Đổ đầy nước vào ly, đặt một tấm bìa phẳng lên miệng, giữ tay rồi úp ngược ly lại và từ từ bỏ tay ra: nước không đổ. Lý do là không khí bên ngoài đang ép lên mặt dưới tấm bìa với một áp suất lớn hơn rất nhiều sức nặng của cột nước trong ly, còn sức căng bề mặt của nước giúp tấm bìa bám kín miệng ly, không cho không khí lọt vào.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Chúng ta sống dưới đáy một biển không khí dày hàng trăm cây số, và biển ấy đè lên mọi thứ với một sức nặng đáng kinh ngạc. Tập này mình làm ba thí nghiệm an toàn với ly nước, chai nhựa và ống hút để thấy cái lực vô hình đó.
Thí nghiệm ly nước và tấm bìa
Chuẩn bị một ly đáy bằng, tốt nhất là ly nhựa để đỡ vỡ, một tấm bìa cứng hay tấm nhựa phẳng lớn hơn miệng ly, và làm trên bồn rửa hay một cái chậu cho khỏi ướt nhà.
Đổ nước thật đầy tới tràn miệng. Đặt tấm bìa lên, ấn nhẹ cho bìa áp sát và đuổi bọt khí. Một tay giữ chặt bìa, tay kia lật ngược ly. Từ từ bỏ tay giữ bìa ra. Nếu làm đúng, tấm bìa dính chặt và nước nằm yên trong ly treo ngược.
Mẹo để thành công: ly phải thật đầy, càng ít không khí bên trong càng tốt; bìa phải phẳng, không cong vênh; lật ly dứt khoát. Lần đầu có thể đổ, đó là lý do làm trên chậu.
Thử nghiêng ly sang một bên, thậm chí xoay ngang, tấm bìa vẫn không rơi. Điều đó cho thấy lực giữ tấm bìa tác dụng theo mọi hướng, đúng tính chất của áp suất chất khí.
Áp suất không khí lớn cỡ nào?
Không khí có trọng lượng. Cột không khí từ mặt đất lên tới rìa khí quyển đè xuống mỗi mét vuông một lực xấp xỉ sức nặng của mười tấn. Lên trên mỗi ngón tay của bạn, nó đè nặng cỡ một chai nước lớn.
Áp suất này đủ để giữ một cột nước cao khoảng mười mét. Nghĩa là nếu có một ống thật dài, kín đầu trên, đầy nước, úp ngược vào chậu, nước chỉ tụt xuống tới khi cột nước còn cao khoảng mười mét rồi đứng lại. Ly nước của bạn chỉ cao vài phân, quá nhỏ bé so với sức chịu đó.
Vậy sao tấm bìa không bị ép bẹp, và bản thân ta không bị đè bẹp? Vì áp suất không khí ép từ mọi phía như nhau. Bên trong cơ thể ta cũng có áp suất cân bằng với bên ngoài, nên ta không cảm thấy gì. Chỉ khi có chênh lệch, như trong ly nước úp ngược kín khí, lực đó mới lộ ra.
Bạn cảm nhận được chênh lệch áp suất khi đi máy bay hay lên đèo cao: tai ù đi, nuốt nước bọt hay ngáp thì nghe tách một tiếng, áp suất trong tai được cân bằng lại.
Chai nhựa tự bẹp lại khi nguội
Thí nghiệm thứ hai dùng chai nhựa mỏng loại đựng nước suối. Rót vào chai một ít nước nóng từ vòi nước nóng hoặc nước ấm, đủ nóng để cầm vẫn được, lắc nhẹ cho không khí trong chai ấm lên, đổ nước ra rồi vặn chặt nắp ngay.
Để chai nguội, hoặc dội nước lạnh bên ngoài. Bạn sẽ nghe tiếng lục bục và thấy chai tự bẹp dúm lại, như có bàn tay vô hình bóp.
Khi nguội đi, không khí và hơi nước trong chai co lại, một phần hơi nước ngưng thành giọt, áp suất bên trong giảm. Không khí bên ngoài vẫn ép như cũ, và chênh lệch đó đủ bóp bẹp vỏ chai mỏng.
