt từ xung ngắn từ trường trực đối làm đảo ngược từ hóa vi khuẩn trước quay để tự thích ứng với từ trường Một thí nghiệm vời Adrianus J.Kalmijn Viện nghiên cứu hải dương học hố đáy biển số hiệu ứng Sau xung vậy, vi khuẩn không hướng phương nam Sử dụng kiến thức lí từ học trình bày chương 34 người ta ước lượng liệu cần vật liệu để định hướng vi khuẩn địa từ trường Bài tốn mẫu 34-4chỉ ngun tử có moment từ manhêton Bohr không xếp thẳng hàng cách đáng kể nhiệt độ phòng từ trường 1,5T Để có xếp thẳng hàng đáng kể lượng từ mB phải lớn lượng chuyển động nhiệt hỗn độn kT (Các thừa số 3/2 dùng tốn mẫu 34-4 khơng cần thiết tính tốn bậc độ lớn này) Quy tắc nói lên

Trong m moment từ toàn phần vi khuẩn, k số Boltzmann (1,38.10-23J/K), T nhiệt độ Kelvin (300K) B địa từ trường (≈5.10-5T) Sử dụng số liệu

nhau cách xác) Từ moment từ tồn phần cho tích moment từ tính cho đơn vị thể tích thể tích V,chúng ta suy thể tích V vật liệu bị từ hóa hoàn hảo cần cho xếp thẳng hàng đáng kể

Các giới hạn so sánh với thể tích ước lượng từ ảnh hiển vi điện tử vẽ hình P.3001 Chúng ta thấy chuỗi hạt có 20 hạt, hạt có đường kính xấp xỉ 50nm

Nếu cho chúng cầu thể tích tồn phần chúng là vào khoảng tám lần giá trị cực tiểu tính Dĩ nhiên điều dẫn đến mômen từ vào khoảng tám lần moment từ mà B = kT Kết vi khuẩn định hướng tốt địa từ trường

Các kết định huớng địa từ trường

Trong sinh học người ta thường tìm kiếm ưu giành sinh vật có giác quan đặt biệt Chẳng hạn, dơi vừa phát vừa nhận sóng siêu âm Bằng cách sử dụng chúng vừa bay bóng tối vừa xác định vị trí mồi bướm đêm Trong trường hợp vi khuẩn nhạy từ, gắn với ưu rõ ràng Hình 34-7 rõ địa từ trường trình bày lưỡng cực Trong bán cầu bắc có thành phần xuống Các vi khuẩn bơi dọc theo đường sức từ trường xuống Vậy vi khuẩn yếm khí bị khuấy khỏi mơi trường thơng thường chúng chúng giúp đỡ trình quay trở lại bùn Một kết khái niệm vi khuẩn bán cầu nam có moment từ nam – cần thiết Một thám hiểm thực Blakemore người cộng đến New Zealand điều cách xác Ở xích đạo, người ta thấy hai phân cực mà ưu khơng hồn tồn rõ ràng, từ vi khuẩn bị ép buộc phải chuyển động theo đường nằm ngang

Trong quần thể vi khuẩn, phải có vài vi khuẩn nghìn phân cực “sai” Các điều tra viên lấy mẫu bùn nước đặt vào từ trường mà thành phần thẳng đứng từ trường từ trường bị đảo ngược lại Phần lớn vi khuẩn bơi tới bề mặt tới mội trường giàu ơxi Trong mơi trường chuyển hóa khả tái sinh sản chúng bị giảm xuống Các vi khuẩn trước khác thường tới bùn thuận lợi Sau khoảng độ tám tuần lễ toàn vi khuẩn bị đảo ngược phân cực Chúng ta biết khơng có chế mà nhờ vi khuẩn quay hạt từ bên chúng Phần lớn thành viên chắn quần thể vi khuẩn cháu số vi khuẩn khác thường Nếu thí nghiệm ra, giới vĩ mơ, có thích nghi tiến hố luận với biến đổi mơi trường (Có thể bạn nghĩ tới thí nghiệm để nghiệm lại xem có quần thể bắt nguồn cách thực từ vi khuẩn khác thường không ?)

Đúng nhà hàng hải sử dụng la bàn từ để dẫn đường cho họ, chim di trú ong kiếm mật hoa dùng giác quan từ Qua năm, nhiều nhà điều tra nghiên cứu khảo sát tỉ mỉ khả Họ buộc nam châm nam châm giả cho chim địi hỏi tập tính thay đổi cho trường hợp nam châm Sự gợi ý làm cho chim bồ câu khơng phát phương hướng mà cịn phát biến đổi cường độ từ trường cỡ phần 104 Các ong số người nghĩ dùng đồ từ truyền, nhảy múa, phương hướng khác cho ong thợ khác (J.L.Gould tạp chí American Scientist (Nhà khoa học Mĩ) Tháng năm – Tháng sáu 1980, viết báo có giá trị hiểu biết vế tính nhạy cảm chim ong) Khác với trường hợp phân tích Blakemore vi khuẩn nhạy cảm từ, khơng tìm thấy chế hiệu ứng xảy Nếu có la bàn cục phải liên hệ với hệ thần kinh sinh vật bậc cao tạo mômen xoắn bị động trường hợp vi khuẩn Khơng có liên hệ nhưthế tìm thấy Thật vậy, khơng mộy kiểm tra chim hay ong bị hút bị đẩy từ trường Do đó, nhiều nhà sinh lí khơng tin tưởng trường hợp tính nhạy cảm chim ong chứng minh Nhưng vấn đề cịn bỏ ngõ Có thể Blakemore khác tìm phát minh làm đổi cách nhìn lĩnh vực cách rõ ràng triệt để, giống quan sát Blakemore vi khuẩn nhạy từ gây

Vật Lí đồ chơi

Raymond C Turner nhiều người biết tiếng qua cơng trình ơng vật lí đồ chơi Ơng đỗ cử nhân khoa học học Viện công nghệ Carnegie tiến sĩ vật lí chất rắn Đại học Pittsburg năm 1966 Ông giáo sư vật lí trường Đại học Clemson bang Carolina Ơng trình bày nhiều hội thảo giảng gặp mặt thầy giáo nước việc sử dụng đồ chơi giảng dạy vật lí Ơng tham gia ủy ban địa phương quốc gia Hội thầy giáo vật lí Mĩ Ơng cơng bố nhiều báo vật lí đồ chơi “Tạp chí Mĩ vật lí thầy giáo vật lí”

Những ngun lí vật lí thường chứng minh qua đồ chơi bình thường Bằng cách hiểu rõ nguyên lí hoạt động đồ chơi, bạn hiểu rõ giới xung quanh bạn Đồ chơi thường sử dụng để minh họa nhiều nguyên lí vật lí học : tên lửa nước dùng để chứng minh bảo toàn động lượng, lúc xe đua hay xe xích bánh nóng giải thích dùng định luật bảo toàn lượng.(1) Tuy nhiên tiểu luận giới hạn việc thảo luận số đồ choi dính dáng đến từ học ánh sáng

thay đổi Kết dây tóc đèn dao động tới lui nên ánh sáng trở nên bập bùng

Câu hỏi 1: Bạn thấy chuyển động dây tóc thay đổi htế từ trường làm cho nhỏ

Thông thường nam châm đặt bóng đèn đèn đặc biệt hình nam châm gắn vịng bên ngồi bóng đèn Khi bạn đưa nam châm xa đèn từ trường dây tóc đèn nhỏ lực tác dụng lên dây tóc nhỏ Kết đèn dao động với biên độ nhỏ

