Sức mạnh kỳ lạ trong quả cầu Magdeburg

Ngày 8/5/1654, người dân thành phố Regensburg, nhà vua và các quý tộc Đức, đã được mục kích một sự việc kỳ lạ: 16 con ngựa, chia làm hai nhóm, ra sức kéo bật hai bán cẩu bằng đồng gắn chặt với nhau về hai phía. Nhưng, hai bán cẩu vẫn trơ ra!

Bằng thí nghiệm này, thị trưởng thành phố, ông Otto von Guericke, đã chứng minh rằng không khí hoàn toàn không phải là “không có gì cả” như mọi người vẫn nghĩ, rằng nó có trọng lượng và nén với một lực rất lớn trên tất cả mọi vật trên Trái đất. Và đây là một trích dịch một đoạn về thí nghiệm này của Guericke:“Thí nghiệm chứng minh rằng áp suất của không khí gắn hai bán cẩu vào với nhau chắc đến nỗi 16 con ngựa cũng không tách nổi chúng ta”.

“Tôi đặt làm hai bán cẩu bằng đồng đường kính là ba phẩn tư khửu Magdeburg(khoảng 40 cm). Nhưng thực tế đường kính chỉ bằng khoảng 37 cm, bởi vì người thợ thường không thể làm thật đúng như yêu câu. Hai bán cẩu hoàn toàn ăn khít với nhau. Ở một bán cẩu có lắp một vòi hơi, qua vòi này người ta có thể hút hết không khí ở trong ra, và không cho không khí ở ngoài lọt vào. Ngoài ra trên hai bán cẩu còn có 4 cái vòng, dùng làm chỗ luồn thừng buộc nối với yên ngựa. Tôi lại sai hai người khâu một cái vòng da; rồi đem ngâm vòng da vào trong hỗn hợp sáp với dẩu thông. Sau khi đã kẹp vòng da này vào giữa hai bán cẩu thì không khí không thể lọt vào trong nữa. Nối vòi hơi với một bơm để rút hết không khí trong quả cẩu ra. Lúc ấy, người ta đã thấy, qua vòng da, hai bán cẩu ép chặt vào nhau mạnh đến mức nào. Áp suất của không khí bên ngoài siết chặt chúng đến nỗi, 16 con ngựa kéo cật lực cũng không tách nổi chúng ra được, hoặc nếu được thì cũng rất tốn sức lực. Khi ngựa kéo được hai bán cẩu ra thì còn thấy chúng phát ra tiếng nổ như súng vậy. Nhưng chỉ cẩn vặn vòi hơi để cho không khí tự do đi vào là lập tức có thể lấy tay tách hai bán cẩu ấy ra được dễ dàng”. Một vài phép tính đơn giản cũng có thể làm cho chúng ta hiểu rõ, tại sao lại phải dùng một lực lớn đến thế để tách hai bán cẩu ra.

Không khí nén xấp xỉ 10 N trên mỗi centimét vuông. Diện tích của vòng tròn có đường kính 37 cmlà khoảng 1.060 centimét vuông (ở đây ta tính diện tích của vòng tròn chứ không phải bề mặt của bán cẩu, bởi vì áp suất khí quyển chỉ có độ lớn như đã nói khi tác dụng vuông góc với một bề mặt, còn khi tác dụng những bề mặt nằm nghiêng thì áp suất đó nhỏ hơn. Trong trường hợp này ta phải lấy hình chiếu thẳng góc của mặt cẩu lên mặt phẳng, nghĩa là lấy diện tích của vòng tròn lớn). Như thế nghĩa là lực ép của khí quyển trên mỗi bán cẩu phải hơn 10.000 N.

Vậy mỗi nhóm 8 con ngựa phải kéo với một lực bằng 10.000 N mới thắng nổi áp suất của không khí bên ngoài. Nhìn qua thì tưởng chừng con số đó không lấy gì làm quá nặng so với tám con ngựa (mỗi bên). Nhưng bạn chớ quên rằng, khi phải kéo một tấn hàng hóa, ngựa phải bỏ ra một lực rất nhỏ hơn 10.000 N rất nhiều, tức là nó chỉ phải thắng các lực ma sát giữa các bánh xe với trục, và giữa bánh xe với đường nhựa mà thôi. Mà lực ma sát này, trên đường nhựa, bằng khoảng 500N (ở đây chúng ta cũng cũng bỏ qua hiện tượng khi tám con ngựa cùng kéo một vật nặng thì chúng bị mất đi 50% lực kéo). Do đó lực kéo 10.000 N của ngựa có thể kéo được một xe 20 tấn. Và như vậy, khi kéo bán cẩu ra, tám con ngựa ấy đúng là phải kéo một vật tương đương với một đẩu máy xe lửa cỡ nhỏ không ở trên đường ray vậy! Người ta đã đo được là một con tuấn mã kéo xe với một lực cả thảy là 800N. Cho nên muốn kéo lật được các bán cẩu Magdeburgra (trong trường hợp lực kéo của các con ngựa bằng nhau) thì mỗi bên phải dùng 10.000/800 = 13 con ngựa.

Chắc hẳn bạn đọc sẽ vô cùng kinh ngạc nếu biết rằng một số khớp xuơng trong cơ thể chúng ta sở dĩ không rời nhau ra, cũng là do một nguyên nhân như ở các bán cẩu Magdegurg. Áp suất khí quyển đã siết chặt các xương lại với nhau, bởi vì khoảng trống giữa các khớp xương không có không khí.