Có phải loài người và loài khỉ có cùng “dòng họ”?

Có phải loài người và loài khỉ có cùng “dòng họ”?

Còn về khối óc và trí tuệ của khỉ nữa. Có lẽ đây mới là những bằng chứng cơ bản về việc nó có phải là họ hàng, bà con với loài người. Thực ra thì bộ óc của loài Hắc tinh tinh nhỏ hơn óc của con người tới ba lần (bộ óc to nhất của chúng là 700 cm2), nhưng các rãnh và các nếp nhăn trong đó thì lại không phải là ít. Chẳng có điều gì đáng ngạc nhiên hết: khỉ cũng có trí tuệ. Nó cũng phải “động não” luôn. Thử hỏi có loài vật nào đoán ra được là muốn với được quả chuối trên cao thì phải lấy mấy cái hộp xây thành bục mà trèo lên.

Song nói cho cùng thì tất cả mọi điều đo mới chỉ là những bằng chứng “gián tiếp” về quan hệ họ hàng của loài người và loài khỉ mà thôi. Chúng ta đang còn có những điểm trực tiếp khác nữa. Có lần người ta đã đem máu của con người thử tiếp cho con chim bồ câu. Con chim bồ câu chết. Tiếp cho thỏ, thỏ lăn ra ốm. Nhưng khi đem máu của con người tiếp cho Hắc tinh tinh thì thấy nó không việc gì cả. Như vậy các nhà khoa học đã đúng khi liệt con người và những con vượn hình người vào nhóm động vật thuộc họ Linh trưởng. Bởi việc tiếp máu chỉ có kết quả tốt đẹp chi người hiến máu và người được tiếp máu có cùng nhóm máu.

Cách đây chưa lâu người ta đã mạo hiểm đem máu vượn tiếp cho người nữa. Hàng chục cuộc tiếp máu như vậy đã được tiến hành và đều thành công cả.

Ngay cả đến ký sinh trùng của cả hai giống cũng như nhau. Cả bệnh tật cũng giống nhau: ho lao, ung thư, tụ huyết, lỵ, tăng huyết áp, xơ động mạch… tất cả đều là những căn bệnh chung và phổ biến; và ở người lẫn khỉ đều có

Nhưng sẽ là sai lầm nếu ta cho rằng những con vượn hình người hiện nay chính là tổ tiên của chúng ta.

Không phải như vậy đâu. Vấn đề tổ tiên nhân loại hiện nay đang còn nhiều điểm chưa sáng tỏ. Tuy vậy có một điểm mà hầu hết các nhà khoa học đều nhất trí là không nên tìm tổ tiên của chúng ta trong những con khỉ hiện thời. Chúng ta và loài vượn hình người chỉ cùng chung một số tổ tiên cổ lai hy mà thôi.

Những thí nghiệm “đẹp nhất” trong lịch sử

Những thí nghiệm khoa học hiện nay thường phức tạp, chỉ có thể thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu, với chi phí lên tới hàng triệu USD. Tuy nhiên, khi được hỏi về thí nghiệm “đẹp nhất” trong lịch sử khoa học, người ta lại tôn sùng các ý tưởng đơn giản.

Mới đây, tiến sĩ Robert Crease, thuộc khoa triết của Đại học New York (Mỹ), đã làm một cuộc thăm dò ý kiến của các nhà khoa học về “thí nghiệm đẹp nhất trong lịch sử”. Kết quả, không phải những thí nghiệm hiện đại và phức tạp (về phân tích gene, về hạt hạ nguyên tử hay đo ánh sáng của các ngôi sao xa…) được chọn là “đẹp nhất”, mà chính là những thí nghiệm đơn giản như đo chu vi Trái đất, tán xạ ánh sáng, vật rơi tự do…, được người ta yêu thích hơn cả. Vẻ đẹp này có một ý nghĩa rất cổ điển: mô hình thí nghiệm đơn giản, logic đơn giản, nhưng kết quả đạt được lại rất lớn.

Dưới đây là thứ tự các thí nghiệm được xem là “đẹp nhất” (xếp theo thứ tự thời gian).

Thí nghiệm đo đường kính Trái đất của Erasthenes

Vào một ngày hạ chí cách đây khoảng 2300 năm, tại thành phố Awan của Ai Cập, Erasthenes đã xác định được thời điểm mà ánh sáng Mặt trời chiếu thẳng đứng xuống bề mặt đất. Có nghĩa là bóng của một chiếc cọc thẳng đứng trùng khớp với thân cọc.

Cùng thời điểm đó năm sau, ông đã đo bóng của một chiếc cọc đặt ở Alexandria (Hy Lạp), và phát hiện ra rằng, ánh sáng Mặt trời nghiêng 7 độ so với phương thẳng đứng.

Giả định rằng Trái đất là hình cầu, thì chu vi của nó tương ứng với một góc 360 độ. Nếu hai thành phố (Awan và Alexandria) cách nhau một góc 7 độ, thì góc đó phải tương ứng với khoảng cách giữa hai thành phố ấy (với giả định rằng cả hai thành phố cùng nằm trên đường xích đạo). Dựa vào mối liên hệ này, Erasthenes đã tính ra chu vi Trái đất là 250.000 stadia.

Đến nay, người ta vẫn chưa biết chính xác 1 stadia theo chuẩn Hy Lạp là bao nhiêu mét (có thể là chiều dài của một sân vận động?), nên chưa thể có kết luận về độ chính xác trong thí nghiệm của Erasthenes. Tuy nhiên, phương pháp của ông hoàn toàn hợp lý về mặt logic. Nó cho thấy, Erasthenes không những đã biết Trái đất hình cầu, mà còn hiểu về chuyển động của nó quanh Mặt trời.

Thí nghiệm về vật rơi tự do của Galilei

Cuối thế kỷ XVI, người ta đều tin rằng, vật thể nặng đều rơi nhanh hơn vật thể nhẹ. Lý do là Aristotle đã nói như vậy, và quan điểm đó được Nhà thờ công nhận

Tuy nhiên Galileo Galilei, một thầy giáo dạy toán ở Đại học Pisa (Italy) lại tin vào điều khác hẳn. Thí nghiệm về vật rơi tự do của ông đã trở thành câu chuyện kinh điển trong khoa học: Ông đã leo lên tháp nghiêng Pisa để thả các vật có khối lượng khác nhau xuống đất, và rút ra kết luận là chúng rơi với tốc độ như nhau! (tất nhiên phải bỏ qua sức cản của không khí). Vì kết luận này mà ông đã bị đuổi việc. Ông trở thành tấm gương sáng cho các nhà nghiên cứu sau này, vì đã chỉ ra rằng: Người ta chỉ có thể rút ra kiến thức khoa học từ các quy luật khách quan của thiên nhiên, chứ không phải từ niềm tin.

Thí nghiệm về các viên bi lăn trên mặt dốc của Galilei

Một lần nữa, Galileo Galilei lại có một thí nghiệm được lọt vào “Top 10 thí nghiệm đẹp nhất”. Để kiểm chứng một đại lượng gọi là gia tốc, Galilei đã thiết kế một tấm ván dài 5,5 mét, rộng 0,22 mét. Sau đó, ông cho xẻ một rãnh ở giữa tấm ván…

Galilei dựng tấm ván dốc xuống, rồi thả các viên bi đồng theo rãnh. Sau đó, ông dùng một chiếc đồng hồ nước để đo thời gian mà viên bi di chuyển trên một quãng đường nhất định (Galilei đã đo đường đi của viên bi và cân số nước do đồng hồ nhỏ ra để suy ra tỷ lệ giữa đường đi và thời gian di chuyển của vật thể).