Bạn thấy đèn bạn dùng điện chiều ? Trong trường hợp lực tác dụng có chiều nên dây tóc bóng đèn bị đẩy lệch bên mà khơng cịn dao động trước

Hình giới thiệu nhóm đồ chơi khác thường bày bán cửa hàng tặng phẩm Đó cá heo lăn, vịng trịn khơng gian, quay kì dị (2) Tất đồ chơi động lực với nét chung : tất giữ ln ln chuyển động Cá heo lăn, vịng trịn đu đưa cịn quay quay tít Vậy chúng hoạt động ? Tại chúng giữ luôn chuyển động ? Chúng hoạt động nguyên lí tìm manh mối kĩ xảo cách mở đáy đồ chơi để nhìn vào Cá heo lăn với đáy bị mở cho thấy hình Chúng ta thấy có cuộn dây điện (thực có hai cuộn đồng tâm với nhau), đèn bán dẫn pin Thêm vào cá heo có nam châm nhỏ Bộ pin cung cấp lượng cho cá heo lăn, nhiên bạn cần phải biết định luật cảm ứng Faraday định luật Lenz hiểu hoạt động đồ chơi Khi nam châm cá heo qua gần cuộn dây, nam châm gây hiệu điện cảm ứng cuộn dây định luật Faraday tiên đoán Hiệu điện cảm ứng đưa vào mạch đèn bán dẫn làm khởi động mạch thứ hai gồm có cuộn dây thứ hai pin Cuộn thứ hai ngược chiều với cuộn thứ Theo định luật Lenz, hiệu điện cảm ứng cuộn thứ hai chống lại chuyển động cá heo Ngược lại dòng điện cuộn thứ hai lại làm tăng chuyển động Cá heo bị kéo nhẹ tiến lại gần cuộn dây hay bị đẩy nhẹ tiến xa điều khơng phụ thuộc vào việc tiến lại gần từ bên phải hay từ bên trái Hai đồ chơi cịn lại cho thấy hình khơng khác xa đồ chơi cá heo lăn, chúng lại hoạt động hoàn toàn theo nguyên tắc Mỗi đồ chơi có nam châm chuyển động theo tiên đốn định luật Faraday, gây hiệu điện cảm ứng cuôn dây Hiệu điện khởi động mạch điện thứ hai Dòng điện mạch thứ hai làm tăng tốc độ nam châm chuyển động

thường ? Khảo sát kính tiềm vọng cho thấy gồm hai gương nghiêng góc 450 so với phương thẳng đứng Ánh sáng từ vật bị phản xạ xuống từ gương từ gương Một ảnh thẳng đứng quan sát bình thường vẽ hình 5a Tuy nhiên gương quay ngược lại tia sáng phản xạ tạo nên ảnh lộn ngược cho thấy hình 5b Bằng cách vẽ tia sáng bạn dễ dàng thấy ảnh lại thẳng đứng kính tiềm vọng thơng thường bị lộn ngược gương quay góc 1800

Câu hỏi Bạn quan sát thấy người ta quay gương kính tiềm vọng góc 900để nhìn sang bên ?

Điều khơng phải dễ giải thích tia ánh sáng vẽ không gian ba chiều Kết cho thấy ảnh bị quay bên

Bức xạ kế cho hình bày bán cửa hàng bán sản phẩm có nhiều năm hoạt động có lẽ điều bí ẩn nhiều người (3) Nó gồm chong chóng có bốn cánh, mặt bôi đen, mặt để trắng Các cánh quay tự xung quanh trục thẳng đứng đặt bên vỏ bảo vệ thuỷ tinh Khi người ta đặt xạ kế trước chùm ánh sáng mặt trời hay gầm bóng đèn sáng vừa phải chong chóng bắt đầu quay nhanh

Câu hỏi Làm ánh sáng lại gây nên chuyển động chong chóng ?

Nguyên nhân quay áp suất xạ ánh sáng Giả sử ánh sáng đến đập vng góc với mặt cánh chong chóng phác họa hình Ánh sáng đập mặt bơi đen cánh bị hấp thụ nên truyền cho cánh động lượng tồn phần ; ánh sáng đập mặt để trắng cánh bị phản xạ làm quay ngược động lượng ánh sáng truyền cho chong chóng động lượng gấp đơi Như lực đẩy mặt trắng lớn gấp đôi lực đẩy mặt bôi đen, kết cánh quay theo chiều mặt đen dẫn trước, mặt trắng theo sau Tuy nhiên quan sát cánh quay lại thấy ngược lại nghĩa mặt trắng lúc dẫn trước, mặt đen theo sau Vấn đề chỗ vỏ thủy tinh không hút chân không tốt nên khơng khí giữ vai trị quan trọng chuyển động cánh Khi mặt đen chong chóng hấp thu lượng mặt trắng lại phản xạ, kết mặt đen cánh chong chóng trở nên nóng mặt trắng Sự chênh lệch nhiệt độ làm cho chong chóng chuyển động vừa đối lưu khơng khí vỏ bọc vừa truyền động lượng Các phân tử khơng khí tiếp xúc với cánh rời khỏi cánh với lượng tùy thuộc vào nhiệt độ phần tiếp xúc Các phân tử rời khỏi mặt đen nóng cánh có động trung bình lớn động lượng lớn so với mặt trắng lạnh Động lượng giật lùi cánh mặt đen nóng lớn mặt trắng lạnh Kết động lượng tổng hợp làm cho chong chóng quay theo chiều mặt trắng lúc dẫn trước Cánh quay truyền động lượng động lượng ánh sáng gây

nhận chùm tia báo người mang bị “bắt” Nhưng tính chất xạ điện từ ? Có nhiều câu hỏi mà bạn hỏi xạ sau trả lời thực nghiệm Chùm tia truyền theo đường thẳng hay uốn cong quanh góc ?

Nếu bạn thử nghiệm bạn tìm thấy chùm tia truyền theo đường thẳng mà không uốn cong quanh góc sóng âm Tuy nhiên phản xạ quanh góc dùng gương kim loại dùng mặt phản chiếu Trong chương 39 định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng trình bày Tất nhiên bạn nghĩ nhiều câu hỏi nghiên cứu thực nghiệm Bạn có khả đốn câu trả lời cho số câu hỏi biết súng hình gọi súng hồng ngoại

Chỉ có số nhiều đồ chơi minh họa cho ngun lí vật lí Chỉ có trí tưởng tượng tài khéo léo bạn hạn chế bạn việc áp dụng định luật vật lí vào vật bình thường dù đồ chơi Khoa học thú vui

Tài liệu tham khảo

1 Stanley J Briggs “Vật lí bánh xe nóng” The Physic Teacher, – 1970 H Richard Crame “Các vật hoạt động sao”, The Physic Teacher – 1984 Franks Crawford “Bức xạ kế Crooke chạy giật lùi”, American Journal of Physic, 11 – 1989

Thơng tin sóng sáng dùng sợi quang học

Suzanne R.Nagel íamđốc phịng thí nghiệm nghiên cứu phát triển sản xuất ATET – Bell Laboratories Princeton Bà đỗ tiến sĩ kĩ thuật gốm trường Đại học Rutger Bà tác giả 30 báo kĩ thuật khoa học thủy tinh công nghệ dẫn sáng Những nghiên cứu bà bao gồm việc xử lí tối ưu hóa tính chất sợi quang thơng tin, có liên quan chặt chẽ đến việc sản suất chúng.Bà tích cực tham gia vào việc tuyên truyền khoa học kĩ thuật cho phụ nữ người nhỏ tuối Bà người đàn bà bổ nhiệm Bell Labo

