Con tàu sắt nổi vì nó được làm rỗng, ép xuống và chiếm chỗ của một khối nước rất lớn, và nước đẩy ngược lên một lực bằng đúng trọng lượng của khối nước bị chiếm chỗ đó. Chỉ cần trọng lượng cả con tàu nhỏ hơn trọng lượng khối nước nó có thể chiếm, tàu sẽ nổi. Cây đinh sắt thì đặc, chiếm chỗ rất ít nước, nên chìm.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Đứng trên bến Ninh Kiều hay cảng Hải Phòng nhìn những con tàu chở hàng nghìn tấn, ai cũng từng thắc mắc vì sao khối sắt khổng lồ ấy không chìm nghỉm. Câu trả lời đã có từ thời Hy Lạp cổ đại, và nó cũng giải thích vì sao bạn nổi dễ hơn khi tắm biển.
Lực đẩy của nước đến từ đâu?
Khi bạn ấn một quả bóng xuống chậu nước, bạn cảm thấy nước đẩy ngược lên. Lực đó đến từ áp suất của nước. Nước càng sâu, áp suất càng lớn, vì có nhiều nước đè lên phía trên hơn.
Một vật nằm trong nước bị nước ép từ mọi phía. Ép ngang thì hai bên cân nhau. Nhưng mặt dưới của vật nằm sâu hơn mặt trên, nên áp suất đẩy lên ở mặt dưới lớn hơn áp suất ép xuống ở mặt trên. Phần chênh lệch đó chính là lực đẩy lên.
Archimedes là người được ghi nhận đã phát biểu quy luật này: vật nhúng trong chất lỏng chịu một lực đẩy lên bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà nó chiếm chỗ. Câu chuyện ông nhảy khỏi bồn tắm hét lên Eureka khi nghĩ ra cách kiểm vương miện bằng vàng là một giai thoại được kể lại nhiều thế kỷ sau, không chắc đã xảy ra đúng như vậy.
Điều đáng nhớ là lực đẩy không phụ thuộc vật làm bằng gì. Một khối sắt và một khối gỗ cùng thể tích, nhúng ngập trong nước, nhận cùng một lực đẩy. Khác nhau là trọng lượng của chính chúng.
Vì sao cây đinh chìm mà con tàu nổi?
Sắt nặng hơn nước khoảng gần tám lần với cùng một thể tích. Cây đinh đặc ruột, nên dù chìm hẳn, khối nước nó chiếm chỗ cũng chỉ nặng bằng khoảng một phần tám trọng lượng của nó. Lực đẩy không đủ, nó chìm.
Con tàu cũng làm bằng sắt, nhưng sắt chỉ là lớp vỏ mỏng bao quanh một khoảng rỗng khổng lồ chứa không khí và hàng. Khi tàu hạ xuống nước, phần thân dưới nước chiếm chỗ một khối nước rất lớn. Tàu chìm dần cho tới khi trọng lượng khối nước bị chiếm chỗ đúng bằng trọng lượng của cả con tàu. Tới đó nó dừng lại và nổi.
Bạn có thể tự thử bằng một miếng giấy bạc nhôm. Vo tròn thật chặt, nó chìm. Gấp thành chiếc thuyền nhỏ có thành, nó nổi được, thậm chí chở thêm vài đồng xu. Cùng một lượng nhôm, chỉ khác hình dạng.
Người ta thường nói gọn bằng khối lượng riêng trung bình: tính tổng khối lượng chia cho tổng thể tích, kể cả phần rỗng. Nếu con số đó nhỏ hơn của nước, vật nổi.
Vạch mớn nước và chuyện ghe chở quá tải
Nhìn kỹ thân các tàu lớn, bạn sẽ thấy những vạch sơn chỉ mức nước tối đa được phép ngập tới. Chất thêm hàng, tàu nặng thêm, phải chìm sâu thêm để chiếm thêm nước. Tới một mức nào đó, mép thân tàu chỉ còn cách mặt nước một chút.
Lúc đó tàu vẫn nổi, nhưng mất đi phần dự trữ an toàn. Một con sóng nhỏ, một cú nghiêng khi rẽ, nước tràn qua mạn vào khoang, khoang đầy nước thì khoảng rỗng biến mất và tàu chìm rất nhanh.
Chuyện này gặp nhiều ở ghe, đò chở khách trên sông ở nông thôn. Ghe chở quá đông, mạn ghe sát mặt nước, khách lại hay dồn về một bên để xem hay để lên bờ. Trọng tâm dồn sang một phía, ghe nghiêng, nước tràn vào.