Galilei khám phá ra rằng, càng xuống chân dốc, viên bi chạy càng nhanh: Quãng đường đi tỷ lệ thuận với bình phương của thời gian di chuyển. Lý do là viên bi luôn chịu tác dụng của một gia tốc (gây ra bởi lực hút của Trái đất). Đó chính là gia tốc tự do (g = 9,8 m/s2).

Newton đã chứng minh rằng, ánh sáng trắng bị phân tán thành nhiều màu khi đi qua lăng kính.

Trước Newton, người ta vẫn cho rằng ánh sáng là một thể tinh khiết, không thể phân tách (lại Aristotle!). Tuy nhiên, Newton đã chỉ ra sai lầm này, khi ông dùng lăng kính để tách ánh sáng Mặt trời ra các màu khác nhau rồi chiếu lên tường.

Thí nghiệm của Newton cho thấy, ánh sáng trắng không hề “nguyên chất” mà nó là tổng hợp của một dải quang phổ 7 màu cơ bản: đỏ, da cam, vàng, xanh lá cây, xanh nước biển, chàm, tím.

Thí nghiệm về “sợi dây xoắn” của Cavendish

Chúng ta đều biết rằng Newton là người tìm ra lực hấp dẫn. Ông đã chỉ ra rằng, hai vật luôn hút nhau bằng một lực tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Tuy nhiên, làm sao để chỉ cho người khác thấy lực hấp dẫn bằng thí nghiệm (bởi vì nó quá yếu)?

Cuối thế kỷ 18, nhà khoa học người Anh Henry Canvadish đã làm một thí nghiệm tinh xảo như sau: Ông cho gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ, rồi dùng một sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên, sao cho thanh gỗ nằm ngang. Sau đó, Cavendish đã dùng hai quả cầu chì, mỗi quả nặng 170 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu gậy. Theo giả thuyết, lực hấp dẫn do hai quả cầu chỉ tác dụng vào hai viên bi sẽ làm cho cây gậy quay một góc nhỏ, và sợi dây sẽ bị xoắn một vài đoạn.

Kết quả, thí nghiệm của Canvadish được xây dựng tinh vi đến mức, nó phản ánh gần như chính xác giá trị của lực hấp dẫn. Ông cũng tính ra được một hằng số hấp dẫn gần đúng với hằng số mà chúng ta biết hiện nay. Thậm chí Canvadish còn sử dụng nguyên lý thí nghiệm này để tính ra được khối lượng của Trái đất là 60 x 1020 kg.

Thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng của Young

Nhiều năm liền, Newton đã dẫn các nhà khoa học vào một con đường sai lầm khi ông cho rằng ánh sáng được cấu thành từ hạt chứ không phải là sóng. Tuy nhiên, năm 1803, nhà vật lý người Anh Thomas Young đã phản bác được quan điểm của Newton bằng thí nghiệm sau:

Young khoét một lỗ ở cửa kính, rồi che lại bằng một miếng giấy dày, có châm một lỗ nhỏ như đầu kim. Sau đó, Young dùng một tấm gương để làm chệch hưởng đi của tia sáng mảnh rọi qua lỗ nhỏ của miếng giấy. Tiếp theo, ông dùng một mảnh bìa cực mảnh (cỡ 0,1 milimet) đặt vào giữa tia sáng để tách nó ra làm hai. Khi hai tia sáng này chiếu lên tường, Young nhận thấy có các điểm sáng và điểm tối đan xen với nhau. Đây rõ ràng là hiện tượng giao thoa của ánh sáng (điểm sáng là nơi hai đỉnh sóng giao nhau, còn điểm tối là nơi một đỉnh sóng giao thoa với một lũng sóng để triệt tiêu nhau). Như vậy, ánh sáng phải có tính sóng.

Thuốc nổ đen là loại thuốc nổ mà con người sử dụng sớm nhất, nó được người Trung Quốc phát minh từ hơn 1000 năm trước. Tên của thuốc nổ đen có từ đâu ? Nếu căn cứ vào tên để suy nghĩ thì thuốc nổ đen có lẽ là một loại nguyên liệu thuốc màu đen có thể nổ phát ra lửa. Nhưng, thuốc nổ sao lại liên quan đến nguyên liệu thuốc. Điều này phải bắt đầu từ những nhận thức ban đầu của con người đối với thuốc nổ.

Trong thời kỳ cổ đại, ngay từ rất sớm con người đã lấy quặng nitratkali (diêm tiêu) và lưu huỳnh để làm những nguyên liệu thuốc quan trọng rồi. Ví dụ như trong “Thần nông bản thảo kinh” thời Hán quặng nitoratkali được liệt vào vị trí số sáu trong các loại thuốc thương phẩm, nghe nói nó có thể chữa được hơn 20 loại bệnh, lưu huỳnh được liệt vào vị trí số 3 trong số các loại thuốc trung phẩm, cũng có thể trị được hơn 10 loại bệnh. Hai loại nguyên liệu thuốc này chính là những loại nguyên liệu chính để chế tạo thuốc nổ đen. Theo khảo chứng thì loại thuốc nổ sớm nhất được ra đời từ tay một nhà luyện đơn. Ở thời cổ đại , để thoả mãn ham muốn trường thọ bất lão của mình, các bậc đế vương phong kiến đã chỉ định một nhóm thuật sĩ đốt lò để nghiên cứu và điều chế đơn dược. Các thuật sĩ luyện đơn đã tiến hành các thí nghiệm như phân li, hoà tan, chưng cất, thăng hoa, đốt… nhiều loại vật chất. Đây có lẽ là hình thức thí nghiệm hoá học sớm nhất mà con người đã làm. Thuật luyện đơn tuy bắt nguồn từ mơ ước của các bậc đế vương nhưng hoạt động thực tiến của nó lại có tác dụng thúc đẩy đối với sự phát triển của khoa học. Một số tác phẩm nổi tiếng của các nhà luyện đơn đựoc lưu truyền hậu thế đã thể hiện những nhận thức tạo nên vật chất của người xưa. Thuốc nổ đen chính là một trong những ví dụ điển hình.

Những nhà luyện đơn Trung Quốc đã tiếp xúc với các vật chất như quặng nitơratkali, lưu huỳnh và than gỗ từ rất sớm và nhận thức được rằng khi chúng trộn lẫn cọ xát hoặc va đập với nhau thì thường sẽ xảy ra cháy có tính nổ. Nhà luyện đơn thời Hán là Ngụy Bá Dương đã dùng lưu huỳnh để kiểm nghiệm quặng nitơratkali là thật hay giả. Qua cọ xát mạnh, nếu đúng là quặng nitơratkali thì gặp lưu huỳnh nó sẽ cháy rất nhanh. Nhà luyện đơn thời Nam Bắc triều Đào Hoằng Cảnh cũng chỉ ra chính xác rằng, quặng nitơratkali gặp than gỗ đỏ và nóng sẽ xảy ra cháy mang tính nổ. Trong những năm đầu của triều Đường trong cuốn sách “Đan kinh” nhà luyện đơn Tôn Tư Mạo đã viết về cách lấy ba thứ là quặng nitoratkali, lưu huỳnh và bột than trộn theo tỷ lệ nhất định thành thuốc nổ đen.Từ đó có thể thấy rằng, lúc đó mọi người đã nắm được đầy đủ về cách chế tạo và tính chất của thuốc nổ đen.

