Các em đã sẵn sàng chưa nào? Chúng ta cùng bắt đầu nhé!

Câu 1. Kéo một gáo nước từ dưới bể lên hãy cho biết độ nặng nhẹ khi kéo thay đổi như thế nào?

Đây là một câu hỏi rất hay và là một hiện tượng mà hầu hết chúng ta đều đã từng trải nghiệm! Khi các em kéo một gáo nước từ dưới bể lên, các em sẽ cảm thấy độ nặng nhẹ của gáo nước thay đổi rõ rệt. Cụ thể là:

1. Khi gáo nước còn ngập hoàn toàn trong nước:

Các em sẽ cảm thấy gáo nước nhẹ hơn so với khi nó ở ngoài không khí.

Vì sao lại như vậy?

• Khi gáo nước chìm trong nước, ngoài lực kéo của các em và trọng lực \((P)\) của gáo nước (hướng xuống), còn có một lực khác tác dụng lên nó, đó là lực đẩy Ác-si-mét \((F_A)\) của nước.
• Lực đẩy Ác-si-mét có phương thẳng đứng và chiều hướng lên trên, chống lại trọng lực.
• Theo định luật Ác-si-mét mà chúng ta đã học: “Một vật nhúng vào chất lỏng bị chất lỏng đó đẩy thẳng đứng từ dưới lên với lực có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.”
• Vì có lực đẩy Ác-si-mét này tác dụng ngược chiều với trọng lực, nên lực kéo mà các em cần tác dụng để giữ hoặc kéo gáo nước sẽ nhỏ hơn trọng lượng thực của nó. Hay nói cách khác, các em cảm thấy gáo nước “nhẹ” hơn.
• Lực kéo \((F_{kéo})\) lúc này sẽ bằng trọng lượng thực của gáo nước trừ đi lực đẩy Ác-si-mét: \(F_{kéo} = P – F_A\).

2. Khi gáo nước bắt đầu nhô lên khỏi mặt nước và khi đã ra khỏi mặt nước hoàn toàn:

Khi gáo nước bắt đầu được nhô lên khỏi mặt nước, các em sẽ cảm thấy nó nặng dần lên, và khi gáo nước đã hoàn toàn ở ngoài không khí, các em sẽ cảm thấy nó nặng nhất.

Giải thích:

• Khi gáo nước nhô dần lên, phần thể tích nước bị gáo chiếm chỗ giảm đi. Điều này có nghĩa là lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên gáo nước sẽ giảm dần (vì \(F_A\) tỉ lệ với thể tích phần vật chìm trong chất lỏng).
• Khi gáo nước đã hoàn toàn ra khỏi mặt nước, không còn phần thể tích nào của gáo chìm trong nước nữa (chúng ta bỏ qua lực đẩy của không khí vì nó rất nhỏ), nên lực đẩy Ác-si-mét gần như bằng 0.
• Lúc này, các em phải dùng lực kéo để cân bằng toàn bộ trọng lượng thực của gáo nước và nước bên trong nó.
• Vì vậy, các em sẽ cảm thấy gáo nước nặng nhất khi nó đã ra khỏi mặt nước.

Kết luận: Khi kéo gáo nước từ dưới bể lên, gáo nước sẽ từ nhẹ dần khi còn chìm trong nước, rồi nặng dần lên khi nhô ra khỏi mặt nước, và nặng nhất khi đã ở hoàn toàn ngoài không khí. Hiện tượng này chính là minh chứng rõ ràng cho sự tồn tại và tác dụng của lực đẩy Ác-si-mét!

Các em có thể tự mình kiểm chứng điều này ngay tại nhà hoặc ở trường nhé!

Câu 2. Tìm hiểu hoạt động của tàu ngầm

Tàu ngầm là một trong những ứng dụng tuyệt vời nhất của các nguyên lý vật lý mà chúng ta đang học. Để hiểu tàu ngầm hoạt động như thế nào, chúng ta cần nhớ lại về lực đẩy Ác-si-mét và khối lượng riêng (hay mật độ).