Về an toàn: không dùng nước sôi, vì chai nhựa mỏng có thể mềm ra, biến dạng và nước sôi gây bỏng. Trẻ em chỉ làm khi có người lớn rót nước. Đây là phiên bản an toàn của thí nghiệm bóp bẹp lon nhôm bằng hơi nước sôi mà các thầy cô vẫn làm trong phòng thí nghiệm có dụng cụ bảo hộ.
Ống hút, giác hút và hai bán cầu nổi tiếng
Khi uống nước bằng ống hút, bạn không thật sự hút nước lên. Bạn làm giảm áp suất không khí trong miệng và trong ống. Không khí bên ngoài ép lên mặt nước trong cốc, đẩy nước đi lên ống vào miệng bạn.
Giác hút treo khăn trong nhà tắm cũng vậy: ấn giác hút đuổi không khí ra, lớp cao su đàn hồi tạo vùng áp suất thấp bên dưới, không khí bên ngoài ép nó dính vào tường. Tường nhám để không khí lọt vào thì giác hút rơi.
Ở thế kỷ mười bảy, Otto von Guericke ở Magdeburg đã ghép hai nửa quả cầu kim loại, hút bớt không khí bên trong, rồi cho những đàn ngựa kéo hai bên mà không tách được. Khi mở van cho không khí vào, hai nửa rời nhau dễ dàng. Đó là một màn trình diễn ngoạn mục về sức mạnh của áp suất khí quyển.
Màn trình diễn đó diễn ra trước công chúng và được ghi chép lại, nên đến nay nó vẫn là câu chuyện kinh điển trong sách vật lý khi nói về áp suất khí quyển.
Áp suất không khí trong những việc thường ngày
Bơm lốp xe máy là nhồi thêm không khí vào một thể tích cố định. Các phân tử không khí trong lốp đông hơn, va vào thành lốp nhiều hơn, áp suất trong lốp cao hơn áp suất bên ngoài và đỡ được sức nặng của xe và người.
Máy hút bụi dùng quạt tạo vùng áp suất thấp bên trong ống. Không khí bên ngoài ùa vào để lấp chỗ trống, cuốn theo bụi. Nói chính xác, bụi không bị hút mà bị không khí bên ngoài đẩy vào.
Bản tin thời tiết nói về vùng áp thấp, áp thấp nhiệt đới, bão: đó là những vùng không khí có áp suất thấp hơn xung quanh, không khí từ nơi khác tràn vào và xoáy lên, mang theo mây mưa. Con số áp suất ở tâm bão càng thấp thì bão thường càng mạnh.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: các thí nghiệm hôm nay đều dùng lực của không khí. Còn có thí nghiệm dùng điện và từ, chỉ với cục pin, nam châm và đoạn dây đồng, làm ra một thứ quay tít như động cơ. Nó quay được nhờ đâu?
Câu hỏi thường gặp
Vì sao thí nghiệm úp ly nước đôi khi thất bại?
Nếu ly không đầy, bìa không phẳng hay bị thấm nước mềm ra, không khí lọt vào và cân bằng áp suất, nước sẽ đổ. Lật ly chậm và lắc mạnh cũng làm bìa trượt.
Áp suất khí quyển có thay đổi không?
Có. Áp suất giảm khi lên cao và thay đổi theo thời tiết; vùng áp thấp thường đi kèm thời tiết xấu như bão. Các trạm khí tượng đo áp suất liên tục để dự báo thời tiết.
Vì sao lên núi cao nấu cơm dễ bị sống?
Trên cao áp suất không khí thấp hơn nên nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn một trăm độ, thức ăn chín chậm hơn. Nồi áp suất giúp tăng áp suất bên trong để nước sôi ở nhiệt độ cao hơn.
Ống hút dài bao nhiêu thì không hút được nữa?
Về lý thuyết, áp suất khí quyển chỉ đẩy được cột nước cao khoảng mười mét, nên dù hút hết sức cũng không vượt quá mức đó. Thực tế phổi và miệng người chỉ tạo được chênh áp nhỏ hơn nhiều, nên giới hạn thấp hơn hẳn.
Thí nghiệm này có phù hợp cho trẻ nhỏ không?
Thí nghiệm ly nước và ống hút rất phù hợp với trẻ khi dùng ly nhựa và làm trên chậu. Thí nghiệm chai nhựa có dùng nước ấm thì người lớn nên rót nước và giám sát.