Trong những năm cuối triều Đường thuốc nổ đen bắt đầu được dùng vào lĩnh vực quân sự, thành phần và tỷ lệ thuốc nổ cũng chính xác hơn, quặng nitoratkali 75%, bột than 15%, lưu huỳnh 10%. Đến triều Tống, quy mô sản xuất thuốc nổ liên tục được mở rộng, đất nước còn thành lập các “công thành tác” (xưởng công binh) trong đó có xưởng chuyên sản xuất thuốc nổ đen – lò luyện thuốc nổ, quy mô từ mấy tấn đến mấy chục tấn một ngày. Năm thứ tư đời Bắc Tống (Năm 1040 Công nguyên) trong “võ kinh tổng yếu” do Tăng Công Lượng biên soạn đã viết về cái tên “thuốc nổ” và tỷ lệ điều chế có liên quan. Trong tỷ lệ điều chế, ngoài quặng nitoratkali, lưu huỳnh , than ra còn có thêm các vật dễ cháy như axit sunfuric, nhựa thông, sáp ong, sơn khô…

Khoảng đầu thời kỳ Nam Tống, việc chế tạo thuốc nổ đen được đưa vào trong dân gian . Khi ăn Tết người dân đã dùng thuốc nổ đen để chế tạo pháo và pháo hoa để đốt. Phong tục này còn được giữ cho đến ngày nay.

Thuốc nổ đen là một loại chất hỗn hợp: Quặng nitơratkali là chất oxy hoá sinh ra oxy kích thích cháy, lưu huỳnh và than là những chất có thể cháy, khi cháy kết hợp với oxy hoá sinh ra các thể khí như S02 , CO2. Nhiệt độ bốc cháy của lưu huỳnh thấp hơn than làm cho thuốc nổ dễ cháy hơn, đồng thời lưu huỳnh còn kiêm luôn vai trò làm chất kết dính nữa. Thuốc nổ đen khi cháy có thể sinh ra một lượng lớn nhiệt và khí lớn, làm cho không khí xung quanh dãn nở nhanh mạnh, đột ngột tạo ra hiện tượng nổ.

Thuốc nổ là một trong những phát minh lớn của Trung Quốc, sau đó truyền từ Trung Quốc qua ẤN Độ, rồi xâm nhập vào vùng Ả Rập, rồi lại từ Arập qua các nước như Tây Ban Nha để xâm nhập vào Châu Âu. Do đó Châu Âu xuất hiện thuốc nổ chậm hơn Trung Quốc vài trăm năm. Việc phát minh ra thuốc nổ không những chấm dứt thời kỳ chiến tranh lạnh về mặt quân sự mà còn phát huy được uy lực to lớn trong việc xây dựng các công trình và trong sản xuất công nghiệp. Do đó, thuốc nổ đen đựơc coi là mốc quan trọng trong lịch sử hoá học .

Ở các nơi khai quật được đồ gốm thường có một ít mảnh gỗ bị than hóa hoặc một ít tro than gỗ. Ngoài ra trong các ngôi mộ xây bằng vỏ sò thường có vỏ sò, khi khai quật đồ gốm đồng thời cũng khai quật được một số xương động vật. Các nhà khảo cổ có kinh nghiệm không chỉ đo và phát hiện lượng cacbon trong tro và các mảnh gỗ có trong phần mộ mà còn đo hàm lượng các bon ở dạng hợp chất canxi cácbon trong xương động vật và vỏ sò.

Trong hàm lượng cácbon có các nguyên tử các bon có nguyên tử lượng khác nhau (các đồng vị các bon 12, 13, 14). Nguyên tử cacbon có khối lượng nguyên tử bằng 14 được gọi là đồng vị phóng xạ C14 . Các bon phóng xạ trải qua thời gian sẽ dần dần biến thành nguyên tử nitơ. Thời gian để lượng nguyên tử các bon C14 còn một nửa lượng ban đầu là 5730+40 năm (còn gọi là chu kỳ bán rã hay chu kỳ tán huỷ). Do vậy chỉ cần đo tính phóng xạ của C14 có trong gỗ, trong vỏ sò khai quật được, người ta có thể biết được niên đại cụ thể của chúng.

Ví dụ ở Nhật Bản , đồ gốm đào được ở huyện Catagawa có niên đại sớm nhất 9450+40 năm về trước, trước đây, người ta cho rằng dư chỉ ở huyện Shiba có niên đại 5100+40 năm nhưng tính theo phương pháp đo cacbon phóng xa niên đại của dư chỉ này là khoảng 1950 năm.

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 cầu bằng đồng gắn chặt với nhau về hai phía. Nhưng, hai bán cầu 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 cầu vào với nhau chắc đến nỗi 16 con ngựa cũng không tách nổi chúng ta”.

“Tôi đặt làm hai bán cầu bằng đồng đường kính là ba phần 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 cầu hoàn toàn ăn khít với nhau. Ở một bán cầu 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 cầu 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 dầu thông. Sau khi đã kẹp vòng da này vào giữa hai bán cầu thì không khí không thể lọt vào trong nữa. Nối vòi hơi với một bơm để rút hết không khí trong quả cầu ra. Lúc ấy, người ta đã thấy, qua vòng da, hai bán cầu 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 cầu ra thì còn thấy chúng phát ra tiếng nổ như súng vậy.

Nhưng chỉ cần vặn vòi hơi để cho không khí tự do đi vào là lập tức có thể lấy tay tách hai bán cầu 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 cầu ra.

Không khí nén xấp xỉ 10 N trên mỗi centimét vuông. Diện tích của vòng tròn có đường kính 37 cm là khoảng 1.060 centimét vuông (ở đây ta tính diện tích của vòng tròn chứ không phải bề mặt của bán cầu, 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 cầu lên mặt phẳng, nghĩa là lấy diện tích của vòng tròn lớn). Như thế nghĩa là lực ép của khí quyển trên mỗi bán cầu 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 cầu ra, tám con ngựa ấy đúng là phải kéo một vật tương đương với một đầu 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 cầu Magdeburg ra (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 cầu 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.

Trong một trò ảo thuật, nhà hóa học phủ túi vải vào miệng một bình thép lớn và mở van. Từ miệng bình bốc ra luồng tuyết màu trắng, lúc sau cả túi vải chứa đầy loại tuyết này. Nhà hóa học đêm túi tuyết đổ lên mặt đất, chẳng mấy chốc tuyết trắng biến mất. Tuyết ấy đi đâu?

Chất chứa trong bình không phải là tuyết mà là …CO2 lỏng. Khi chứa CO2 vào bình nén và tăng áp lực, nó sẽ hoá lỏng. Ở thời điểm nhà hoá học mở nút, áp suất trong binh giảm nhanh khiến CO2 lỏng biến thành khí. Trong quá trình này, CO2 thu nhiều nhiệt lượng làm giảm nhiệt độ, một bộ phận khí CO2 sẽ lạnh đến mức hoá rắn, trông bề ngoài giống như tuyết, cũng xốp và trắng.

Băng và tuyết thật là do nước tạo thành, vì vậy chúng ta có cảm giác ẩm. CO2 rắn không phải là nước nên khi sờ chúng ta có cảm giác khô, vì vậy các nhà khoa học gọi nó là “băng khô”.

