WATV.org is provided in English. Would you like to change to English?

Áp suất khí quyển – Trọng lượng của không khí

789 Xem

“Có vẻ trời sắp mưa, vì đầu gối đau quá.”

Mỗi khi bà tôi nói bà bị đau đầu gối thì trời lại mưa. Khi liên tiếp nhiều ngày mây mù, nhiều người nói rằng họ thấy chán nản và đau nhức khắp người. Đó không phải chỉ là tưởng tượng của họ đâu. Khi ai đó nói rằng “Thời tiết làm tôi thấy không khoẻ lắm”, thì thân thể người ấy thực sự đang phản ứng với sự thay đổi của thời tiết.

Khi áp suất không khí trên cơ thể chúng ta giảm, áp suất bên trong khớp tăng lên, áp lực tăng lên sẽ kích thích đầu gối và gây đau. Ngoài ra, khi áp suất khí quyển hạ thấp, trời nhiều mây hơn và tối hơn, nên con người nhận được tương đối ít ánh sáng mặt trời. Sau đó, chất dẫn truyền thần kinh giúp bạn cảm thấy hạnh phúc và bình yên là serotonin giảm đi còn hormone gây ngủ là melatonin lại tăng lên. Vậy nên bạn rơi vào tâm trạng chán nản mà không có lý do cụ thể. Phản ứng vật lý bị tác động do các yếu tố khí tượng này được gọi là Cảm ứng thời tiết, xảy ra do ảnh hưởng của áp suất khí quyển. Vậy, áp suất khí quyển mà gây ảnh hưởng đến tâm trạng và tình trạng cơ thể của chúng ta là gì?

Nói một cách đơn giản, áp suất khí quyển là áp suất gây ra bởi trọng lực của không khí trong bầu khí quyển của trái đất. Chúng ta không cảm nhận được trọng lượng này bằng trực giác. Để hình dung trọng lượng của không khí, Evangelista Torricelli, nhà vật lý học người Ý đã dùng thủy ngân vốn nặng hơn nước 13,6 lần. Ông đổ đầy thủy ngân vào một ống thủy tinh dài 1m và bịt chặt đầu trên, rồi đặt dựng đứng trong một chậu thủy ngân để đảm bảo không khí không thể lọt vào. Có hai lực đang tác động: trọng lượng của thủy ngân truyền xuống và áp suất khí quyển đẩy thủy ngân trong chậu vào trong ống thủy tinh. Kết quả là thủy ngân hạ xuống ở độ cao 76㎝ và một chân không được tạo ra ở đầu ống thủy tinh. Không có sự thay đổi trong độ cao của cột thủy ngân trong ống nữa, nghĩa là hai lực đã được cân bằng. Nói cách khác, áp suất khí quyển tác động từ bên ngoài đủ mạnh để đẩy thủy ngân vào ống thủy tinh thêm 76㎝. Khi áp suất không khí tăng, cột thủy ngân sẽ cao lên và khi áp suất giảm thì cột thủy ngân sẽ ngắn lại. Sự dao động về chiều cao của cột cho phép đo áp suất khí quyển, đó là áp kế thủy ngân. Khi nước nhẹ hơn thủy ngân được sử dụng thì cột nước cao khoảng 10,3m.

Chúng ta có thể coi đây như một hiện tượng vật lý xa rời với sinh hoạt hằng ngày của mình. Nhưng như đã được đề cập ngay từ đầu, áp suất khí quyển có liên quan mật thiết đến không chỉ tình trạng thể chất của chúng ta mà còn nhiều khía cạnh khác của cuộc sống. Bạn không thể uống bằng ống hút nếu không có áp suất khí quyển. Khi bạn hút chất lỏng từ ống hút, áp suất bên trong ống giảm đi khiến áp suất bên ngoài tương đối cao hơn và đẩy chất lỏng vào ống. Vậy, liệu chất lỏng có thể được hút từ ống hút dài vô hạn không? Vì chất lỏng được đẩy bởi không khí nên không cần biết bạn khỏe thế nào, chất lỏng cũng chỉ vươn xa được khoảng 10m thôi. Cùng nguyên tắc ấy, máy bơm chân không không thể hút nước từ xa hơn 10,3m được. Nếu bạn muốn hơn thế thì cần phải dùng máy nén khí.

