Nếu không có không khí cản, mọi vật rơi nhanh như nhau, bất kể nặng nhẹ. Vật càng nặng thì Trái Đất kéo càng mạnh, nhưng vật càng nặng cũng càng khó làm cho nhanh lên, và hai điều đó bù trừ nhau vừa khít. Chiếc lông gà rơi chậm là vì không khí cản nó, chứ không phải vì nó nhẹ.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Suốt gần hai nghìn năm, rất nhiều người có học tin rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ, vì nhìn qua thì thấy đúng thế. Tập này mình kể vì sao cảm giác đó sai, và một thí nghiệm được làm trên Mặt Trăng để chứng minh điều ấy trước mắt hàng triệu người.
Vì sao người xưa tin vật nặng rơi nhanh hơn?
Vì đó là điều mắt thấy hằng ngày. Hòn đá rơi bịch xuống, chiếc lá bay lượn một lúc mới chạm đất. Nhà triết học Hy Lạp cổ Aristotle đã dạy rằng vật nặng rơi nhanh hơn, và ý này được chấp nhận rất lâu.
Cái sai không nằm ở quan sát, mà ở chỗ gộp hai thứ khác nhau làm một: lực kéo của Trái Đất và sức cản của không khí. Chiếc lá rơi chậm vì nó rộng và nhẹ so với diện tích, không khí đỡ nó rất nhiều. Hòn đá gọn và đặc, không khí gần như không cản được.
Để thấy điều đó, thử một thí nghiệm ở nhà. Lấy một tờ giấy phẳng và một quyển sách, thả cùng lúc: sách rơi trước. Giờ vo tờ giấy lại thành một cục tròn, thả lại: hai thứ gần như chạm đất cùng lúc. Tờ giấy không nặng thêm chút nào, chỉ là không khí không đỡ được nó nữa.
Đó là cả câu chuyện: tách được sức cản không khí ra khỏi lực kéo, bạn sẽ thấy trọng lượng không quyết định tốc độ rơi.
Galileo và giai thoại tháp nghiêng Pisa
Người thường được nhắc tới trong chuyện này là nhà khoa học Ý Galileo Galilei. Có một câu chuyện nổi tiếng rằng ông thả hai quả cầu nặng nhẹ khác nhau từ tháp nghiêng Pisa để chứng minh chúng chạm đất cùng lúc. Các nhà sử học cho rằng chuyện này nhiều khả năng là giai thoại, hoặc ít nhất không có bằng chứng chắc chắn ông đã làm như vậy.
Điều chắc chắn hơn là Galileo đã nghiên cứu chuyển động bằng cách lăn những quả cầu xuống máng nghiêng. Máng nghiêng làm chuyển động chậm lại đủ để đo được thời gian bằng những dụng cụ thời đó. Ông thấy quãng đường đi được tăng theo một quy luật rất đều.
Galileo còn đưa ra một lập luận chỉ bằng suy nghĩ, rất đẹp. Giả sử vật nặng rơi nhanh hơn. Buộc một hòn đá nặng với một hòn đá nhẹ lại. Hòn nhẹ rơi chậm sẽ níu hòn nặng lại, nên cả khối rơi chậm hơn hòn nặng. Nhưng cả khối nặng hơn hòn nặng, nên lẽ ra phải rơi nhanh hơn. Hai kết luận mâu thuẫn nhau.
Cách duy nhất để thoát mâu thuẫn là mọi vật rơi như nhau. Đôi khi, chỉ ngồi nghĩ kỹ cũng đủ để lật đổ một niềm tin tồn tại hàng nghìn năm.
Vì sao nặng hơn mà không nhanh hơn?
Đây là chỗ nhiều người thấy khó chịu nhất: rõ ràng Trái Đất kéo quả tạ mạnh hơn kéo quả bóng bàn, vậy sao quả tạ không rơi nhanh hơn.
Hãy nghĩ tới việc đẩy xe. Đẩy một chiếc xe đạp trống thì chỉ cần lực nhẹ là xe chạy nhanh lên. Đẩy một chiếc xe ba gác chất đầy gạch thì phải dùng lực mạnh hơn nhiều mới làm nó nhanh lên được như thế. Vật càng nặng thì càng cần nhiều lực để thay đổi tốc độ, tính chất này gọi là quán tính.
Với vật rơi, Trái Đất kéo vật nặng mạnh hơn đúng theo tỉ lệ nó nặng hơn. Vật nặng gấp đôi bị kéo mạnh gấp đôi, nhưng cũng cần lực gấp đôi để nhanh lên cùng mức. Hai cái gấp đôi triệt tiêu nhau, và kết quả là mọi vật tăng tốc như nhau.