Nhiệt độ của băng khô là – 78 độ C, vì vậy gây cho ta cảm giác rất lạnh, chúng ta có thể nhẹ nhàng tiếp xúc với nó. Cần chú ý đừng bao giờ sục tay vào băng khô vì điều đó có thể gây tổn thương vì đông lạnh. Ở nhiệt độ cao hơn – 78 độ C, băng khô trực tiếp biến thành khí CO2 không phải qua giai đoạn hoá lỏng. Người ta gọi đó là hiện tượng thăng hoa. Đó là lí do tại sao khi đổ băng khô lên mặt đất, nó sẽ hoàn toàn biến mất không để lại dấu vết gì.

Ở nhiệt độ thường, băng khô bị thăng hoa không ngừng gây nên sự giảm nhiệt độ. Vì vậy, có thể dùng băng khô làm tác nhân làm lạnh. Nếu đem băng khô chộn với propyxenton sẽ tạo ra một hỗn hợp lạnh có thể hạ được đến nhiệt độ - 100 độ C. Các kho đông lạnh hoặc xe lạnh thường dùng băng khô để bổ trợ cho tác dụng làm lạnh. Người ta còn dùng băng khô để làm chất dập lửa hoặc làm mưa nhân tạo. Tuy nhiên, trong việc làm mưa nhân tạo ngày nay, người ta thường dùng bạc io – đua để thay băng khô.

Nếu quan sát kỹ càng tổ ong, bạn chắc chắn sẽ rất kinh ngạc khi phát hiện ra rằng, kết cấu của tổ ong thật là một kỳ tích của tự nhiên, tổ ong là do rất nhiều lỗ với hình dạng to nhỏ không giống nhau tạo thành, nhìn qua từ bên trên, chúng là hình lục giác đều, nhưng sắp xếp rất có trật tự. Nhưng nếu nhìn từ bên trái, chúng lại do rất nhiều hình lăng trụ lục giác đều ghép lại với nhau. Mà đáy của mỗi hình lăng trụ lục giác đều lại càng làm cho con người ta kinh ngạc. Nó không phẳng, cũng không phải tròn. Mà là nhọn, là do ba lăng trụ đáy nhọn hoàn toàn giống nhau hợp thành.

Hình lục giác đều kỳ diệu ở tổ ong từ rất lâu đã thu hút được sự chú ý của con người, tại sao những chú ong nhỏ bé lại làm tổ mình bằng những hình lục giác đều nhỉ, mà không phải là hình tam giác đều, tứ giác đều hay là ngũ giác đều?

Hầu hết các vật thể có hình ống tròn, khi mặt trước, mặt sau, bên phải, bên trái chịu áp lực, bề mặt chịu lực của nó sẽ biến thành hình lục giác. Vì thế nhìn từ góc độ lực học, hình lục giác là ổn định nhất. Vậy thì, những chú ong nhỏ khi làm tổ có phải là để tránh áp lực từ bên ngoài và giữa các tổ với nhau không? Đương nhiên là không phải rồi, bởi vì tổ ong ngay từ ban đầu đã là một khối gắn liền với nhau rồi.

Đầu thế kỷ thứ XVIII, nhà khoa học người Pháp Malaerqi đã từng đo được góc của tổ ong, phát hiện ra một quy luật thú vị, đó là mỗi góc của hình lăng trụ là 109 độ 26 phút, mà góc nhọn là 70 độ 32 phút. Hiện tượng này đã gợi lên trong đầu nhà vật lý học người Pháp Leomiule một gợi ý: hình dáng cố định và đặc biệt này, phải có tốn ít nhiên liệu nhất không, mà diện tích sử dụng lại là lớn nhất? Vì thế, ông xin ý kiến nhà toán học người Thụy Sĩ Kenige, sau khi nghiên cứu tỷ mỷ, Kenige đã chứng thực cho phỏng đoán của ông. Nhưng góc của tổ ong tính ra lần này là 109 độ 26 phút và 70 độ 34 phút sai hai phân so với góc mà Leomiule tính ra.

Năm 1734, nhà toán học Anh lại tiến hành tính toán từ đầu, kết quả hoàn toàn phù hợp với góc của tổ ong. Thì ra, số liệu mà Kenige sử dụng trên biểu bảng đều đã bị in sai.

Qua vài thế kỷ nghiên cứu kết cấu của tổ ong, con người phát hiện ra kết cấu này có lợi nhất cho việc tiết kiệm nhiên liệu và tận dụng không gian. Con người còn tìm ra không ít những vận dụng diệu kỳ của nó. Hiện nay con người đang ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như kiến trúc, hàng không, vô tuyến điện… Từ kiến trúc “Tầng hầm kiểu tổ ong” cách âm cách điệu đến thiết kế con tàu con thoi phóng vào vũ trụ, đều quan hệ mật thiết với kết cấu của tổ ong.

Vì sao bóng bay bơm khí heli chóng xẹp?

Hai quả bóng bay giống hệt nhau, một bơm bằng không khí thường, một bơm bằng khí heli. Được một lúc, bóng bơm khí heli đã teo lại, dúm dó dần, trong khi quả kia hầu như vẫn tròn căng cho đến vài ngày sau. Bóng kín như thế , heli thoát đi đâu?

Heli là loại khí rất nhẹ. Các phân tử của nó được cấu tạo từ các đơn nguyên tử, nên có kích thước rất nhỏ bé, đường kính chỉ bằng 0,1 nanomét. Nhờ thân hình “cực mini” này, heli rất dễ dàng khuyếch tán qua màng kim loại nhờ “vi hành” theo các khe hổng, lỗ rỗng, do vậy người ta thường sử dụng nó để kiểm tra chất lượng các hệ thông hút bụi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp, xem chúng có bị các khe nứt hay không.

Khi bơm heli vào bóng, khí này sẽ nhanh chóng thoát ra ngoài theo các khe, ống nhỏ xíu trên vỏ bóng bay, làm bóng xẹp đi nhanh chóng.

Trong khi đó, phân tỷ nitơ và oxy (hai khí chính trong khí quyển) có đường kính lớn hơn nhiều nguyên tử heli, nên chúng ít bị khuyếch tán qua vỏ bóng bay.

Một nguyên nhân khác cũng khiến hơi nhanh chóng thoát ra là do cấu tạo của vỏ bóng. Bóng bay được làm từ chất dẻo, là một tập hợp các sợi polyme đan vào nhau. Các sợi này không thể sít chặt với nhau, mà còn để chừa các lỗ hổng, hay các khe, rãnh. Vì thế, ngay ở áp suất thấp, heli vẫn có thể khuyếch tán ra ngoài như thường.

Khi bóng được bơm căng, các sợi polyme giãn ra, vỏ bóng trở nên mỏng hơn, lỗ rỗng mở rộng ra, áp lực tăng lên đẩy các phân tử khí chui ra ngoài nhanh hơn, đi qua “quãng đường” ngắn hơn. Đó là các lý do tại sao khi bóng căng, quá trình xẹp hơi diễn ra rất nhanh và chậm dần khi kích cỡ quả bóng bóng thu nhỏ lại.

Bóng có thể tự phồng lên?

Tuy nhiên, bạn cũng sẽ nhận thấy quả bóng không hoàn toàn xịt hẳn. Đó là do ngoài dòng khí đi ra, còn có dòng khi đi từ bên ngoài đi vào cũng chui qua các khe rỗng này. Nếu quả bóng được bơm đầy khi sulphur hexaflourid (có kích thước phân tử rất lớn, rất khó khuyếch tán ra ngoài) thì chúng sẽ không bị xẹp đi. Đồng thời, không khí từ ngoài lại đi vào trong quả bóng, khiến nó dần dần tăng lên về kích cỡ.

