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

Lực hấp dẫn – Thiết bị bảo hộ của trái đất

3160 Xem

Loài người đang sống dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Không riêng gì táo trên cây, hết thảy muôn vật đều rơi từ trên xuống dưới. Dù có dùng hết sức nhảy lên thì chúng ta cũng ngay lập tức rơi xuống, không thể lơ lửng trong không trung dù chỉ trong vài giây chứ đừng nói đến việc bay lên trời. Sở dĩ chúng ta không cảm nhận được rõ ràng là vì chúng ta luôn sống trong lực hấp dẫn, tức là luôn bị chi phối bởi lực hấp dẫn. Ngay cả vào lúc này, lực hấp dẫn vẫn đang không ngừng tác động lên cây cối, ghế, không khí,…

Trong suốt một thời gian dài, nhân loại vẫn không tiếc bất cứ nỗ lực nào để thoát khỏi lực hấp dẫn. Năm 1783, anh em nhà Montgolfier đã du hành trên bầu trời bằng khinh khí cầu. Khoảng 100 năm sau, anh em nhà Wright đã phát minh ra chiếc máy bay chạy bằng năng lượng đầu tiên. Giờ đây, sau hơn 100 năm phát triển, nền văn minh hiện đại đã chế tạo ra loại máy bay siêu thanh, siêu lớn. Sau khi “cất cánh” khỏi mặt đất, loài người bắt đầu mơ về việc du hành vũ trụ trong khi hoàn toàn thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất. Mong muốn đó đã dẫn đến việc thiết kế tên lửa cùng với sự ra đời của tàu vũ trụ chở người và Trạm vũ trụ quốc tế.

Lực hấp dẫn là gì?

Vậy, lực hấp dẫn chính xác là gì? Lực hấp dẫn là lực kéo các vật thể về phía tâm của trái đất. Để hiểu về lực hấp dẫn, chúng ta cần phải hiểu về định luật vạn vật hấp dẫn. Vạn vật hấp dẫn chính là lực hấp dẫn giữa mọi vật thể trong vũ trụ, và mọi vật thể trên trái đất đều hấp dẫn lẫn nhau. Lực hấp dẫn này tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Do đó, khối lượng của vật thể càng lớn và khoảng cách càng gần thì lực hấp dẫn sẽ càng lớn.

Chúng ta hãy nghĩ về cây táo mà được cho là đã giúp Newton tìm ra định luật vạn vật hấp dẫn. Quả táo hút trái đất và trái đất hút quả táo. Lực hút của trái đất lên quả táo và lực hút của quả táo lên trái đất là bằng nhau theo định luật về lực và phản lực. Tuy nhiên, vì khối lượng của quả táo rất nhỏ so với khối lượng của trái đất nên quả táo rơi xuống trái đất.

Lực hấp dẫn không chỉ tồn tại giữa trái đất và quả táo, mà còn tồn tại giữa trái đất và mặt trăng, mặt trời và trái đất cũng như tồn tại giữa các thiên hà. Newton đã phát triển khái niệm về vạn vật hấp dẫn bằng cách mở rộng khái niệm lực hấp dẫn của trái đất thành khái niệm lực hấp dẫn trong vũ trụ. Trong tiếng Anh, lực hấp dẫn là “gravity”, còn vạn vật hấp dẫn là “universal gravitation”. Về cơ bản thì đây là hai khái niệm tương đồng, bởi vạn vật hấp dẫn chỉ bổ sung thêm ý nghĩa rằng lực hấp dẫn là quy luật phổ quát trong vũ trụ.

Chúng ta gọi độ lớn của lực hấp dẫn lên một vật là “trọng lượng” của vật đó. Mọi người thường dễ nhầm lẫn giữa khối lượng và trọng lượng. Tuy nhiên, khối lượng là đại lượng không đổi, trong khi trọng lượng lại thay đổi tùy thuộc vào độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật. Ví dụ như một người nặng 60kg trên trái đất sẽ nặng 10kg trên mặt trăng. Lý do là lực hấp dẫn trên mặt trăng chỉ bằng 1/6 lực hấp dẫn trên trái đất.