Một cơng nghệ có tính cách mạng – thơng tin sóng sáng – cải tạo mạng lưới thơng tin tồn giới Một lượng thơng tin khổng lồ - tín hiệu lên tiếng, tín hiệu hình, số liệu – truyền nhanh chóng hiệu từ địa phương đến địa phương khác cách dùng mạng sợi quang học phát triển chưa thấy Những bó sợi thủy tinh mảnh tóc mang lượng thông tin đến nơi xa dạng xung ánh sáng Tại thông tin ánh sáng lại có ý nghĩa việc “dẫn sáng” sợi quang học diễn ? Hãy thử tìm câu trả lời ngắn gọn cho câu hỏi

Tại thơng tin ánh sáng lại truyền thông tin số nhiều so với hệ thống thông tin thông thường ? Sỡ dĩ tốc độ thơng tin truyền phụ thuộc trực tiếp vào tần số tín hiệu Ánh sáng có tần số khoảng từ 1014 – 1015 Hz so với tần số sóng vơ tuyến vào khoảng 106 Hz tần số vi ba 108 – 1010 Hz Vì lẽ hệ thống truyền tin thực với tần số ánh sáng vế lí thuyết truyền lượng thơng tin thực với tần số vô tuyến hay tần số vi ba Tốc độ truyền tin số xác định số bít truyền giây

Một hệ viễn thông ánh sáng đơn giản cho hình Thơng tin truyền tín hiệu âm điện thọai, tín hiệu hình, số liệu số máy tính

Tín hiệu tiếng hình mã hóa thành dãy số nhị nguyên gồm số không Tồn tín hiệu trộn lẫn với thành dịng đơn có tốc độ truyền cao đơn vị đa thành phần Chúng ta xét trộn tín hiệu tiếng để truyền tin Mỗi tín hiệu tiếng địi hỏi 6,4.104 bit/s Nếu tốc độ truyền số liệu hệ Gbit/sec (1.109 bit/s) số kênh tiếng trộn lẫn vào khoảng 15000 (1.109 chia cho 6,4.104) Điều thực diễn thế ? Trong máy phát sóng sáng “số một” tương ứng với xung điện cịn “số khơng” tương ứng với khơng có xung điện Các xung điện dùng để bật hay tắt nguồn sáng nhanh, giống bật hay tắt cơng tắc đèn Nguồn sáng laser hay điốt phát quang (LED) Như máy phát hệ thống liên lạc sóng ánh sáng, thơng tin trộn với thành chuỗi xung điện có tốc độ truyền số liệu cao dùng để bật hay tắt nguồn sáng nhanh Tồn thơng tin mã hóa theo hệ nhị nguyên chuyển thành loạt lóe sáng theo thời gian để truyền tin

cũng có phận “giải đa thành phần” để tạo tín hiệu tái tạo lại thành tiếng, hình hay số liệu máy tính

Mặc dù mơ tả sơ sài để hiểu hệ thống liên lạc sóng sáng hoạt động nào, cho thấy ý tưởng : thông tin chuyển thành xung ánh sáng, xung truyền đến khoảng cách nhờ sợi quang, sau truyền trở lại thành thơng tin

Bây khảo sát chi tiết tí sợi quang dùng dể truyền thông tin dạng xung ánh sáng Tính chất quan trọng sợi quang khả dẫn ánh sáng từ nơi đến nơi khác Nguyên lí mà sợi quang dùng phản xạ toàn phần, cấu tạo dẫn sáng minh họa hình

Sợi quang gồm lõi làm vật liệu có chiết xuất lớn vật liệu bọc lõi, gọi “vỏ bọc” Nhớ chiết xuất tỉ số vận tốc ánh sáng chân không chia cho vận tốc ánh sáng vật liệu Sợi quang làm thủy tinh thường bọc lớp chất dẻo bên để bảo vệ cho thủy tinh khỏi

bị xuớc học ảnh hưởng khác môi

trường Một nguồn sáng laser hay điốt phát quang LED đặt gần lõi sợi quang Nguồn sáng xạ “hình nón” ánh sáng dược kiên kết lõi sợi quang Để cho ánh sáng dẫn sợi, phải thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần Như cho thấy hình vẽ, số góc ánh sáng dẫn thành đường chữ chi, lúc vài góc khác khơng Loại sợi quang đơn giản dùng nhiều để dẫn ánh sáng đến khoảng cách ngắn (mét), lúc để dẫn ánh sáng đến khoảng cách xa dùng hệ viễn thơng dịi hỏi sợi quang phải cấu tạo đặc biệt Loại sợi quang đơn giản vẽ đầu hình gọi sợi quang “đa một”, nhiều góc ánh sáng dẫn theo sợi quang nói làcó chiết xuất nhảy bậc có lõi chiết xuất không đổi bọc xung quanh vỏ bọc có chiết xuất nhỏ

Mặt cắt chiết xuất vẽ giá trị tương đối chiết xuất hàm vị trí tiết diện sợi quang Mặt xung ánh sáng từ nguồn sáng tạo đơi sợi quang Nhiều chùm góc ánh sáng di chuyển với vận tốc dẫn lõi Chùm di chuyển dọc theo trục lõi quãng đường ngắn chùm theo đường chữ chi kết xung “hẹp” ban đầu tạo đơi sợi quang Chính hiệu ứng làm hạn chế việc khoảng xung vào để cịn thu mà khơng bị chồng lên phía đầu

thành đường tuần hoàn qua sợi quang Một chùm sáng theo đường có dạng tuần hồn phần lớn thời gian phần sợi quang có chiết xuất nhỏ qua với vận tốc lớn ! Như khoảng cách chùm phải lớn trung bình làm cho nhanh Một loại sợi quang khác (vẽ cuối hình P.3003) khử hồn tồn mở rộng xung góc khác ánh sáng dẫn sợi quang Loại gọi sợi đơn dẫn chùm sáng dọc trục lõi Điều thực cách dùng khác chiết xuất lõi vỏ bọc, lõi phải làm nhỏ Loại sợi quang tải số liệu với tốc độ bít cao

Làm giảm tối đa mở rộng xung ánh sáng qua sợi quang giữ vai trò quan trọng để xác định tốc độ tối đa truyền thông tin khả truyền xa

Một tính chất quan trọng thứ hai sợi quang độ suy giảm quang học điều định tín hiệu truyền xa mà có cịn đủ mạnh để phát khơng Khi ánh sáng truyền qua vật liệu, vật liệu thường khơng suốt nên cường độ tín hiệu giảm dần theo khoảng cách Ánh sáng qua sợi quang bị suy giảm bị hấp thụ bị tán xạ Rất đơn giản hấp thụ mà phần cường độ ánh sáng lại truyền cho thân vật liệu mà phải truyền Ngược lại tán xạ mà ánh sáng khuếch tán bị lệch theo nhiều phương khác Vì lẻ mà lượng ánh sáng bị tán xạ khỏi lỏi mà đáng lẻ phải truyền đi, dẫn đến giảm cường độ tín hiệu sáng Trong sợi quang học thủy tinh làm thủy tinh silic điơxic có độ tinh khiết cao tán xạ bé, lượng ánh sáng khuếch tán hấp thụ nhỏ vùng bước sóng hồng ngoại gần Các bước sóng nhích chút bước sóng vùng phổ khã kiến Nhớ ánh sáng khã kiến nằm vùng có bước sóng từ 380nm (tím )đến 700nm(đỏ) Bước sóng truyền tin thơng dụng 1300nm(khoảng 2x104Hz). Trong sợi quang thủy tinh silic điôxic, 95% ánh sáng truyền xa 1Km Sự suốt cao cho phép ánh sáng truyền xa đến 20-200 km mà cịn đủ mạnh tín hiệu phát đầu dò quang học máy thu