Hiện nay, người đã chế tạo ra những loại bóng bay làm từ vật liệu không đàn hồi, không có lỗ rỗng và được phủ màng để giảm sự thoát khí. Mặc dù vẫn có hiện tượng xẹp hơi, nhưng chắc chắn, thời gian căng tròn của bóng đủ cho trẻ em chơi đến khi chúng chán trò này.

Đã bao giờ bạn tự hỏi, những cột nước đá buông thõng từ mái nhà xuống hình thành trong giai đoạn băng tan hay băng giá. Nếu trong ngày băng tan, thì chẳng lẽ nước có thể đóng băng ở nhiệt độ trên số không? Còn nếu trong ngày băng giá, thì lấy đâu ra nước trên mái nhà?

Vấn đề không đơn giản như chúng ta tưởng. Muốn hình thành những cột băng thì trong cùng một lúc phải có hai nhiệt độ: nhiệt độ để làm tan băng – trên số không , và nhiệt độ để làm đóng băng - dưới số không.

Trong thực tế đúng như vậy: Tuyết trên mái nhà dốc tan ra vì ánh sáng Mặt trời sưởi nóng tới nhiệt độ trên số không, nhưng khi chảy đến rìa mái gianh thì nó Đông lại, vì nhiệt độ ở đây dưới số không.

Bạn hãy hình dung một cảnh thế này. Vào một ngày quang mây, trời vẫn băng giá vẫn là 1 - 2 độ dưới không. Mặt trời toả ánh sáng, song những tia nắng xiên ấy không sưởi ấm Trái đất đủ làm cho tuyết có thể tan. Nhưng trên mái dốc hướng về phía Mặt trời, tia nắng chiếu xuống không xiên như trên mặt đất, mà dựng đứng hơn, nghiêng một góc gần với góc vuông hơn. Mà ta biết góc hợp bởi tia sáng và mặt phẳng chiếu nó chiếu tới càng lớn thì tia sáng càng mạnh và sưởi nóng nhiều hơn (tác dụng của tia sáng tỷ lệ với sin của góc đó, như trường hợp hình trên, tuyết trên nóc nhà nhận được nhiệt nhiều gấp 2,5 lần so với tuyết trên mặt đất nằm ngang, bởi vì sin 60 độ lớn gấp 2,5 lần sin 20 độ). Đó là lý do tại sao mặt dốc của nóc nhà được sưởi nóng mạnh hơn và tuyết trên đó có thể tan ra.

Nước tuyết vừa tan chày thành từng giọt, từng giọt xuống rìa mái gianh. Nhưng ở bên dưới rìa mái gianh, nhiệt độ thấp hơn số không và giọt nước (do còn bị bốc hơi nữa) nên đóng băng lại. Tiếp tục đó giọt nước tuyết thứ hai chảy đến cũng Đông lại… cứ thế tiếp tục mãi, dần dần hình thành một mỏm bẳng nho nhỏ. Rồi một lần khác, thời tiết cũng tương tự như thế, và những mỏm băng này được dài thêm ra, cuối cùng trở thành những cột băng giống như những thạch nhũ đá vôi trong các hang động vậy. Nói chung trên các căn nhà không được sưởi ấm, các cột băng cũng hình thành tương tự như trên

Giả sử bạn bị lạc lên một băng đảo và quên mang theo diêm hoặc bật lửa. Xung quanh chỉ có băng tuyết và những cành củi khô. Lúc ấy, có thể bạn sẽ phải dùng băng lấy lửa. Thế nhưng băng là nước hoá đặc ở nhiệt độ rất thấp, làm sao có thể sinh lửa được?

Ở đây bạn phải sử dụng một nguyên lý trong quang học, đó là kính lồi để hội tụ ánh sáng. Người ta có thể đắp băng thành những chiếc kính lồi lớn, trong suốt, rồi đặt nghiêng hứng ánh nắng Mặt trời. Khi ánh sáng đi qua chiếc “kính băng” này, nó sẽ không hâm nóng băng, mà năng lượng được tụ lại thành một điểm nhỏ.

Nếu chiếc kính băng rộng 1 mét và dày khoảng 30 centimét, thì năng lượng ánh sáng Mặt trời mà nó hội tụ có thể đủ lớn để đốt cháy một đám củi khô. Nhà văn viễn tưởng Jule Verne đã dựa trên nguyên lý này để viết ra cuốn truyện phiêu liêu “Cuộc du lịch của viên thuyền trưởng Hatterat” mà trong đó, các nhân vật trong truyện đã dùng thấy kính băng lấy lửa ở nhiệt độ - 48 độ C!

Vấn đề này xem ra có vẻ hơi thừa. Nước không thể cháy được, đây là điều mà ai cũng biết. Nhưng, tại sao nước lại không thể cháy được?

Để nói rõ vấn đề này, trước tiên chúng ta phải làm rõ, cháy là như thế nào?

Cháy thường là một quá trình chỉ sự hoá hợp mạng giữa vật chất và khí oxy. Có một số vật chất mặc dù là ở nhiệt độ thường nhưng chỉ cần có cơ hội “gặp mặt” với khí oxy là nó lập tức “kết hợp” với oxy và tự động cháy. Photpho trắng chính là như vậy. Ngoài ra, có một số chất như than (thành phần chủ yếu là cacbon), khí hydro, lưu huỳnh… mặc dù ở nhiệt độ thường khi tiếp xúc với oxy 2 bên không hề có phản ứng gì, nhưng khi nhiệt độ tăng, chúng sẽ cháy mạnh.

Nhìn bên ngoài thì hình dáng của cồn, xăng, dầu và nước gần giống nhau, đều là thể lỏng không trong suốt. Nhưng cồn là do 3 nguyên tố Cacbom, Hydro, Oxy tạo nên, còn xăng và dầu chỉ chứa Cacbon và Hydro. Trên thực tế, đa số các hợp chất hoá học chứa Cacbon đều có thể tự cháy. Cồn, xăng, dầu sau khi cháy, mỗi một nguyên tử cacbon kết hợp với hai nguyên tử oxy biến thành C02, còn khí hydro kết hợp với oxi thành nước, chúng đã cháy sạch rồi.

Đọc đến đấy có lẽ bạn đã biết rồi, nước tại sao không thể cháy được. Nước là do hai nguyên tố hydro và oxy tạo nên. Cũng tức là, nước là sản phẩm sau khi khí hydro cháy. Đã là sản phẩm của sự cháy thì đương nhiên nó không còn khả năng kết hợp với khí oxy nữa, cũng tức là nó không cháy nữa. Cũng như vậy, C02 là sản phẩm cuối cùng của sự cháy, cho nên nó cũng không thể cháy nữa. Do C02 không thể kích thích cháy, hơn nữa còn nặng hơn không khí cho nên con người có thể xoay ngược lại, lợi dụng nó để cứu hoả.

Tuy nhiên, cũng có không ít các vật chất không “hợp” với khí oxy, cho dù bạn có hâm nóng nó như thế nào thì nó cũng không muốn “kết bạn” với khí oxy, những vật chất như vậy đương nhiên không thể cháy được.

Vì sao dầu và nước không thể hoà tan?

Nhỏ mấy giọt dầu vào nước trong, bạn sẽ thấy chúng lập tức loang ra thành một màng mỏng nổi lên mặt nước. Cho dù bạn có khuấy nước mạnh đến đâu, chúng cũng không thể hoà tan làm một. Vì sao vậy?