Vũ trụ phi trọng lượng rất khác so với trái đất

Mọi người thường nghĩ rằng không có lực hấp dẫn trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên có rất nhiều thiên thể trong vũ trụ, và lực hấp dẫn tồn tại ở khắp mọi nơi. Do đó, trạng thái không trọng lực hay không trọng lượng, không phải là trạng thái không trọng lực, mà là trạng thái trong đó lực hấp dẫn rất yếu do ở cách xa các thiên thể, hoặc trạng thái mà người ta không cảm nhận được lực hấp dẫn do nhiều lực bị triệt tiêu.

Trong không gian vũ trụ không trọng lực, các vật thể lơ lửng chứ không bị rơi xuống theo một hướng nào đó. Nhờ đó, ngay cả khi không dùng sức, cơ thể chúng ta vẫn đang lơ lửng trong không gian và có thể dễ dàng xoay tròn dù không cần tốn nhiều sức. Vì chất lỏng lơ lửng với dạng hình cầu do lực căng bề mặt nên chúng ta không thể uống nước nếu không có ống hút. Ngoài ra, bởi ở đó không xảy ra hiện tượng đối lưu nên nến cũng nhanh chóng tắt và không dễ để dùng lửa đun sôi nước hay dầu. Trong không gian vũ trụ, thậm chí chúng ta cũng không thể nấu những món ăn thông thường trên trái đất như mì hay đồ chiên.

Trong trạng thái phi trọng lượng, cơ thể cũng có nhiều sự thay đổi. Các phi hành gia trung bình cao hơn 3% so với trên trái đất. Trong chuyến bay đầu tiên ra vũ trụ, Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã chế tạo những bộ đồ vũ trụ phù hợp với chiều cao của các phi hành gia được đo trên mặt đất. Tuy nhiên, khi cuộc sống ngoài vũ trụ tiếp tục, các bộ đồ vũ trụ sẽ dần chật đến mức hạn chế các phi hành gia chuyển động tự do. Đó là bởi họ đã cao hơn khi không có trọng lực tác động lên cột sống.

Hơn nữa, các cơ quan nội tạng lớn lên khiến vòng eo nhỏ hơn, còn các cơ yếu đi vì chúng không cần phải “đối phó” với trọng lực. Ngoài ra còn có nguy cơ loãng xương do mất canxi trong xương. Được cho biết rằng nếu sống một tháng trong không gian thì khoảng 1% lượng canxi sẽ bị mất trong xương.

Khuôn mặt của các phi hành gia hoạt động trong không gian sẽ thay đổi, trở nên rất tròn trịa và được gọi là “moon-face (mặt trăng)”. Một trong những nhiệm vụ khoa học của Dự án Phi hành gia Hàn Quốc là “nghiên cứu về những thay đổi trên khuôn mặt của các phi hành gia”. Vì khi trọng lượng bằng không, máu sẽ phân bổ đều và di chuyển lên trên khiến cho khuôn mặt sưng lên. Ngược lại, chân sẽ mỏng đi do mất nhiều máu hơn.

Việc sản xuất hồng cầu cũng suy giảm trong điều kiện phi trọng lực. Kết quả là máu loãng đi, khả năng cung cấp oxy của máu giảm đi đáng kể. Hơn nữa, do không có sự phân biệt trên dưới nên các phi hành gia cũng dần mất cảm giác về phương hướng và mắc chứng say không gian. Để chuẩn bị cho triệu chứng này, trước khi lên vũ trụ, họ phải trải qua quá trình huấn luyện thích ứng một cách triệt để trên mặt đất. Dù vậy, đôi khi họ có thể gặp phải di chứng như không thể đi lại bình thường ngay cả sau khi đã trở về trái đất.

Tầm quan trọng của lực hấp dẫn

Bộ phim “Gravity” vẽ ra không gian vũ trụ một cách chân thực khiến khán giả cảm nhận được sự quý giá của trọng lực thay vì cảm giác muốn được giải phóng khỏi nó. Khi các nhân vật chính trong phim đang thực hiện nhiệm vụ ngoài vũ trụ, tàu con thoi mà họ lái đã bị phá hủy bởi các mảnh vỡ không gian1 đang lao về phía nó với tốc độ kinh hoàng. Bị bỏ lại một mình trong không gian vũ trụ, là nơi không có trọng lực để giữ cơ thể, cũng không có không khí để hít thở, nhân vật chính đã phải chiến đấu chống lại tình trạng phi trọng lực và vật lộn để trở về trái đất.