Lời khuyên vật lý ở đây rất đơn giản: không lên đò đã quá tải, ngồi yên và phân đều hai bên, không đứng dồn về một mạn, và luôn mặc áo phao khi đi đò.
Vì sao tắm biển nổi dễ hơn tắm sông?
Nước biển có muối hoà tan nên nặng hơn nước ngọt một chút với cùng thể tích. Cùng một cơ thể, chiếm chỗ cùng một lượng nước, nhưng nước biển đẩy lên mạnh hơn. Bạn nổi cao hơn khi tắm ở biển Nha Trang so với khi bơi ở sông.
Tàu thuyền đi từ sông ra biển cũng nổi lên một chút, và ngược lại, từ biển vào sông thì chìm sâu thêm. Vì vậy vạch mớn nước trên tàu lớn thường có nhiều mức cho nước ngọt, nước mặn, mùa hè, mùa đông.
Cơ thể người tự nó có khối lượng riêng gần bằng nước. Phổi đầy hơi giúp ta nổi; thở ra hết, nhiều người sẽ chìm dần. Người nhiều mỡ nổi dễ hơn người nhiều cơ, vì mỡ nhẹ hơn nước còn cơ và xương nặng hơn.
Đây là lý do khi gặp nạn dưới nước, giữ bình tĩnh, ngửa mặt lên, hít đầy hơi và thả lỏng thường giúp nổi lâu hơn so với vùng vẫy hoảng loạn.
Áo phao, phao bơi và tàu ngầm: cùng một nguyên lý
Áo phao chứa xốp hoặc túi khí, nhẹ hơn nước rất nhiều. Khi mặc, nó làm tăng thể tích của bạn mà gần như không thêm trọng lượng, nên tổng thể bạn nhẹ hơn nước và nổi lên. Áo phao đúng chuẩn còn được thiết kế để lật người mặc ngửa mặt lên.
Phao bơi trẻ em đeo tay thì khác. Nó giúp nổi nhưng không giữ mặt trẻ trên mặt nước, và có thể tuột ra. Phao đeo tay không thay được sự trông chừng của người lớn.
Tàu ngầm thì chơi trò ngược lại. Nó có những két lớn, bơm nước vào để nặng thêm và lặn xuống, đẩy nước ra bằng khí nén để nhẹ đi và nổi lên. Cá cũng có bong bóng bơi làm việc tương tự.
Câu hỏi để bạn thử nghĩ: khinh khí cầu bay lên trời cũng dựa vào lực đẩy Archimedes, chỉ có điều nó đang nổi trong một thứ chất lỏng vô hình. Thứ chất lỏng đó là gì?
Câu hỏi thường gặp
Lực đẩy Archimedes có phụ thuộc vào độ sâu không?
Với vật đã chìm hẳn, lực đẩy gần như không đổi theo độ sâu vì thể tích nước bị chiếm chỗ không đổi. Nó chỉ thay đổi khi vật bị nén lại, như bong bóng hay lớp áo lặn bị ép mỏng đi ở dưới sâu.
Vì sao quả trứng tươi chìm còn trứng để lâu thì nổi?
Trứng để lâu mất dần nước qua vỏ và khoang khí bên trong lớn ra, nên khối lượng riêng trung bình giảm. Khi nó nhẹ hơn nước, trứng nổi hoặc dựng đứng lên.
Tàu bằng bê tông có nổi được không?
Có. Miễn là thân tàu được làm rỗng đủ lớn để khối nước bị chiếm chỗ nặng hơn cả con tàu, vật liệu gì cũng nổi được. Đã từng có những con tàu và cầu phao làm bằng bê tông.
Vì sao tàu lớn chở hàng nặng lại vững hơn lúc chạy rỗng?
Tàu rỗng nổi cao, trọng tâm nằm cao so với mặt nước nên dễ chao khi gặp sóng ngang. Vì thế tàu chạy không hàng thường bơm nước vào các két dằn dưới đáy để hạ trọng tâm và giữ thăng bằng.
Ghe chở quá tải có dấu hiệu gì để nhận ra?
Mạn ghe chỉ còn cách mặt nước rất ít, sóng nhỏ đã tạt vào trong, và ghe chao mạnh khi có người đổi chỗ. Gặp ghe như vậy thì đừng lên, và nếu đã ở trên thì ngồi yên, phân đều hai bên.