Chúng ta đã biết nước suối có thể nhô cao hơn miệng cốc mà không tràn ra ngoài là vì sức căng bề mặt kéo chặt các phần tử trên mặt chất lỏng lại.

Sức căng bề mặt của các loại chất lỏng không giống nhau: của dầu nhỏ hơn của nước. Khi dầu rơi vào mặt nước, nước co lại hết mức nên đã kéo dầu dãn ra thành một màng mỏng nổi bên trên. Hơn nữa, tỷ trọng dầu lại nhỏ hơn nước rất nhiều, nên dù có dùng sức khuấy thế nào, thì màng dầu vẫn nổi lên trên mặt nước và không hoà tan được.

Những chú chim thường xuyên phải nhào ngụp xuống nước để bắt cá cũng dựa vào đặc tính của dầu để bảo vệ mình. Bộ lông vũ trên cơ thể chúng thường xuyên được “tráng” một lớp dầu mỡ đặc biệt tiết ra từ các lỗ chân lông. Nếu không có lớp dầu đó bảo vệ, lông vũ sẽ bị ướt và khí đó chim sẽ chết chìm ngay. Có thể thấy vào lúc trời mưa, những con vịt hăng hái chạy đi chạy lại mà lông không hề bị ướt, còn các chú gà do trên lông không có lớp dầu che phủ, nên bị nước mưa thấm ướt và trở thành gà “rù”.

Tại sao kim cương lại rắn và cứng đến như vậy?

Bạn có thể chưa từng nghĩ đến chuyện than chì đen sì sì và đá kim cương sáng lấp lánh là anh em ruột, đều là cacbon nguyên chất tồn tại trong giới tự nhiên, chỉ có điều là tướng mạo và tính cách của chúng khác nhau mà thôi.

Than chì rất mềm, chỉ cần gạch nhẹ trên giấy da đã để lại vết màu đen xám trên đó rồi, ruột bút chì dùng than chì để chế tạo ra. Kim cương là “nhà vô địch” về độ cứng trong số các khoảng vật: nhân viên bán hàng trong cửa hàng kính dùng dao nạm kim cương để cắt kính, không có vật nào mà không “róc theo dao” cả. Trên mũi khoan của máy khoan thăm dò quặng có nạm kim cương, điều này có thể tăng nhanh tốc độ khoan xuống đất của nó; dao kim cương còn có thể dùng để gia công các kim loại cứng rắn khác nữa.

Than chì và kim cương đều là thành viên của gia tộc cacbon, tại sao độ cứng của nó lại khác xa nhau như vậy?

Thì ra, nguyên tử cacbon trong phân tử than chì xếp theo dạng tầng, độ liên kết giữa các tầng nguyên tử là rất nhỏ, cũng giống như một bộ tú lơ khơ xếp lại vậy, chúng rất dễ bị trượt và tung ra. Còn nguyên tử cacbon của kim cương lại là kết cấu hình khối được xếp gọn gàng, mỗi nguyên tử cacbon đều liên kết trực tiếp và chặt chẽ với nguyên tử cacbon khác, tạo thành một thể kết tinh chặt chẽ, do đó nó rất cứng.

Sản lượng của kim cương thiên nhiên là rất nhỏ, thường ẩn cư ở những vùng sâu của Trái đất. Chỉ có ở nhiệt độ rất cao và áp lực lớn thì cacbon trong lò luyện dưới đất mới có khả năng thông qua quá trình kết tinh thiên nhiên để hình thành đá kim cương quý giá. Do sản lượng kim cương thiên nhiên ít, giá lại đắt cho nên, mọi người thường lợi dụng nhiệt độ cao và áp suất cao để chế tạo đá kim cương.

Những tính toán đã chứng minh rằng: Thể ổn định ở áp lực bình thường của cacbon là than chì, còn đá kim cương thì phải ở nhiệt độ cao 2000 độ C và áp suất cao 5.065 x 106 Apmốtphe mới đạt được trạng thái ổn định. Trong mấy năm gần đây, con người đã biến than chì thành kim cương trong những điều kiện tương tự.

Vì sao khi tàu đi về phía Tây, một ngày dài hơn 24 giờ?

Ngày 20/09/1519, năm chiếc tàu của Tây Ban Nha do nhà thám hiểm Magellan dẫn đầu rời cảng Sanlucar đi về phía Tây, bắt đầu cuộc hành trình vòng quanh Trái đất. Sau gần 3 năm, chỉ còn lại một chiếc tàu về tới quần đảo Mũi Xanh, cực Tây Châu Phi. Nhật ký trên tàu ghi lại “Ngày 09/07/1522, tới quần đảo “Mũi Xanh”. Nhưng ở trên đảo, hôm đó lại là mùng 10.

Các thuỷ thủ trên tàu ngày nào cũng ghi nhật ký nên họ không tin lời dân địa phương. Vậy rốt cục hôm đó là mùng 9 hay mùng 10? Trên thực tế, hôm đó là mùng 10. Các thuỷ thủ đâu biết rằng, họ đã đánh mất một ngày trên đường đi, vì họ đã bắt đầu đi về phía Tây để đi vòng quanh Trái đất.

Trái đất quay từ Tây sang Đông. Đoàn tàu của Magellan đi về phía Tây, vô hình dung họ đã chơi trò “đuổi bắt Mặt trời”. Ban ngày, họ không ngừng đuổi theo Mặt trời đang lặn về phía Tây, ban đêm họ lại tránh xa Mặt trời mọc ở phía Đông, và như vậy ngày và đêm trên tàu được kéo dài ra. Theo tính toán của các nhà khoa học, mỗi ngày đêm trên tàu dài hơn 1,5 phút so với một ngày bình thường có 24 giờ. Vì một phút rưỡi quá ngắn và trên tàu không có đồng hồ chuẩn nên các thuỷ thủ không phát hiện ra. Đoàn tàu đi gần 3 năm, mỗi ngày dài thêm 1,5 phút, cộng lại trong 3 năm đúng bằng 1 ngày. Một ngày kỳ lạ đó đã lặng lẽ biến mất trong chuyến đi của đoàn tàu.

Tất nhiên, nếu như đoàn tàu đi về phía Đông, sau 3 năm họ sẽ dôi ra 1 ngày.

Tốc độ của tàu thuyền mấy trăm năm trước chậm hơn nhiều so với tàu viễn dương và máy bay phản lực ngày nay. Khi các tàu viễn dương và máy bay đi về phía Tây, mỗi ngày không dài ra 1,5 phút mà dài thêm mấy chục phút, thậm chí mấy giờ, bởi lẽ chúng “đuổi theo” Mặt trời với tốc độ rất nhanh. Vì vậy các nhà hàng hải và hàng không khi tính thời gian hành trình buộc phải trừ bớt hoặc cộng thêm khoảng thời gian tăng thêm hoặc mất đi đó.

Với người không có kinh nghiệm đi biển hoặc không học vật lý thì việc thuyền buồm có thể bơi ngược gió thật khó tưởng tượng. Thực ra, thuyền không thể đi ngược hướng gió hoàn toàn, nhưng chệch một góc nhỏ thì có thể.

Muốn hiểu vấn đề, chúng ta hãy tìm hiểu lực gió tác dụng lên buồm như thế nào? Nhiều người nghĩ rằng, cánh buồm được đẩy theo chiều gió thổi, nhưng thực tế không phải vậy: Dù gió có thổi theo hướng nào thì nó cũng chỉ đẩy buồm theo phương thẳng góc với mặt phẳng của buồm mà thôi!