2,5Gbit/s (2,5.109) tương ứng với khoảng 35000 tiếng chuyển tải qua sợi quang có kích thước xấp xĩ sợi tóc người Như thấy ấn tượng thật sâu sắc, nhiên vẩn cịn xa vài bật so với khả tính lý thuyết Trong tương lai hệ thơng tin sóng quang dựa sợi quang tăng cường để chuyển tải tiếng, hình số liệu máy tính nước toàn giới

Các tài liệu tham khảo để đọc thêm

- “Viễn thông sợi quang” Academic Press 1970 - “Sợi quang thông tin” wiley ,1979 trang 410 - “Lý thuyết dẫn sóng quang học” Chapman Hall1983 ,trang 734 - “Sợi quang học thông tin”, Quyễn Academic P 1985 , trang 363 - D.J Morris “Mã xung dùng cho thông tin số liệu quang sợi”, Marcel Dekker , 1983

trang 217

- “Xử lý tín hiệu quang” A .Vanderlugr (ed) Wiley 1992 - “Viễn thông quang sợi”,Academic Press 1988

Phép chụp ảnh toàn ký

Tung H Joeng tốt nghiệp Đại học Yale năm 1957 tiến sĩ vật lý hạt nhân năm 1963 trường đại học Minnesota Hiện ông giáo sư Vật lý giám đốc trung tâm nghiên cứu Quang tử trường cao đẳng Lake Forest Ngoài việc điều hành nghiên cứu lớp học hè hàng năm chụp ảnh nỗi, ơng cịn cố vấn giãng chụp ảnh nổi, cho hàng trăm trường đại học tồn giới Ơng hội viên hội quang hoc Mỹ người nhận huy chương Robert A Millikan liên hiệp thầy giáo Vật lí Mỹ Sở thích ơng trượt tuyết, quần vợt tàu lượn, chơi violông cho giàn nhạc giao hưởng bán chuyên nghiệp địa phương

Nguyên lí chụp ảnh toàn cảnh dựa ba khái niệm giải Nôbel độc lập dối với nhau, trao tặng cho Lawrence Bragg (1915) Dennic Gabor (1971)

Mặc dù Gabor phát trước năm 1949, phát triển chụp ảnh tồn cảnh có điều kiện thực sau laser phát minh năm 1960 Năm 1962 E N Leith J Upatnieks Mỹ Yu N Denisyuk Nga độc lập với có đóng góp biểu diễn ảnh toàn cảnh chúng

Chụp ảnh tồn cảnh “làm việc sao” ?

Để thực ảnh toàn cảnh, phần ánh sáng khỏi laser thấu kính hay gương cong mở rộng chùm tia hướng lên kính ảnh Đó chùm tựa R (quy chiếu) Phần lại ánh sáng dọi lên vật ba chiều mà ảnh ghi lại Ánh sáng tán xạ từ vật hướng kính ảnh gọi chùm vật (0) Do ánh sáng hai chùm xuất phát từ laser nên chúng kết hợp với tạo nên

ảnh giao thoa rõ nét

Sau đó, dọi chùm tựa R, ảnh toàn cảnh tác dụng cách tử nhiễu xạ phức tạp Ảnh nhiễu xạ phục hồi lại cách xác mặt đầu sóng bắt nguồn từ vật ban đầu Để hiểu rõ trình ấy, sét trường hợp dùng vật đơn giản nhất, điểm khơng gian Hình 1a cho thấy hai chùm tia từ xa đến kính ảnh giao thoa với góc 900 Ảnh giao thoa giống hệt ảnh giao thoa qua hai khe Young với khoảng cách hai khe rộng Kết có tập hợp vân mịn với khoảng cách không đổi hai cực đại Kính ảnh, sau phơi sáng hình, trở thành cách tử nhiễu xạ có độ tán sắc cao

Câu hỏi

Tìm khoảng cách cực đại theo bước sóng ánh sáng Biết phim chụp ảnh thơng thường ghi 200 vạch 1mm, hỏi phim để dùng để ghi tồn cảnh khơng ?

Câu hỏi

Hãy tìm suất phân giải cách tử nói trên, biết cách có kích thước 10 X 10 cm2

Hình P.3401b cho thấy làm để hồi phục mặt sóng chùm vật O Ánh sáng laser từ chùm tựa R dọi lên ảnh toàn cảnh Toàn ánh sáng nhiễu xạ tạo thành ảnh ảo vật O Nếu nhìn qua ảnh tồn cảnh theo hướng tới O thấy chấm sáng không gian ba chiều

Nếu thay đổi điểm O vật ba chiều dọi ánh sáng laser, chùm vật O gồm tập hợp nhiều nguồn điểm, đại diện cho tâm tán xạ vật Ảnh ghi kính ảnh chồng chất nhiều cách tử Khi người ta dọi ảnh ghi chùm R (hay R’ ) nguời ta quan sát ảnh ảo hay ảnh thật vật

Ảnh ghi gọi ảnh toàn cảnh dùng tia laser truyền qua Ảnh tính chất đáng ý phần nhỏ hồi phục toàn tranh vật Tuy nhiên ảnh tồn cảnh lớn độ phân giải ảnh cao, nghĩa chứa đựng nhiều thơng tin

Hình P.3402 biểu diễn ảnh giao thoa tổng quát chùm tựa R chùm vật O mặt chứa nguồn Các đường biểu diễn vĩ trí cực đại giao thoa, đường cực tiểu : Một hình ảnh tương tự dùng sóng nước tạo nên thùng nước gợn sóng Đường trung trực đọan R O đường giao thoa bậc không, quỹ tích điểm có lộ trình từ R O

Trong không gian ba chiều, ảnh nhiễu xạ hình trịn xoay trục RO Đó họ mặt hypecboloit trịn xoay có tiêu điểm R O

Tại vùng A cách R O đủ xa, ảnh hồn tồn giống ảnh có giao thoa hai khe young xét trước Vùng B gồm sóng chuyển động ngược chiều tạo thành sóng đứng Những bụng (antinode) dọc theo đường thẳng nối R O cách khoảng bước sóng Vùng C biểu diễn vân đạc thù vân giao thoa kế Michelson

Nói chung khoảng cách R O vài nghìn bước sóng ánh sáng cịn ảnh nhiễu xạ nhỏ Để đơn giản hình P.3402 trường hợp đặc biệt R O cách số nhỏ bước sóng

Câu hỏi

Để ghi lại ảnh giao thoa vùng B dùng ánh sáng từ laser He – Ne có bước sóng 633nm, hỏi độ phân giải nhỏ nhầt cần thiết cho nhũ tương kính ảnh tính theo vạch/mm ?

Ảnh tòan cảnh “phản xạ ánh sáng trắng” dáng ý nhìn thấy dùng nguồn điểm ánh sáng đèn dây tóc “đốt nóng” từ R Ảnh thật hay ảnh ảo tạo nên có màu sắc ánh sáng laser dùng Bằng cách làm cho nhũ tương phình hay co lại, người ta thu màu khác Loại ảnh toàn cảnh dùng phổ biến kính lọc giao thoa

Câu hỏi

Dùng lớp nhũ tưong đủ dày để ghi lại ảnh tồn cảnh truyền qua, bạn hồi phục lại ảnh ánh sáng đèn đốt nóng khơng ?