Một nơi điển hình mà chúng ta có thể cảm nhận được áp suất khí quyển là bên trong máy bay. Sau khi máy bay cất cánh, độ cao tăng lên. Khi đó bạn có thể bị ù hoặc đau tai. Đây là do áp suất bên trong cơ thể giữ nguyên trong khi áp suất bên ngoài cơ thể bị hạ thấp, áp suất chênh lệnh làm cho màng nhĩ bị đẩy ra ngoài gây đau. Nếu bạn nuốt nước bọt hoặc ngáp, khi ấy sẽ kích hoạt các cơ mở ra ống Eustachian nối tai giữa và vòm họng. Khi ống này mở ra, các giọt không khí nhỏ có thể di chuyển từ mũi và họng đến tai giữa, bởi đó làm giảm áp suất, gây ra tiếng nổ “đốp” nhỏ.

Một Atmotphe (viết tắt là atm) tương đương với áp suất do một vật thể nặng 1㎏ gây ra trên diện tích 1㎠. Giả sử diện tích lòng bàn tay chúng ta là khoảng 50㎠, thì trọng lượng của không khí mà bạn đang cầm trong lòng bàn tay mình là khoảng 50㎏. Điều này giống như việc bạn đang gánh trên vai một cột nước cao 10m mỗi ngày. Nhưng tại sao chúng ta lại không cảm nhận được nó? Chúng ta không cảm nhận được trọng lượng của không khí vì có một lực hướng ra ngoài từ cơ thể chúng ta tương đương với áp suất không khí ép lên chúng ta.

Tuy nhiên, nếu áp suất khí quyển lớn hơn 1 atm, chúng ta sẽ cảm nhận được áp suất. Khi bạn xuống nước, bạn có thể cảm nhận áp lực nước. Cứ mỗi 10m sâu thì áp lực nước tăng lên 1 atm. Các loài sinh vật biển sâu sống ở độ sâu 10㎞ có thể chịu được áp suất lên đến 1.000 atm. Nếu con người xuống độ sâu ấy mà không có thiết bị bảo hộ thì sẽ bị ép phẳng. Tuy nhiên, các sinh vật biển sâu vẫn tự do bơi xung quanh biển bất chấp áp lực khủng khiếp như vậy. Đó là do chúng đã lấp đầy các khoảng trống trong cơ thể bằng nước hoặc dầu thay vì không khí. Bằng cách này, chúng có thể tạo ra đủ áp suất bên trong để cân bằng với áp suất bên ngoài. Cùng một nguyên tắc ấy, một quả bóng sắt rỗng bị nghiền nát dưới biển sâu, trong khi một lon nhôm chứa đầy nước thì không bị.

Với thiết bị thì con người có thể lặn sâu 30m dưới biển. Môn lặn có bình dưỡng khí là một ví dụ. Tuy nhiên nếu lặn sâu hơn thì một số triệu chứng đáng chú ý bắt đầu xuất hiện. Khoảng 30m dưới nước, các thợ lặn có bình dưỡng khí thường trải qua “say Nitơ”, là trạng thái mà họ mất khả năng phán đoán và phản ứng với tình huống khẩn cấp, trí nhớ của họ cũng dần bị kém đi. Càng xuống sâu trong nước thì áp suất càng cao và do đó càng nhiều khí được hòa tan vào máu hơn, trong đó có nitơ gây ra hiệu ứng gây mê. Nếu chỉ bơi ở độ sâu dưới 30m, những triệu chứng này sẽ mau chóng biến mất.

Tuy nhiên, nếu người đó đột ngột lên khỏi mặt nước thì còn nguy hiểm hơn bởi chứng bệnh giảm áp, còn được gọi là bệnh thợ lặn. Khi một người lên khỏi mặt nước quá nhanh, áp suất không khí giảm, không khí hòa tan trong máu thoát ra ngoài tạo thành các bong bóng trong cơ thể. Những bong bóng này làm vỡ các mao mạch, và nếu chúng gây hại đến các mạch máu quan trọng như mạch máu não thì thậm chí có thể dẫn đến tử vong.