(hình 1)

Nếu hiểu được vấn đề trên, bạn cũng có thể hiểu tại sao thuyền có buồm có thể đi ngược một góc nhọn với chiều gió.

(hình 2)

Giả sử đoạn thẳng KK biểu diễn chiều dài của thuyền. Đường thẳng AB biểu diễn cánh buồm. Người ta hướng cánh buồm sao cho mặt phẳng của nó chia đôi góc giữa phương của lòng thuyền và phương của gió. Bây giờ bạn hãy theo dõi biểu đồ phân tích lực ở hình 2, trong đó Q là áp lực của gió tác dụng lên cánh buồm.

Như đã phân tích ở hình 1, lực Q phải vuông góc với cánh buồm. Lực Q lại có thể được chia thành hai lực: lực S dọc theo mũi thuyền và lực R vuông góc với chiều dài thuyền. Vì chuyển động của thuyền theo hướng R bị nước cản lại rất mạnh (thuyền buồm thường có lòng rất sâu), nên lực R hoàn toàn bị lực cản của nước cân bằng. Do đó, chỉ có S là lực hướng tới phía trước, giúp thuyền có thể chuyển động ngược một góc nhỏ với chiều gió.

(hình 3)

Tầu hoả phải chạy trên hai thanh ray sắt đặt song song với nhau, dưới những thanh ray này, cách một khoảng nhất định đều đặt một tấm gỗ dầy to vuông vức. Nó sẽ làm cho nền đường có thể chịu được áp lực nặng của tầu.

Không biết bạn có chú ý không, thanh ray trên đường sắt không phải là hình “vuông góc” đơn giản mà là hình chữ I với kiểu thiết kế trên hẹp dưới rộng. Điều này là tại sao?

Mọi người đều biết trọng tải của xe lửa rất lớn. Để có thể chịu được áp lực của xe có trọng tải lớn, mặt trên của đường ray cần có độ rộng và độ dày nhất định; Cũng như vậy, để nâng cao tính ổn định của đường ray, mặt đáy của đường ray cũng cần có độ rộng nhất định; Hơn nữa, để ăn khớp với bánh xe, đường ray lại phải có độ cao nhất định. Đường ray hình chữ “I” vừa đủ đáp ứng đầy đủ ba yêu cầu trên, mà xét từ quan điểm của vật liệu cơ học thì đường ray kiểu này có cường độ cao nhất, có thể tận dụng nguyên liệu một cách hợp lý. Do vậy mặt cắt chữ “I” được chọn là mặt cắt đường ray tốt nhất.

Đường ray hình chữ “I” đã được sử dụng trên đường sắt trên đường sắt trên một trăm năm. Ngoài việc để thích ứng với sự tăng trọng tải của đầu máy và nâng cao tốc độ của tàu thì ngoài việc thiết kế tăng mặt cắt của đường ray và cải tiến các chi tiết nhỏ của các bộ phận, hình dạng của đường ray hầu như không có gì thay đổi. Nhưng đây cũng không phải là nói hình dáng của đường ray vĩnh viễn sẽ không thay đổi. Các kỹ sư đường sắt vẫn đang nghiên cứu vấn đề này, hy vọng có thể tìm ra hình dáng của đường ray hợp lý hơn và kinh tế hơn.

Độ rộng của đường sắt đều giống nhau phải không?

Chúng ta biết rằng xe lửa luôn chạy theo hai đường ray đặt song song. Do hai bên trái và phải của tầu hoả tương đối cố định với khoảng cách giữa bánh xe, do vậy khoảng cách thẳng giữa hai thanh ray – khoảng cách ray cũng phải cố định không đổi, nó và khoảng cách của hai bánh tầu hoả phải vừa vặn, ăn khớp với nhau, chỉ ở chỗ ngoặt của đường sắt thì khoảng cách ray mới hơi rộng và để tránh làm trật bánh.

Khoảng cách ray tiêu chuẩn của đường sắt là 1435 mm. Nguồn gốc của nó còn là một câu chuyện! Hơn 2500 năm trước, vương quốc La Mã cổ phái một đại quân sang xâm lược nước Anh. Vô số chiến xa đã tràn qua một vùng đất rộng lớn của Anh Quốc, để lại những vết bánh xe rất sâu trên đường. Lúc đó, loại bánh xe hai bánh này đã để lại vệt bánh xe có khoảng cách giữa hai bánh khoảng 1435 mm làm cho xe ngựa bốn bánh của Anh rất dễ bị sa lầy xuống. Để những xe của mình có thể di chuyển thuận lợi lên phía trước theo các vết bánh xe trũng xuống rất sâu này, người Anh đã quyết định cải tạo khoảng cách của tất cả các bánh xe ngựa thành cùng một độ rộng – 1435 mm. Kết quả, truyền thống này lại được làm tiếp như cũ. Đến năm 1825, tuyến đường sắt đầu tiên trên thế giới được khánh thành tại nước Anh. Khoảng cách ray của đường sắt cũng được định rõ ràng là 1435 mm.

Sau đó, cùng với sự phát triển của cách mạng công nghiệp, rất nhiều quốc gia cũng tiếp tục xây dựng đường sắt, mà lại tới tấp mang khoảng cách đường ray của đường sắt Anh về nước. Năm 1937, Hiệp hội đường sắt Quốc tế qui định: Khoảng cách đường ray tiêu chuẩn của đường sắt là 1435 mm.

Vậy thì có phải tất cả các đường sắt trên thế giới đều dùng khoảng cách ray tiêu chuẩn này phải không? Thực ra, do tính đặc thù của tình hình phát triển đường ray từng thời kỳ của từng nước, không ít nước sử dụng đường ray hẹp hoặc đường ray rộng nhỏ hơn hoặc vượt quá 1435 mm. Ví dụ, khoảng cách ray đường sắt của Liên Xô cũ biến thành 1524 mm, đường ray rộng của Tây Ban Nha đạt đến 1667 mm; Còn trước đây, khoảng cách ray đường sắt Nhật Bản lại tương đối hẹp, chỉ có 1067 mm.

Hầu hết đường sắt trong mạng lưới đường sắt của Trung Quốc đều sử dụng khoảng cách ray tiêu chuẩn quốc tế là 1435 mm. Nhưng ở một số vùng như biên giới Trung Miến, Trung Việt trước đây đã từng trải đường sắt khoảng cách ray hẹp, dùng cho tầu hoả nhỏ của địa phương vận hành, đây là tình hình cục bộ trong thời kỳ lịch sử đặc thù. Ngoài ra, vùng Đông Bắc của Trung Quốc đã xây dựng một vài tuyến đường sắt trong rừng sâu, do chuyên dùng để vận chuyển gỗ, lực kéo dẫn tương đối nhỏ, tầu được thiết kế độ rộng tương đối hẹp, do đó phổ biến sử dụng đường sắt ray hẹp 762 mm.

Một ô tô tải nếu đỗ trên mặt đường đá vụn, 15 người mới đẩy nó đi được. Nhưng nếu một toa xe lửa có cùng trọng lượng đỗ trên đường ray thép, chỉ 2 người là đủ đẩy nó tiến lên. Vấn đề mấu chốt ở đây là sức cản lăn. Đại lượng này chênh nhau tới 7,5 lần ở hai loại xe.