Chụp ảnh tồn cảnh

Hình cho thấy hệ đơn giản để chụp ảnh toàn cảnh phản xạ ánh sáng trắng Chùm ánh sáng từ lối laser He – Ne công suất – mW mở rộng gương lõm Một số tia thẳng đến kính ảnh làm nhiệm vụ chùm tựa, R tiêu điểm gương Ánh sáng xuyên qua kính ảnh dọi sáng vật bị tán xạ ngược lại phía kính ảnh làm nhiệm vụ chùm vật

Kính ảnh vật đặt mặt ống cao su bơm căng (như săm ôtô chẳng hạn), để hấp thụ dao động học từ phía Tồn chi tiết giữ chặt nam châm hay keo dán Điều cần thiết thời gian chụp lâu đến nhiều giây, chuyển động tương đối vật kính ảnh làm nhịe ảnh giao thoa đưa đến thất bại …

Chú ý ảnh toàn cảnh ghi vùng B hình ; ảnh giao thoa gồm mặt suốt bề dày nhũ tương Sự nhiễu xạ Bragg cho phép hồi phục lại ảnh dùng nguồn điểm ánh sáng trắng Như nói trên, màu ảnh xác định co lại hay giãn củ nhũ tương kết thúc Có lẽ dùng laser He – Ne,người ta tạo màu cho ảnh kĩ thuật hóa học Các nghệ sĩ tạo nên ảnh nhiều màu cách chụp nhiều lần, cá`c lần chụp phải cho nhũ tương phình cách hợp lí

Lí thuyết để giải thích ảnh màu ghi nhũ tương khơng có màu hiểu xem lại vấn đề liên quan đến tượng giao thoa bong bóng xà phòng hay mỏng khác

Ảnh tòan cảnh có nhiều màu thật thu cách tổ hợp ánh sáng từ laser có ba màu : đỏ, He – Ne, xanh argon, xanh da trời krypton Chùm ánh sáng “trắng” thay cho chùm đỏ tía hình

Hình cho thấy dùng phân tử quang học ảnh toàn cảnh (HOE holographic optical element) để tổ hợp ánh sáng từ ba laser Phân tử chế tạo cách sử dụng cấu hình hình 1a

Nói chung cấu hình phức tạp nhiều cần thiết nhằm dọi sáng quang cảnh rộng cho nghệ thuật hay hiệu

( ảnh Leith ) Khi chúng đến kính ảnh từ hai phía khác nhau, cho thấy hình 3, có ảnh tồn cảnh phản xạ (ảnh Denisyuk ) dùng laser hồng ngoại hay laser YAG có tần số gấp đơi, với lượng jun thời gian nhỏ s,người ta chụp ảnh tồn cảnh người hoạt động vật chuyển động Hình cho thấy cảnh với độ sâu mét ghi lại laser hồng học Nó cho thấy tịan cảnh phịng thí nghiệm với tác giả Một người nhìn vào ảnh tịan cảnh truyền qua có cảm giác có cửa sổ cho phép nhìn tồn cảnh với góc khối stêradian

Hiện ảnh tòan cảnh thường thấy nhất, ảnh màu rực rỡ in bìa tạp chí chụp sinh vật chuyển động, phát triển lai tạo nhằm hi sinh tượng thị sai dọc

Sự phát triển chụp ảnh toàn cảnh cho phép ghi trăm người họat động ảnh màu Tuy nhiên ghi ba chiều phần nhiều áp dụng hấp dẫn chụp ảnh toàn cảnh

Những ứng dụng khoa học kĩ thuật

HOE Các phân tử quang học ảnh tồn cảnh tạo quang học hay máy tính, lĩnh vực quang học nhiễu xạ dùng đầu phát (HUD) máy bay , thấu kính tiếp xúc hai tròng, máy quét quang phổ kế có xuất phân giải cao Như tổ hợp kính lọc khơng gian phận hồn chỉnh xử lí tín hiệu quang học

Các thành phần máy tính quang học

Các ảnh toàn cảnh ghi tinh thể khúc xạ quang xóa được, đại diện cho hệ lưu trữ hồi phục số liệu máy tính Sự truyền thơng tin từ chíp sang chíp khác hồn thành tốt nhờ HOE kết hợp với quang sợi tích phân Dùng kĩ thuật “trộn bốn sóng” thơng qua “sự kết hợp pha” ảnh toàn cảnh thực tinh thể gửi ngược lại phía vật nhiều ánh sáng nhận, tạo nên “gương nghịch đảo thời gian” có khếch đại

Các phép đo y sinh kĩ thuật

Phép đo giao thoa ảnh toàn cảnh so sánh hai trạng thái vật cho thấy thay đổi với độ xác cao Bằng cách cho ánh sáng từ ảnh toàn cảnh giao thoa với ánh sáng từ mẫu, thay đổi “thời gian thực” quan sát trực tiếp Hình cho thấy quan phức tạp (một nấm) phát triển với chuyển động vật không biến dạng “được trừ đi” phía trái cách di chuyển chùm vật qua sợi quang

Các phép đo xác với tốc độ nhanh

Trong ps ánh sáng 1/1000 Như xung ps từ laser qua thấu kính phân kì truyền ngồi dải ánh sáng định xứ

tạo ảnh qua môi trường mờ, thịt người để phát ung thư vú điều thực

Do ảnh tồn cảnh truyền qua có độ sâu trường thực tế khơng có giới hạn nên kiện thoảng qua khơng gian rộng lớn ghi lại sau đem nghiên cứu Thí dụ vết hạt có thời gian sống khoảng vài picogiây ghi lại buồng bọt Phịng thí nghiệm quốc gia Enrico Fermi

Ảnh toàn cảnh thú vui

Giống chụp ảnh thường, chụp ảnh tồn cảnh dễ dàng cho sinh viên với lứa tuổi khuynh hướng học Cùng với vui thích bổ ích bạn tự nhiên bị quyến rũ để học tất tư tưởng giành giải Nobel

Ứng dụng laser

Elsa Garmire giáo sư kĩ thuật điện vật lí Hiện bà giám đốc Trung tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại học Tổng hợp Nam California, Garmire tốt nghiệp khoa vật lí Đại học Harvard năm 1961, bảo vệ luận án tiến sĩ Viện kĩ thuật Massachussette năm 1965 quang học phi tuyến hướng dẫn nhà vật lí giải thưởng Nobel C.H Townes Bà tác giả 160 báo sáng chế phát minh, nhà nghiên cứu lĩnh vực điện tử học lượng tử dụng cụ quang học tuyến tính phi tuyến suốt 25 năm qua Bà thành viên Viện hàn lâm kĩ thuật quốc gia, thành viên Hội quang học Mĩ chủ tịch Hội từ năm 1993

Laser – Chiến tranh – Những máy ánh sáng thần kì từ gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho nhà khoa học kĩ sư Mấy năm sau phát minh laser năm 1958, laser gọi “giải pháp tìm kiếm tốn” Bây sau 35 năm, laser thực giải nhiều tốn Trong tiểu luận chúng tơi muốn trình bày số hàng ngàn ứng dụng laser

