 |
|
Những đoàn tàu trong tương lai sẽ lướt trên những thanh ray xốp. |
Làm thế nào để có thể tăng được vận tốc của một đoàn tàu mà không cần tăng công suất động cơ và tiêu hao thêm năng lượng? Với giáo sư Sheldon Weinbaum cùng các đồng nghiệp ở ĐH New York thì chỉ cần giảm, thậm chí triệt tiêu ma sát giữa bánh xe và đường ray. Nhưng với nhiều nhà vật lý, việc triệt tiêu lực ma sát trong khi chạy tàu là điều không thể xảy ra. Weinbaum đã quyết định sẽ chứng minh bằng được điều "phi lý" này. Niềm tin đó của ông bắt nguồn từ những kết quả nghiên cứu quá trình di chuyển của hai đối tượng hoàn toàn khác nhau: một vận động viên trượt tuyết và một tế bào hồng cầu di chuyển trong mao mạch.
Qua nhiều lần quan sát, ông nhận thấy giữa hai đối tượng này có một điểm tương đồng. Khi một vận động viên lướt trên mặt tuyết, lực ma sát giữa ván trượt và bề mặt tuyết gần như không tồn tại. Tương tự như vậy, khi các tế bào hồng cầu di chuyển trong các mao mạch với tốc độ khá cao, sự cọ xát giữa bề mặt của chúng với các thành mao mạch cũng thấp hơn rất nhiều so với giá trị mà các nhà khoa học xác định được trên lý thuyết. Nói cách khác, nhờ lực ma sát phát sinh giữa các bề mặt trong quá trình di chuyển gần như bằng 0 nên vận tốc di chuyển đạt rất cao. Trong khi đó, nếu so sánh về kích cỡ và trọng lượng thì rõ ràng là một vận động viên có trọng lượng nặng hơn một tế bào hồng cầu gấp 10 mũ 15 lần. Vậy hiện tượng này cũng có thể đúng với một vật thể nặng hơn con người gấp hàng nghìn lần, chẳng hạn một đoàn tàu.
Hiệu ứng lực nâng
Tại sao khi một vận động viên lướt trên mặt tuyết, lực ma sát giữa ván trượt và bề mặt tuyết gần như bằng 0? Đó là vì khi trọng lượng của vận động viên ép lên mặt tuyết sẽ khiến cho một phần không khí trong lớp tuyết bề mặt bị đẩy ra ngoài, từ đó tạo ra một lực tác động hướng thẳng lên mặt tiếp xúc của ván trượt. Chính lực tác động này làm giảm lực ma sát sinh ra khi ván trượt lướt trên tuyết. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra trong cơ thể chúng ta khi các hồng cầu lướt trong mao mạch. Mạng lưới protein phủ trên các thành mạch máu bị nén khi hồng cầu lướt qua khiến cho chất dịch bao quanh các protein bị đẩy ra ngoài, tạo thành lực nâng các hồng cầu. Điều khiến nhóm nghiên cứu của giáo sư Sheldon Weinbaum ngạc nhiên nhất là những chất liệu có dạng xốp mềm như tuyết hay mặt trong của các mạch máu có thể tạo ra những lực nâng lớn hơn hàng nghìn lần so với những gì mà các nhà khoa học dự kiến theo những tính toán lý thuyết.
Để kiểm chứng xem hiện tượng này có xảy ra với một vật có trọng lượng cực lớn như đoàn tàu hay không, các nhà khoa học đã sử dụng một xilanh hình trụ có kèm pittong chứa đầy tuyết để tạo ra một lực nén tương tự như lực nén do một người đứng trên ván trượt tuyết tạo ra trong khi di chuyển, sau đó đo lực nâng được tạo ra khi tuyết trong mặt xilanh bị nén xuống. Kết quả cho thấy lượng không khí có trong tuyết hoàn toàn có thể chịu được sức nặng của một người có trọng lượng 70 kg. Trong vòng 1,5 giây đầu tiên khi tuyết bị pittong nén xuống, lực nâng tạo thành do không khí đẩy ra tăng vọt lên và có thể đạt tới 1.400 pascal trên diện tích tiếp xúc chỉ bằng 0,5 mét vuông. Nhưng chỉ sau vài giây, khi phần lớn lượng không khí trong lớp tuyết đã thoát ra thì áp lực lại giảm xuống và về giá trị bằng 0. Điều đó lý giải tại sao lớp tuyết mềm và xốp có thể chịu được trọng lượng của một người nặng tới 70 ký nhưng chỉ trong vòng 1 giây. Do hiệu ứng "lực nâng" này không thể kéo dài quá vài giây nên người trượt tuyết phải lướt thật nhanh, nếu không phần tuyết bị ván trượt nén xuống sẽ nhanh chóng bị lún khi không khí trong nó thoát hết ra ngoài.
Sẽ có những đường ray xốp
Dựa trên kết quả thu được từ các thử nghiệm này, giáo sư Sheldon Weinbaum cùng đồng nghiệp khẳng định có thể ứng dụng nguyên tắc lực nâng phát sinh trên các mặt xốp mềm để tạo ra những chuyển động có lực ma sát gần như bằng 0, đồng thời giảm thiểu hiện tượng mài mòn đối với những bộ phận chuyển động như các bánh xe của một đoàn tàu. Sau khi làm phép ngoại suy các giá trị lực nâng thu được, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng với một đoàn tàu cao tốc có trọng lượng 50 tấn thì cần tạo ra được một lực nâng đến 9.800 pascal là đủ để gần như triệt tiêu lực ma sát cho một đoàn tàu dài 25 mét và rộng 2 mét. Với những thông số như vậy, họ dự kiến có thể sử dụng một loại vật liệu xốp có độ thẩm thấu tối thiểu đạt 10-8mét - chẳng hạn lông ngỗng - là có thể tăng được vận tốc chạy tàu mà không cần tăng công suất động cơ.
Tất nhiên là không ai dám nghĩ tới việc sử dụng lông ngỗng thật để bọc cho các thanh ray, bởi sẽ phải... vặt lông tới cả nghìn con mới đủ nguyên liệu cho một kilomét đường. Nhưng người ta có thể sử dụng nhiều dạng sợi tổng hợp có thể những đặc tính cơ học như lông ngỗng. Nói cách khác, các thanh ray sẽ có cấu tạo gồm phần bệ bằng sắt và phần mặt ray bằng một loại vật liệu xốp mềm. Do hiệu ứng lực nâng chỉ xuất hiện trong trường hợp vật thể di chuyển với tốc độ cao, nên với những đoạn đường gần nhà ga buộc tàu chạy chậm vẫn phải lắp đặt loại ray thường. Tới những đoạn mà tàu đã đủ điều kiện để tăng tốc thì loại ray xốp có thể được sử dụng để những đoàn tàu cao tốc trong tương lai có khả năng lướt trên các thanh ray như những vận động viên trượt tuyết thực thụ.
Khoa học và Đời sống (theo Science & Future)