Khi đi xe đạp trên đường rải nhựa phẳng lì bạn sẽ cảm thấy rất dễ chịu, còn khi đi xe trên đường đá vụn gồ ghề khấp khểnh bạn sẽ cảm thấy tốn sức. Tương tự, khi lốp xe đạp bơm căng, ngồi lên xe cảm thấy dễ chịu. Khi lốp non hơi, đạp xe sẽ tốn sức.

Vấn đề cũng vẫn là sức cản lăn. Đường nhựa phẳng lì và lốp xe đạp bơm căng thì sức cản lăn nhỏ, người ngồi trên xe đạp cảm thấy dễ chịu. Vì vậy giảm sức cản lăn là một khâu chủ yếu trong việc nâng cao hiệu quả vận chuyển.

Những xe lửa đầu tiên là những xe bánh gỗ chạy trên đường ray gỗ do ngựa kéo, sức cản lăn rất lớn. Sau đó, từng bước cải tiến, cho đến cách đây hơn 100 năm, khi phát minh ra máy hơi nước thì bánh xe và đường ray mới được chế tạo bằng thép, do vậy sức cản lăn giảm đi rất nhiều.

Mặt khác, do bản thân xe lửa rất nặng, nếu xe lửa trực tiếp chạy trên đường đá hoặc đường xi măng thì mặt đường sẽ xảy ra hiện tượng lõm xuống dưới. Dùng ray thép và tà vẹt, trọng lực của xe lửa được dàn đều nên có thể tránh được tình trạng đó.

Ngoài ra, giữa hai thanh ray của đường sắt có khoảng cách nhất định, gọi là chiều rộng đường ray, nó phù hợp với khu vực của hai bánh xe cùng trục hai bên có gờ. Như vậy, thông qua quan hệ giữa bánh xe và đường ray, xe lửa có thể chạy theo hướng của hai đường ray.

Tại sao đá hoa lại có nhiều màu?

Bạn đã từng đến Bắc Kinh chưa? Khi bạn đi dạo quanh Đại lễ đường nhân dân trên quảng trường Thiên An Môn, đập vào mắt trước tiên là một dãy cột màu trắng xám to lớn và tròn. Bạn có biết chúng được làm bằng gì không? Khi bạn đi gần đến bia tưởng niệm các anh hùng nhân dân, bạn thấy cột bia trắng như ngọc, xung quanh khắc phù điêu kia thật hùng vĩ và trang nghiêm biết bao. Thế bạn có biết chúng được làm bằng gì không?

Thì ra, những thứ đá đẹp kia đều là đá hoa. Chủng loại đá hoa rất nhiều, những cột đá hành lang màu trắng xám kia gọi là “ngải diệp thanh”; đá bia màu trắng tinh khiết không tạp chất kia gọi là “hán bạch ngọc” . Những bức biểu ngữ, cầu đá trắng trước cổng Thiên An Môn cũng được khắc bằng hán bạch ngọc.

Đá hoa là một loại vật liệu xây dựng rất quý và nổi tiếng. Thành phố Đại Lý của tỉnh Vân Nam sản xuất nhiều loại đá này nên có tên là đá Đại Lý (đá hoa). Có điều, đá hoa không nhất thiết phải được chuyển từ Đại Lý đến, những nơi khác cũng có đá hoa.

Thành phần hoá học của đá hoa là Canxi cacbonat. Canxi cacbonat nguyên chất có màu trắng, “hán bạch ngọc” chính là Canxi cacbonat nguyên chất. Canxi cacbonat khó tan trong nước cho nên những biểu ngữ trước Thiên An Môn bị nước mưa hắt trong nhiều năm vẫn đứng sừng sững mà không sao. Có điều, canxi cacbonat một khi gặp muối axit là sẽ lập tức sùi bọt khí và thải ra cácbonic, chỉ lát sau là bị tan ra ngay. Mọi người thường dùng cách này để phân biệt với đá hoa.

Đá hoa thiên nhiên thường không phải là Canxi axit cacbon nguyên chất, bên trong có nhiều tạp chất. Do tạp chất trong đó khác nhau nên màu sắc của đá hoa cương cũng khác nhau. Chính vì như vậy nên chủng loại của đá hoa rất nhiều, màu sắc đa dạng, phong phú, ví dụ như “Đông Bắc hồng” màu đỏ, “Tử đậu biện” màu tím, “Hải đào” (sóng biển) màu đen xám… Nói chung, màu đỏ là do bên trong chứa Coban, màu xanh là do có chứa đồng, còn màu đen và màu xám là do chứa sắt.

Đá hoa mịn, đều, màu sắc tươi tắn, hoa văn đẹp, là vật liệu xây dựng rất tốt. Bây giờ, rất nhiều người còn thích dùng đá hoa để trang trí nội thất, ví dụ như lát nền, làm mặt bàn, điêu khắc nghệ thuật và dùng làm đồ trang sức. Cho dù là dùng như thế nào thì đá hoa đều tỏ ra vô cùng sang trọng và đẹp đẽ.

Điều gì làm thuỷ tinh trong suốt?

Chúng ta có thể nhìn qua hầu hết các chất thể khí và thể lỏng như không khí, nước, rượu, xăng dầu… nhưng khó nhìn thấu qua những chất rắn như sắt, đồng, gỗ… Ấy vậy mà thuỷ tinh tuy cũng là chất rắn, nhưng lại trong suốt, có thể nhìn qua được.

Sở dĩ chúng ta nhìn được qua chất khí và chất lỏng vì các phân tử của chúng sắp xếp rất lỏng lẻo, sóng ánh sáng có thể dễ dàng lọt qua. Ngược lại, phân tử chất rắn liên kết với nhau theo trật tự dày đặc, như các viên gạch xếp xít lại với nhau thành các bức tường chắn ánh sáng.

Ở nhiệt độ cao, thuỷ tinh tan chảy thành chất lỏng. Khi đó, các phân tử sắp xếp rất ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào. Nhưng vì thuỷ tinh Đông đặc rất nhanh, các phân tử vẫn giữ nguyên ở trạng thái hỗn loạn, nên khi đã ở thể rắn, ánh sáng vẫn dễ dàng lọt qua.

Các nam châm thế hệ mới được làm từ những vật liệu hầu như không làm mất từ tính theo thời gian như các loại nam châm hình chữ U trước kia.

Nam châm gồm rất nhiều vùng từ tính nhỏ gọi là miền. Từ trường của nam châm đi theo hướng ngược chiều với các miền tạo ra từ trường đó. Điều này có xu hướng làm các miền quay ngược chiều từ trường của chúng lại.

Với nam châm hiện đại, các miền ở mức độ nào đó bị tê liệt về mặt năng lượng, làm chúng không dễ bị tác động bởi hiệu ứng trên. Cục nam châm chỉ mất từ tính khi bị đun nóng ở nhiệt độ cao hoặc bị rung động mạnh.

Các nam châm kiểu mới sử dụng những chất liệu như alnico (hợp chất gồm nhôm – nickel - cobalt) và cobalt samarium có cấu trúc nội tại ngăn chặn sự thoái hoá của các mạch từ. Chúng được chia thành nhiều mảnh vụn nhỏ, mỗi mảnh là một miền. Ngược lại, nam châm hình chữ U kiểu cũ có miền lớn hơn rất nhiều, là những mẩu sắt cứng với miền được bao bọc bởi các tạp chất carbua sắt. Một điều tưởng như nghịch lý ở đây là những mảnh vụn nhỏ với kích thước tối ưu lại có tính năng ổn định hơn những mảnh lớn trong các chất từ tính. Do vậy, loại nam châm chữ U kém bền vững hơn nhiều so với nam châm kiểu mới.