Lời dẫn
Từ nhỏ chúng ta luôn được dạy rằng, trái đất ngày qua ngày vẫn đều đặn quay quanh chính mình 24h/vòng(vận tốc khoảng 1.670 km/h tại xích đạo).
Nhưng bạn đã bao giờ cảm nhận được sự quay của trái đất chưa?
Từ thế kỷ XVI các nhà vật lý học đều đưa ra nhận định rằng trái đất tự quay quanh chính nó nhưng chưa có một ai có thể chứng minh được. Cho đến khi con lắc Foucault, được đặt tên theo nhà vật lý người pháp Léon Foucault[1][2], đã chỉ ra sự tồn tại của lực quán tính Coriolis.
Hãy cùng tìm hiểu về con lắc này nhé!
I. Hệ quy chiếu - lực quán tính
Để có thể hiểu rõ nhất được cách hoạt động của con lắc chúng ta cùng định nghĩa trước hết, hệ quy chiếu quán tính và phi quán tính.
Hệ quy chiếu quán tính(hay hệ quy chiếu galile) là một không gian nơi mà một vật khi không có lực nào tác dụng vào hoặc tổng các lực tác dụng vào bằng không thì sẽ đứng yên hoặc tiếp tục di chuyển theo trạng thái của nó(Tương tự định luật I Newton).
Ngược lại, hệ quy chiếu phi quán tính là một không gian đang chuyển động có gia tốc với một vật đứng yên. Và tại đây định luật I của Newton không còn chính xác.
Hệ quy chiếu quán tính hay phi quán tính phụ thuộc vào góc nhìn của chúng ta hay còn gọi là tính tương đối.
Để có thể hiểu rõ hơn về khái niệm của các hệ quy chiếu, chúng ta cùng giả sử rằng, với đa phần mọi chuyển động hằng ngày của chúng ta, trái đất đang đứng yên và là một hệ quy chiếu quán tính. Vậy, một con tàu đang tăng tốc, trong trường hợp này, là một hệ quy chiếu phi quán tính.
Lực quán tính là một loại lực không có thật nhưng để giải thích các hiện tượng vật lý khác nhau khi đổi hệ quy chiếu, các nhà vật lý đã sáng tạo ra.
Có 2 loại lực quán tính chính:
Lực quán tính điều khiển(ly tâm với chuyển động quay) là loại lực chúng ta thường thấy nhất và hay cảm nhận được nhất. Ví dụ khi bạn vẩy rau nhưng rau lại không bị rơi ra ngoài.
Lực Coriolis(trong chuyển động quay) là lực yếu hơn so với lực quán tính nhưng với tầm cỡ vĩ mô như trái đất thì có thể giải thích được rất nhiều hiện tương kỳ thú. Ví dụ như chiều quay của các cơn bão.
Ví dụ, ở đây, khi xe tải tăng tốc, con lắc bất ngờ bị kéo về sau.
Hay khi chơi ném tạ, các vận động viên thường tự quay để có thể ném tạ được xa hơn.
II. Lực coriolis và con lắc foucault
Trong phần này, để có thể nhận biết được trái đất tự quay quanh chính mình, chúng ta cùng đặt mình lên mặt trời để quan sát. Trái đất giờ đây được coi là một hệ quy chiếu phi quán tính.
Khi tự quay, có 2 lực quán tính tác dụng lên trái đất: lực ly tâm và lực Coriolis.
Lực ly tâm, tuy mạnh hơn nhưng trên thực tế, rất khó để một người trên trái đất có thể nhận biết ra được vì chúng ta còn chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn trái đất mạnh hơn rất nhiều. Nhiều nhà khoa học đã có ý định phân tách 2 lực này để chứng minh trái đất quay nhưng bất thành.
Lực coriolis tuy yếu hơn nhưng lại gần như vuông góc với trọng lực, nhất là khi càng tiến gần tới 2 cực của trái đất, sự hiện diện của lực ngày càng rõ(và tất nhiên chúng ta ko thể nhìn thấy lực tại khu vực quanh xích đạo vì nó rất nhỏ).
Hãy cùng chơi trò chơi ném bóng, 2 người sẽ ném bóng qua lại cho nhau, nhưng họ sẽ được ngồi trên bàn xoay.[3]
Khi bàn xoay dừng, 2 người chuyền bóng cho nhau rất chuyên nghiệp và đơn giản. Thế nhưng khi bàn xoay bắt đầu xoay thì như thế nào?
Thật bất ngờ khi họ không thể chuyền bóng cho nhau. Cũng đúng khi chúng ta đang xoay mà ném thẳng như này thì làm sao mà tới được?
Họ trông có vẻ thật ngu ngốc, nhưng thực sự họ có thấy như vậy không?
Và đây là khi chúng ta quay cùng người chơi, chính xác là do quả bóng tự dưng có một quỹ đạo kỳ lạ khi đang bay, cứ như có ai đó đang tác dụng vào. Và đó là lực Coriolis với góc nhìn của người đang quay.
Nhìn rộng ra, đó chính xác là chúng ta trên trái đất đang nhìn vào những vật chuyển động trên hành tinh của mình.
Vận dụng vào lực đó, con lắc Foucault ra đời
Một con lắc với cái dây cực kỳ dài được cho lắc qua lắc lại lần đầu tiên trên 1 mặt phẳng. Qua một thời gian đủ lâu, chúng ta lại thấy con lắc đang giao động ở một góc khác(một mặt phẳng khác)
Lực Coriolis được tính theo công thức:
Vì vậy tuỳ từng vĩ độ mà thời gian hoàn thành 1 vòng quay của con lắc là khác nhau. Ví dụ ở Paris thời gian này là 30h trong khi đó ở quỹ đạo thì con lắc không quay luôn.
III. MỞ rộng
Lực Coriolis tác dụng lên 2 nửa bán cầu là ngược nhau(chứng minh từ công thức). Một hình ảnh rõ hơn về hiện tượng này khi con người chúng ta có thể chụp ảnh các cơn bão trên trái đất.
Chúng ta có thể nhận thấy những cơn bão ở nam bán cầu quay theo chiều kim đồng hồ trong khi ở bắc bán cầu thì ngược lại.
IV. Kết luận
Qua bài viết, chúng ta đã hiểu thêm phần nào về hệ quy chiếu phi quán tính và đặc biệt là hệ quy chiếu quay cùng với lực quán tính mà ít ai biết tới, lực Coriolis.
Hiện tượng của lực quán tính Coriolis rất hiếm và chỉ xảy ra ở quy mô lớn và vĩ độ hợp lý. Những hiện tượng xoáy nước quanh xích đạo hay trong bồn rửa bát đa phần đều không phải do lực coriolis tác dụng[4].
Bài viết không đi sâu vào các công thức toán học và vật lý nhưng trên thực tế đều được tương thích với các hiện tượng chúng ta đã phân tích ở trên.
Nguồn
[1]: Pendule de Foucault: Wikipedia.com
[2]: Léon Foucault: APS physics
[3]: Coriolis effect: TSG Physics
[4]: Does Water Swirl the Other Way in the Southern Hemisphere?: Veritasium