Trái với đại dương sâu thẳm, áp suất khí quyển giảm và oxy loãng hơn khi lên cao. Khi người ta leo lên cao, oxy trong cơ thể bị thiếu đột ngột gây ra mệt mỏi, đau đầu, đau dạ dày, choáng váng và trong trường hợp nghiêm trọng thì gây ra khó thở và tử vong. Những triệu chứng này được gọi là say độ cao.

Vậy còn vũ trụ cao hơn nữa thì sao? Vũ trụ là môi trường chân không – 0 atm. Tại đó, chỉ có tồn tại duy nhất lực từ trong cơ thể đẩy ra, gây nguy hiểm cho cơ thể. Dù vậy, không có nghĩa là cơ thể sẽ bật ra và nổ ngay lập tức. Năm 1965, một người đang ở trong buồng chân không để thử nghiệm bộ đồ vũ trụ tại NASA thì đột nhiên, ống điều áp bị ngắt kết nối và bộ đồ vũ trụ bị giảm áp suất về gần với chân không. Người đó đã mất ý thức trong khoảng 15 giây nhưng đã tỉnh lại ngay sau khi buồng được điều áp trở lại. Người này sau đó cho biết rằng ký ức cuối cùng trước khi bất tỉnh là nước bọt trên lưỡi anh bắt đầu sôi lên. Nhờ lớp da bao phủ khắp cơ thể, anh ấy đã có thể chịu được điều kiện chân không trong khoảng thời gian ngắn, nhưng đó chắc hẳn là một khoảnh khắc kinh hoàng.

Khi cơ thể con người tiếp xúc với chân không mà không có đồ bảo hộ, điều đầu tiên mà người đó nhận thấy là thiếu oxy, sau đó là mất ý thức. Da và các mô dưới da sẽ bắt đầu phù lên do nước trong cơ thể bắt đầu bốc hơi do thiếu áp suất không khí và nhiệt độ sôi giảm. Rốt cuộc, cơ thể người đó sẽ bị đóng băng. Vì lí do này, các phi hành gia mặc Bộ di động ngoại vi (EMU) khi họ cần thực hiện các hoạt động bên ngoài tàu vũ trụ dù nó trông có vẻ kỳ quái và bất tiện. Áp suất bên trong của EMU là khoảng 0,3 atm, thấp hơn áp suất khí quyển thông thường (1 atm). Do đó họ phải tự thích nghi với môi trường mới bằng cách giảm áp suất không khí bên trong tàu vũ trụ trước khi đi bộ ngoài không gian.

Sao Hỏa là hành tinh gần trái đất nhất, được hình thành chủ yếu bởi CO₂, và có áp suất khí quyển khoảng 0.01 atm. Mặt khác, sau Kim có áp suất khí quyển khoảng 90 atm và được tạo thành chủ yếu bởi CO₂ với mật độ dày đặc và nóng hơn nhiều so với trái đất. Nó giống như có 900 tấn bị nén trên mỗi 1㎡ vậy. Áp suất khí quyển của trái đất là 1 atm và bầu khí quyển được tạo thành từ các khí không thể thiếu cho cuộc sống chúng ta. Bất chấp sức nặng của không khí, chúng ta vẫn đang sống mà không nhận thấy sự bất tiện nào. Những sinh vật sống được sáng tạo để chịu được mức độ và trọng lượng không khí hoàn hảo đó cho chúng ta biết điều gì?

… Ngài định sức nặng cho gió… Gióp 28:23-25

Tham khảo
Hiệp hội giáo viên khoa học, 과학선생님도 궁금한 101가지 과학질문사전 (101 câu hỏi mà ngay cả giáo viên khoa học cũng tò mò)
Kim Tae Il, 살아있는 과학 교과서 (Sách giáo khoa khoa học sống)