1. Mảnh vỡ không gian: Các rác thải nhân tạo trôi nổi trong không gian vũ trụ như xác hoặc mảnh vỡ của vệ tinh hết hạn, công cụ mà các phi hành gia để thất lạc khi làm việc trong không gian, thậm chí là các mảnh sơn nhỏ. Những mảnh vỡ không gian này quay quanh trái đất theo quỹ đạo nhất định. Và vì chúng di chuyển với tốc độ hơn 7km/giây nên ngay cả một mảnh vụn nhỏ cũng có thể gây ra tác động trầm trọng.

Trên trái đất, khi có lực tác dụng lên thì vật thể sẽ nhanh chóng dừng lại, bởi ma sát được tạo ra khi các vật thể va chạm với không khí và tiếp xúc với mặt đất do lực hấp dẫn. Ngược lại, trong không gian, chúng ta không thể làm ngay cả những việc đơn giản như thay đổi hướng của cơ thể, di chuyển hoặc dừng lại. Khác với trái đất, không gian là thế giới phi trọng lượng, nơi chúng ta không thể cảm nhận được lực hấp dẫn, đồng thời cũng gần giống với chân không, nơi hầu như không có vật chất nào tồn tại. Chính vì vậy, khi một vật bắt đầu chuyển động với một lực trong không gian, nó sẽ cố gắng duy trì trạng thái đó mãi mãi. Nói cách khác, nếu bạn lao ra ngoài không gian tối tăm một lần, bạn sẽ du hành ngoài không gian mãi mãi và không bao giờ có thể quay trở lại.

Khi nhìn vũ trụ một cách tổng thể, chúng ta có thể nhận ra rằng lực hấp dẫn chiếm một vị trí quan trọng hơn cả. Giống như mặt trăng được giữ bởi lực hấp dẫn của trái đất, các hành tinh trong hệ mặt trời cũng được giữ bởi lực hấp dẫn của mặt trời và quay quanh quỹ đạo. Lực hấp dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc giữ tất cả các thiên thể ở đúng vị trí của chúng. Nếu lực hấp dẫn đột ngột biến mất, mặt trăng vốn quay quanh trái đất sẽ rời bỏ trái đất, và toàn bộ bầu khí quyển vốn được lực hấp dẫn của trái đất giữ lại cũng sẽ biến mất. Những hành tinh ở gần mặt trời sẽ thoát khỏi lực hấp dẫn của mặt trời và bị đẩy ra ngoài không gian xa xôi, khiến cho các thiên hà cũng lệch khỏi quỹ đạo của chúng. Khi lực hấp dẫn nắm giữ trật tự của toàn bộ vũ trụ biến mất, vũ trụ sẽ giãn nở nhanh chóng và cuối cùng mọi thứ sẽ bị phân tán.

Thế giới phi trọng lực không phải không gian tự do mà nhân loại hằng mơ ước, mà là không gian cực kỳ nguy hiểm, nơi con người không thể tồn tại được. Lực hấp dẫn không kìm hãm con người, mà chính là thiết bị đảm bảo an toàn cho con tàu vũ trụ mang tên trái đất đang di chuyển trong không gian với vận tốc 30km/s. Chính nhờ lực hấp dẫn mà chúng ta có thể di chuyển tự do trên trái đất này theo ý muốn mà không bị thổi bay vào không gian. Thế nhưng nhân loại cứ mơ ước về sự tự do tuyệt đối, không bị lực hấp dẫn ràng buộc, và tưởng tượng ra một thế giới vũ trụ vô tận trong khi đang đứng trên trái đất này.

Tham khảo
Hiệp hội giáo viên khoa học, 101 câu hỏi mà ngay cả giáo viên môn khoa học cũng tò mò (tiếng Hàn), Sách hướng dẫn, 2010
Go Ho Gwan, Đâu là số phận của chúng ta trong thế giới phi trọng lực? (tiếng Hàn), Tạp chí Khoa học Donga (Tháng 3 năm 2013)
Oh Ga Hee, Hãy cảm ơn lực hấp dẫn của trái đất! (tiếng Hàn), Tạp chí Khoa học Donga (Tháng 11 năm 2013)
Kim Hyeong Ja , Tại sao các nhà vật lý lại mạo hiểm mạng sống vì lực hấp dẫn? (tiếng Hàn), Tuần báo Chosun (Ngày 05/11/2013)