Các laser xạ ánh sáng đặc biệt, ánh sáng kết hợp (tiết 40-5) Ánh sáng laser phát sóng điện từ có tần số pha hồn tồn xác định Tính kết hợp đạt kết lối chuẩn trực đơn sắc Những ứng dụng laser liên quan mật thiết đến tính chất kết hợp này.Thí dụ ánh sáng có số pha hồn tồn xác định chuẩn trực qua kính viễn vọng để áp dụng chẳng hạn việc quan sát liểm tra hội tụ lại điểm nhỏ cường độ đạt cao Hơn khả đo pha ánh sáng với cường độ cung cấp thơng tin Phần lớn ứng dụng mô tả tiểu luận sử dụng đặc trưng Những ứng dụng có tính chất đặc thù phụ thuộc vào đặc tính laser sử dụng mà ta mộ tả sơ lược

Để phát ánh sáng kết hợp, laser cần phải có mơi trường khếch đại gương để cung cấp lượng phản xạ ngược lại (tiết 35-7) Bằng mô tả số nhiều laser dùng rộng rãi Các chất khí, chất lỏng (các dung dịch thuốc nhuộm) ; tinh thể (YAG - grơnát ittri alumin), thủy tinh chất bán dẫn GaAs dùng laser Ngay excimer (các phân tử gồm khí halogen ArF) khí ngồi vũ trụ chứng minh thể tính chất laser Vùng bước sóng laser kéo dài từ vùng cực tím xa ( <200 nm) đến vùng hồng ngoại xa (>200 mm) Các laser hoạt động với lối bước sóng liên tục xung nhờ kỹ thuật chuyển mạch “chuyển mạch Q” (QS), “khố mod” (ML) hay “phóng điện điện trường ngang khí quyển” (TEA) Cơng suất xạ laser rẻ tiền (như He - Ne, GaAs) vài miliốt mW, lúc cơng suất cực đại laser xung có th6ẻ đến hàng gigat GW Các đặc tính khác tính hiệu bền vững bền vững số ứng dụng cụ thể

Để tạo khuyếch đại, thực kích thích phóng điện (chất khí) tiêm dịng (chất bán dẫn), đèn xung (chất rắn), laser khác (laser màu) phản ứng hóa học Các hình 1-4 cho thấy sơ đồ số loại laser Những đặc trưng laser khác nhau: giá từ vài đô la đến vài triệu la; cơng suất từ microốt mW đến gigaốt GW; kích thước từ vài phần mười milimét đến hàng chục mét; độ rộng vạch từ 10-1 đến 10-15; độ dài xung từ 10-14 giây đến liên tục.

Chỉ số laser có thị trường bn bán Cho tới laser He-Ne loại laser vùng khả kiến rẻ tiền Bây thay loại laser bán dẫn vùng khả kiến (hàng triệu dùng máy in laser) Sở dĩ laser bán dẫn nhỏ rẻ tiền, có hiệu suất cao biến điệu được, hàng triệu dùng dàn CD thông tin cáp quang Laservùng hồng ngoại xa khí CO2 loại laser có hiệu suất cao hiệu nhất, dùng để cắt đốt nóng Các laser Ar, excimer Nd: YAG dùng tong y tế

Cắt, phẫu thuật xử lý vật liệu

Laser dùng để tẩy vết chàm loại ung thư da Như rõ ràng laser cứu nhiều sinh mạng

Các laser CO2 điều tiêu dùng để cung cấp nhiệt cho nhiều ứng dụng Thí dụ hàn quai vào nồi Ở quan trọng laser chỗ đồng nồi dẫn nhiệt tốt, để phân bố nhiệt cách nhanh chóng thức ăn chín thép khơng gỉ quai lại có độ dẫn nhiệt Cách hàn thơng thường gặp khó khăn lớn hàn kim loại có độ dẫn nhiệt khác Nhiệt độ cao laser cho phép hàn thời gian ngắn nên độ dẫn nhiệt khác khơng cịn tác dụng

Các laser phối hợp với máy tính cho phép tự động hóa sản xuất, chẳng hạn cắt quần áo tự động Kích thước quần áo lập chương trình máy tính để điều khiển gương di động tập trung tia laser lên lớp vải cần cắt Laser cung cấp nhiệt điểm định để xử lí mặt việc số phận trục cam ô tô Nếu tồn trục cam nung nóng để tơi khơng tránh khỏi làm trục bị vênh làm xác Ngược lại laser tập trung nhiệt mặt cam cần trục cam nên giữ độ xác cao

Chùm tia laser hội tụ xác điểm nhỏ dùng nhiều công việc sản xuất màng mỏng bán dẫn Sự cắt xén laser điện trở, loại bỏ vật liệu thừa làm cho điện trở tăng Một chíp mạch tổ hợp loại nối tiếp điểm kim loại chùm laser Nd : YAG

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LASER TIÊU BIỂU

MÔI TRƯỜNG

KHẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT

ĐỈNH DÀI ĐỘ XUNG

BƯỚC

SĨNG CƠNG DỤNG Khí

Hene

Argon

CO2

CO2 TEA

1nW 10nW 210W 200W 5MW liên tục liên tục liên tục 20ns 633nm 633nm 488nm 10,6 m 10,6 m

Máy quét mã vạch dùng siêu thị Tiêu khiển, y học

Cắt hàn

Xử lí nhiệt Bán dẫn

GaAs AIGaAs GalnAsP 5mW 50mW 20mW

liên tục biến điệu biến điệu 840nm 760nm 1,3 m Đĩa Laser In Laser

Truyền tin sợi quang Chất rắn

Hồng ngọc Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : thủy tinh

100mW 50W 50MW 2KW 100TW 10ns liên tục 20ns 60ps 11ps 694nm 1,06 m 1,06 m 1,06 m

1,06 m Chất màu

(thuốc nhuộm) Chất màu Chạy vòng Rh6G

100mW 10 10kW

tiếp tục 10

10fs

Thay đổi 600nm

Quang phổ

Nghiên cứu khoa học

Hoá học Hf

50mW 50ns

m Vũ khí Excimes

ArF XeCL

10MW 50KW

20ns 10ns

193nm 375nm

Gia công vật liệu Áp dụng y học

Các hùm laser mạnh hạ tên lửa Mĩ dự định nghiên cứu tên gọi SDI (Sáng kiến phòng thủ chiến lược) Yêu cầu đặt kế hoạch chế tạo laser đặt vệ tinh hướng chúng xác để hạ tên lửa trước tên lửa bay đến đích Ý tưởng hấp dẫn ánh sáng chuyển động nhanh tên lửa, tyu nhiên thách thức kĩ thuật làm cho chương trình bị nhiềungười hoài nghi

Photon học Laser tác động mạnh đến công nghệ thông tin

Laser trở thành quan trọng thông tin liên lạc, lưu trữ, thu nhận xử lí thơng tin, có tên cho loại công nghệ – phơtơn học (như điện tử học trước - ND) Ánh sáng laser để truyền thơng tin Một ví dụ loại máy quét (scaner) laser siêu thị Trong máy mã số vạch hàng hoá được quét tia laser He-Ne Ánh sáng phản xạ thu nhận tín hiệu ánh sáng biến điệu thay đổi với thời gian theo hình mã vạch Máy thu biến đổi tín hiệu ánh sáng biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Việc đọc thơng tin ánh sáng áp dụng quan trọng laser Thơng tin gốc in ra, giống mã số vạch máy quét laser siêu thị, khắc thành lỗ nhỏ đĩa đĩa laser