Isaac Newton về sau đã viết điều này thành các định luật chuyển động và hấp dẫn. Còn Albert Einstein thì đi xa hơn: ông coi việc mọi vật rơi như nhau là một manh mối cho thấy hấp dẫn thật ra là độ cong của không gian và thời gian.
Chiếc búa và chiếc lông trên Mặt Trăng
Muốn kiểm tra trọn vẹn thì cần một nơi không có không khí. Trên Trái Đất, người ta làm được điều đó trong những ống hút chân không: một chiếc lông và một đồng xu rơi trong ống đã hút hết không khí chạm đáy cùng lúc.
Nhưng màn trình diễn đẹp nhất xảy ra trên Mặt Trăng. Trong một chuyến bay Apollo, một phi hành gia đứng trước máy quay, cầm một chiếc búa địa chất ở tay này và một chiếc lông chim ở tay kia, rồi thả cùng lúc. Không có không khí cản, hai vật rơi chậm vì hấp dẫn của Mặt Trăng yếu, và chạm đất cùng một lúc.
Anh ấy còn nói đùa rằng một phần lý do mình có mặt ở đó là nhờ một người tên Galileo từ rất lâu trước đã có một phát hiện quan trọng về vật rơi.
Đoạn phim đó được phát rộng rãi, và có lẽ là thí nghiệm vật lý được nhiều người xem nhất lịch sử. Một ý tưởng từng chỉ tồn tại trong suy nghĩ đã được kiểm chứng ở một thế giới khác.
Sức cản không khí: vì sao hạt mưa không làm mình đau?
Trên Trái Đất, không khí luôn có mặt, và nó tạo ra những điều rất đáng kể. Vật rơi càng nhanh thì không khí cản càng mạnh. Tới một lúc, lực cản bằng lực kéo, vật không nhanh thêm nữa mà rơi đều. Tốc độ đó gọi là vận tốc giới hạn.
Hạt mưa rơi từ độ cao hàng ki lô mét, nếu không có không khí thì khi chạm đất sẽ nhanh như một viên đạn. Nhưng vì hạt nhỏ và nhẹ so với diện tích của nó, không khí hãm lại, nên nó chỉ rơi với tốc độ vài mét mỗi giây và chạm vào da mình rất nhẹ.
Người nhảy dù tận dụng chính điều này. Khi dù chưa bung, người nhảy nằm dang tay chân để tăng sức cản, rơi đều ở một tốc độ nhất định. Khi dù bung, diện tích tăng vọt, sức cản lớn hẳn, tốc độ giảm xuống đủ an toàn để tiếp đất.
Lần tới vo một tờ giấy lại và thả cùng một quyển sách, bạn đang lặp lại một cuộc tranh luận đã kéo dài hai nghìn năm. Bạn có đoán được ai sẽ thắng trước khi thả không?
Câu hỏi thường gặp
Trong chân không, lông vũ và viên bi rơi cùng lúc thật không?
Đúng vậy. Các thí nghiệm trong ống chân không trên Trái Đất và thí nghiệm trên Mặt Trăng đều cho thấy chúng chạm đất cùng lúc khi không có không khí cản.
Gia tốc rơi tự do trên Trái Đất là bao nhiêu?
Gần mặt đất, gia tốc rơi tự do vào khoảng chín phẩy tám mét trên giây mỗi giây, tức là cứ mỗi giây rơi, tốc độ tăng thêm gần mười mét mỗi giây nếu bỏ qua sức cản. Con số này thay đổi rất nhẹ theo vĩ độ và độ cao.
Vì sao đồ vật trên trạm vũ trụ lơ lửng?
Không phải vì ở đó không có hấp dẫn. Trạm vũ trụ và mọi thứ bên trong đang cùng rơi quanh Trái Đất với cùng tốc độ, nên chúng không đè lên nhau, tạo cảm giác không trọng lượng.
Thả vật từ nhà cao tầng có nguy hiểm không?
Rất nguy hiểm. Dù có sức cản không khí, một vật nhỏ nhưng đặc rơi từ trên cao vẫn đạt tốc độ đủ gây thương tích nghiêm trọng. Tuyệt đối không thả đồ vật từ ban công hay cửa sổ nơi có người qua lại.
Vì sao mèo rơi từ cao thường tiếp đất an toàn hơn mình nghĩ?
Mèo có phản xạ xoay người để tiếp đất bằng chân và dang người ra tăng sức cản. Tuy vậy mèo vẫn có thể bị thương nặng khi rơi, nên cần che chắn ban công nếu nuôi mèo ở nhà cao tầng.