1. Nguyên lý cơ bản: Nổi, Chìm và Lơ lửng

• Một vật sẽ nổi khi lực đẩy Ác-si-mét lớn hơn trọng lượng của vật. Điều này xảy ra khi khối lượng riêng trung bình của vật nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng.
• Một vật sẽ chìm khi lực đẩy Ác-si-mét nhỏ hơn trọng lượng của vật. Điều này xảy ra khi khối lượng riêng trung bình của vật lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng.
• Một vật sẽ lơ lửng (ở một độ sâu nhất định) khi lực đẩy Ác-si-mét bằng đúng trọng lượng của vật. Điều này xảy ra khi khối lượng riêng trung bình của vật bằng khối lượng riêng của chất lỏng.

Tàu ngầm hoạt động dựa trên việc thay đổi khối lượng riêng trung bình của chính nó để có thể nổi, chìm hoặc lơ lửng trong nước.

2. Các bộ phận chính và cơ chế hoạt động:

Để thay đổi khối lượng riêng trung bình, tàu ngầm sử dụng các khoang đặc biệt gọi là khoang dằn (ballast tanks) hoặc khoang chứa nước dằn. Đây là những khoang rỗng nằm ở hai bên thân tàu hoặc ở phần dưới thân tàu.

a. Để tàu ngầm lặn xuống:

• Các thuyền trưởng sẽ ra lệnh mở các van lớn ở phía dưới của các khoang dằn.
• Nước biển sẽ chảy vào đầy các khoang dằn, đồng thời không khí bên trong khoang sẽ được đẩy ra ngoài qua các van ở phía trên.
• Việc nạp đầy nước biển vào các khoang dằn làm tăng đáng kể khối lượng (trọng lượng) tổng thể của tàu ngầm.
• Khi tổng trọng lượng của tàu ngầm (bao gồm cả nước trong khoang dằn) lớn hơn lực đẩy Ác-si-mét của nước biển tác dụng lên nó (tức là khối lượng riêng trung bình của tàu ngầm lớn hơn khối lượng riêng của nước biển), tàu sẽ bắt đầu chìm xuống.
• Tàu tiếp tục chìm cho đến khi đạt độ sâu mong muốn.

b. Để tàu ngầm nổi lên:

• Để nổi lên, các khoang dằn cần được làm rỗng nước.
• Máy bơm trên tàu sẽ bơm khí nén (thường là không khí nén từ các bình chứa khí áp cao) vào các khoang dằn.
• Áp lực của khí nén sẽ đẩy nước biển ra khỏi các khoang dằn qua các van phía dưới.
• Khi nước biển được đẩy ra, khối lượng tổng thể của tàu ngầm sẽ giảm đi (thay thế nước bằng không khí, vốn nhẹ hơn nhiều).
• Khi trọng lượng tổng thể của tàu ngầm (đã được giảm bớt) nhỏ hơn lực đẩy Ác-si-mét (tức là khối lượng riêng trung bình của tàu ngầm nhỏ hơn khối lượng riêng của nước biển), tàu sẽ bắt đầu nổi lên mặt nước.

c. Để tàu ngầm duy trì độ sâu (lơ lửng):

• Đây là trạng thái tinh tế nhất. Các thuyền trưởng sẽ điều chỉnh lượng nước trong các khoang dằn một cách cẩn thận.
• Họ sẽ giữ một lượng nước vừa đủ trong khoang dằn sao cho trọng lượng tổng thể của tàu ngầm bằng đúng lực đẩy Ác-si-mét của nước biển tác dụng lên nó.
• Khi đó, khối lượng riêng trung bình của tàu ngầm sẽ bằng khối lượng riêng của nước biển xung quanh, giúp tàu có thể lơ lửng ở một độ sâu nhất định mà không chìm sâu hơn hay nổi lên.

3. Các bộ phận hỗ trợ khác:

• Bánh lái ngang (hydroplanes): Giúp tàu điều chỉnh góc chúc/ngóc lên và xuống, hỗ trợ việc lặn hoặc nổi nhanh hơn, hoặc duy trì độ sâu ổn định khi tàu di chuyển.
• Chân vịt (propeller): Tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển ngang dưới nước.

Tóm lại, hoạt động của tàu ngầm là một minh chứng tuyệt vời cho việc ứng dụng linh hoạt nguyên lý Ác-si-mét và khả năng kiểm soát khối lượng riêng của vật thể. Thật thú vị phải không nào!

Nếu có bất kỳ câu hỏi nào khác, các em đừng ngần ngại hỏi thầy nhé!