Hệ thống điều khiển gia đình dùng đĩa laser để cung cấp tín hiệu số cho tiếng hay hình Thơng tin lưu giữ đĩa cách dùi loạt lỗ nhỏ bề mặt phản xạ chùm laser mạnh biến điệu Đầu phát laser bán dẫn dọi ánh sáng lên đĩa, từ ánh sáng phản xạ lên đến máy thu, trừ trường hợp có lỗ lớp phản xạ Khi đĩa quay, hình ảnh lỗ chuyển động thành tín hiệu số chứa đựng thơng tin âm mã hóa

Thơng tin đặt dấu ấn lên chùm sáng cách biến điệu laser Trong máy in laser hệ máy tính người ta dùng laser bán dẫn biến điệu vế nguyên lí in xêrơ Ánh sáng laser hội tụ vả quét khoảng trống xêlen, cá điện tích tạo thành chiều sáng Các điện tích có tác dụng giữ hạt cacbon mực in Người ta lăn giấy in trống Dười tác dụng nhiệt mực in dính lên giấy tao nên in Thách thức ứng dụng phải tạo laser bán dẫn có cơng suất đủ lớn vùng ánh sáng đỏ, vùng mà xêlen bắt nhạy Các laser loại rẻ dùng làm mũi dị để đọc thơng tin

Trong hệ thông thông tin quang học, laser biến điệu phát chùm ánh sáng mang thông tin đến máy thu cách xa nhiều số Trong hệ quang sợi, lối laser bán dẫn biến điện cách thay đổi dịng điện ni hội tụ sợi quang (xem tiểu luận 12) Để liên lạc đến vệ tinh hay ngược lại từ vệ tinh, hệ thống quang học “đường ngắm” quan trọng Trong áp dụng người ta dùng laser Nd : YAG với máy biến điệu bên cấu tạo thể LiNbO3 (Lithium niobate) hoạt động cửa trập máy ảnh

Sự biến thiên bên với hiệu suất cao hoạt động ánh sáng hạn chế ống dẫn sóng quang học gọi quang học tổ hợp Mơ ước cuối quang học tổ hợp thay hệ quang học rời rạc phức tạp “chíp” bán dẫn chứa đựng tất dụng cụ quang học cần thiết cho hệ ánh sáng biến điệu, tổ hợp, xử lí thu nhận Chúng ta đứng ngưỡng cửa phát triển mạch quang học tổ hợp cạnh tranh với mạch điện tử tổ hợp Thuật ngữ “quang – điện tử” dùng cho mạch tổ hợp thành phần điện tử quang học “chíp”

Laser : phương tiện tốt

Tính kết hợp laser làm cho chúng trở thành lí tưởng cho nhiều phép đo phép đo giao thoa quang phổ học

Giám sát chuyển động nhỏ đất động đất theo dõi nhờ giao thoa kế laser

Rađa laser (liđar) cung cấp số đo xác khoảng cách dến Mặt Trăng đến vệ tinh Người lên Mặt Trăng đặt gương chế tạo đặc biệt để phản xạ ánh sáng ngược lại mà không phụ thuộc vào phương Một chùm laser xung hồng ngọc chuẩn trực nhờ kính viễn vọng Texas hướng lên gương Mặt Trăng, từ phản xạ lại kính viễn vọng Thời gian trễ tín hiệu trở xác định khoảng cách đến Mặt Trăng với sai số cỡ vài centimet

của vật Nếu cần vật di chuyển phần bước sóng đủ dể phát cách chụp ảnh hai lần phơi sáng trước sau di chuyển, kết thể dải vân giao thoa thu ảnh

Sự đơn sắc tia laser dã cho phép làm cách mạng quang phổ học nhằm hấp thụ xạ ánh sáng môi trường nguyên tử phân tử Bằng cách xác định cẩn thận bước sóng đặc trưng bị hấp thụ hay xạ nhà quang phổ thu thông tin quan trọng trang thái nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay xạ ánh sáng Quang phổ học cần thiết cho nhiều lĩnh vực khoa học hóa học, vật lí, sinh học thiên văn học Những cách mạng thật nhận thức khả tia laser mang lại làm hẹp độ rộng vạch đo đến thừa số 1010 !

Một phương pháp đo lường dùng sợi quang để phát biến đổi đại lượng vật lí Sợi quang cung cấp phương tiện để phân bố ánh sáng đến vị trí xa thân yếu tố cảm biến (một xenxơ) Loại thứ xenxơ nhiệt độ đáy giếng sâu mà ánh sáng theo sợi quang truyền đến Xenxơ gắn với đầu sợi quang miếng vật liệu bán dẫn có độ truyền qua phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, sau gương Luợng ánh sáng phản xạ qua phụ thuộc vào nhiệt độ nên dùng để đo nhiệt độ từ xa Nguyên tắc áp dụng cho loạt ứng dụng khác đo huyết áp, vị trí (phát động đất) vật gây nhiễm

Bản thân sợi quang dùng xenxơ gài chúng vào nhánh giao thoa kế để tăng độ nhạy dùng cuộn dài Thí dụ phịng thí nghiệm chúng tơi, chúng tơi nhận thấy cuộn dây sợi quang phát nhiệt tay cách xa 10cm Hai loại (cảm biến) xenxơ cuộn sợi quang thực tiễn dùng rộng rãi xenxơ âm xenxơ quay quán tính Những tiến đáng kể thực cho loại cảm biến quang sợi dùng cho y tế, thương mại quân

Một hướng phát triển hấp dẫn đo đạc laser dùng tính chất làm vi phạm độ đơn sắc vốn nhiều người gán cho laser Đó khả thực laser màu hoạt động vùng tần số rộng sau tạo nên xung ánh sáng cực ngắn khoảng 10-14 giây Trong lúc thời gian phản ứng điện tử điển hình nano giây xung ánh sáng cực ngắn thăm dò vật chất nhanh nhiều Chúng ta gọi chế độ 10-15 – 10-13 giây chế độ femto giây

Các xung cực ngắn tạo nên từ laser phương pháp “khoá mod” (mode lockinh), tức dùng laser có nhiều mod tạo điều kiện để khoá đồng thời mod với pha thời điểm cho trước Đo mod dao động với tần số khác nên chúng nhanh chóng khơng cịn đồng pha thực tế bị triệt tiêu khoảng thời gian nghịch đảo hiệu tần số chúng, để tạo nên xung cực ngắn Xung ngắn theo thời gian độ rộng giải tần mà laser yêu cầu phải rộng nhiêu Các xung ngắn có dùng laser màu có giải tần rộng bao trùm gần hết tồn vùng khả biến, vật lí, hố học trình điện tử xảy femto

Các áp dụng laser xã hội công dụng phát gần hàng ngày : nói đến số ứng dụng quan trọng Việc nghiên cứu mạnh mẽ cần thiết để đem lại kết hoàn toàn cho ý nghĩa phát nhiều áp dụng Laser chiếm vị trí điện tử cuối năm 1950 Ai hình dung ứng dụng chúng kỷ 21 ?

Y học hạt nhân

Russel K Hobbie giáo sư vật lí trường Đại học Tổng hợp Minnesota Ơng tốt nghiệp đại học Viện Công nghệ Massachussette (M.I.T) bảo vệ luận án tiến sĩ Đại học Havard Các lĩnh vực nghiên cứu ông bao gồm : y học phóng xạ chuẩn đốn, tạo ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, tâm đồ kí, tin học chuẩn đốn bệnh…Ơng tác giả sách giáo khoa “Vật lí dùng y học sinh học” xuất năm 1988

Richard L Morin phó giáo sư thuộc Khoa y học phóng xạ trường Đại học Tổng hợp Emory bảo vệ luận án tiến sĩ y học phóng xạ trường Đại học tổng hợp Oklahoma Lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu ông ứng dụng máy tính y học phóng xạ y học hạt nhân

Y học hạt nhân xử dụng lượng nhỏ chất phóng xạ dựa vào thể người dụng cụ chẩn đốn Các hình ảnh tạo cho thấy phân bố chất phóng xạ phận khác thể Độ phân giải không gian ảnh tạo y học hạt nhân thường cỡ vài milimét Ảnh tia X cho thông tin cấu trúc – tức giải phẫu vùng Trong đó, ảnh y học hạt nhân lại cho thông tin sinh lý học – lượng dược phẩm phóng xạ thụ lại quan mà ta quan tâm Bằng cách đo độ phóng xạ vùng hàm số thời gian, ta kiểm tra q trình sinh lý

Có nhiều hạt nhân phóng xạ dùng nghiên cứu chẩn đoán Tuy nhiên, đa số điều khơng có hiệu Vì độ phóng xạ điều đo đêtectơ đặt thể, nên hạt nhân phát hạt chúng điều vơ dụng hạt khơng xa được, hầu hết điều bị hãm dừng lại trước thoát khỏi thể Nhiều hạt nhân lại phát hạt phôtôn – tia gamma - kèm theo hạt Vì có lượng thích hợp phơtơn ngồi thể nên chúng phát

Nửa thời gian sống hạt nhân củng quan trọng Nó cần phải sống đủ dài để tạo được, đưa vào thể bệnh nhân đo đạc Mặt khác, (giả sử tất hạt nhân điều có thể) lại muốn hạt nhân phải phân rã mạnh, hạt nhân phân rã q trình đo cho thơng tin hữu ích ; hạt nhân phân rã muộn chẳng có ích lợi gì, cịn tăng liều lượng phóng xạ mà thể bệnh nhân nhận

Hai đồng vị thường sử dụng nhiều nhất, 99mTc (“Tecneti – 99 – m”) 131I (“Iot – 131”)

khơng ngối thể ) Như tên gợi ý (“technical – có nghĩa kĩ thuật”), tecnơti khơng có tự nhiên Nó tạo thành từ phân rả 99Mo, sản phảm phân hạch (xem chương 48 ) tạo lò phản ứng hạt nhân 99Mo, có nữa thời gian sống 67 hàng tuần, đến hai lần, chở tới bệnh viện khắp đất nước Mỗi ngày bệnh viện điều tiến hành tách lấy 99Tc tạo thành dùng cho khám bệnh ngày hôm Vị trí thể mà tecnơti sẻ tới điều khiển cách gắn vào hóa chất có tính chất mong muốn Ví dụ, với phơtpho hữu để giúp cho việc khám xương, gắn với hạt lưu huỳnh dạng keo để giúp khám gan

Đồng vị 131I nhóm dược phẩm phóng xạ tuyệt vời để nghiên cứu tuyến giáp Tuyến giáp có vị trí cổ Nó tiết hai loại hoocmôn để điều chỉnh tốc độ trao đổi chất thể Cả hai hóomơn điều chứa Iôt – 131 phân rã tổ hợp xạ với thời gian sống ngày Đa số tia diều có lượng 364 keV Đồng vị Iôt củng tạo sản phẩm phân hạch lò phản ứng hạt nhân

Đêtectơ dùng nhiều tính đếm nhấp nháy Một số chất nhấp nháy, tức phát ánh sáng thấy được, có hạt , phô tôn đập vào Một ống nhân quang nhạy dùng hiệu ứng quang điện (chương 43 ) để phát ánh sáng Hình P.3601 cho thấy ống nhân quang ngắm thẳng vào khối chất nhấp nháy Chất nhấp nháy bảo vệ ống chuẩn trực chì để đảm bảo cho phôtôn tới từ hướng xác định đập vào chất nhấp nháy Toàn đtectơ đựơc đặt để quan sát thận độ phóng xạ thận kiểm tra sau người bệnh uống phẩm phóng xạ chuyển tới thận Loại đêtectơ dùng rộng rãi giai đoạn đầu y học hạt nhân Nhưng khơng thật hiệu quả, phạm vi quan sát nhỏ so với kích thước nhiều quan thể nên có nhiều phân rã xảy mà không phát hiện, kết việc khám bệnh nhiều thời gian bệnh nhân phải uống liều lượng cao

Camera nhấp nháy hoạt động theo nguyên tắc Nhưng hiệu nhiều Một khối chất nhấp nháy lớn, thường có đường kính từ 0,25 đến 0,4m, chắn phía ống chuẩn trực có nhiều lỗ Phía ngắm thẳng hệ thống gồm 19 34 ống nhân quang, vẽ hình P.3602 Các ống nhân quang nối với dụng cụ điện tử cho phép xác định vị trí chớp sáng tương tác phơtơn với chất nhấp nháy cách so sánh có ánh sáng tới từ nhân quang khác Khi thiết bị điện tử ghi lại số đếm vào nhớ máy tính Sau khám song, phân bố khơng gian độ phóng xạ hiển thị hình Một camera nhấp nháy cho hình

trường hợp, dược phẩm phóng xạ hấp thụ chỗ thương tổn nhanh so với mô xung quanh Điều dẫn tới “điểm nóng” hình chụp Một ví dụ bệnh xương, có quay vịng phơtpho lớn bình thường Một ảnh quét xương cho hình Các điểm nóng nhìn rõ hai rẻ sườn phía trước Cũng có chất phóng xạ ruột thận, điều nhìn rõ từ phía trước phía sau, tương ứng

Trong đa số trường hợp, chỗ tổn thương hấp thụ chất phóng xạ mơ xung quanh, điều dẫn tới “điểm lạnh” Hình cho thấy ảnh quét tuyến giáp bình thường hấp thụ 131I Ảnh cổ phóng đại lên nhiều so với ảnh qt tồn thân Hình cho thấy điểm lạnh phía tuyến giáp bệnh nhân (tức bên trái phía hình vẽ) điểm nóng phía thùy phải Điểm lạnh xuất hạch tuyến giáp khơng tạo hcmơn tuyếngiáp ung thư phát triển nhanh tới mức vượt cung cấp máu

Hình cho thấy phân bố máu phổi bình thường Chất phóng xạ phổi bệnh nhân bị chắn phần camera tim người làm che khuất phía phổi trái Một ví dụ khác điểm lạnh cho hình mà

ta cần so với phổi bình

thường cho hình Bệnh nhân hình có số cục (làm) tắt mạch (cục nghẽn) Một số cục vỡ từ cục nghẽn lớn tĩnh mạch chân bệnh nhân Những cục qua tĩnh mạch ngày lớn vào phía phải tim bơm vào phổi Trong phổi, qua động mạch ngày nhỏ bị tắc lại động mạch có kích thước trung bình hồn tồn làm nghẽn nó, khơng cho máu chảy tới vùng phổi

Các hình quét thực cách gắn 99mTc vào tiểu cầu anbumin có đường kính lớn mao mạch Các tiểu cầu tiêm vào tĩnh mạch cánh tay, qua tim “cư trú” mao mạch phổi (Có đủ tiểu cầu để chặn khí phần nhỏ mao mạch) Bình thường phổi phóng xạ Nếu có vùng phổi bị nghẽn mạch, tiểu cầu khơng thể tới vùng phổi xuất điểm lạnh