Sức mạnh kỳ lạ trong quả cầu Magdeburg
Ngày 8/5/1654, người dân thành phố Regensburg, nhà vua và các quý tộc Đức đã được chứng kiến một sự việc kỳ lạ: 16 con ngựa chia làm hai nhóm, ra sức kéo bật hai bán cầu bằng đồng gắn chặt với nhau về hai phía. Nhưng hai bán cầu vẫn trơ ra.
Bằng thí nghiệm này, thị trưởng thành phố Otto von Guericke đã chứng minh rằng không khí hoàn toàn không phải là “không có gì cả” như mọi người vẫn nghĩ. Nó có trọng lượng và ép lên tất cả mọi vật trên Trái đất bằng một lực rất lớn. Dưới đây là đoạn trích dịch về thí nghiệm này của Guericke: “Thí nghiệm chứng minh rằng áp suất của không khí gắn hai bán cầu vào với nhau chắc đến nỗi 16 con ngựa cũng không tách nổi chúng ra”.
“Tôi đặt làm hai bán cầu bằng đồng có đường kính ba phần tư khuỷu Magdeburg, khoảng 40 cm. Nhưng thực tế, đường kính chỉ khoảng 37 cm, bởi người thợ thường không thể làm thật đúng như yêu cầu. Hai bán cầu hoàn toàn ăn khít với nhau. Ở một bán cầu có lắp một vòi hơi, qua vòi này người ta có thể hút hết không khí bên trong ra và không cho không khí bên ngoài lọt vào. Ngoài ra, trên hai bán cầu còn có 4 cái vòng dùng làm chỗ luồn dây buộc nối với yên ngựa. Tôi lại sai hai người khâu một vòng da rồi đem ngâm vòng da vào hỗn hợp sáp với dầu thông. Sau khi kẹp vòng da này vào giữa hai bán cầu, không khí không thể lọt vào trong nữa. Nối vòi hơi với một bơm để rút hết không khí trong quả cầu ra. Lúc ấy, người ta đã thấy qua vòng da, hai bán cầu ép chặt vào nhau mạnh đến mức nào. Áp suất của không khí bên ngoài siết chặt chúng đến nỗi 16 con ngựa kéo cật lực cũng không tách nổi chúng ra được; hoặc nếu tách được thì cũng phải rất tốn sức. Khi ngựa kéo được hai bán cầu ra, còn thấy chúng phát ra tiếng nổ như súng vậy. Nhưng chỉ cần vặn vòi hơi cho không khí tự do đi vào, lập tức có thể dùng tay tách hai bán cầu ấy ra dễ dàng”. Một vài phép tính đơn giản cũng có thể giúp chúng ta hiểu rõ vì sao cần một lực lớn đến thế để tách hai bán cầu ra.
Không khí ép xấp xỉ 10 N trên mỗi centimét vuông. Diện tích của vòng tròn có đường kính 37 cm là khoảng 1.060 centimét vuông. Ở đây ta tính diện tích của vòng tròn chứ không phải bề mặt của bán cầu, bởi áp suất khí quyển chỉ có độ lớn như đã nói khi tác dụng vuông góc với một bề mặt; còn khi tác dụng lên bề mặt nằm nghiêng, áp suất đó nhỏ hơn. Trong trường hợp này, ta phải lấy hình chiếu thẳng góc của mặt cầu lên mặt phẳng, tức lấy diện tích của vòng tròn lớn. Như vậy, lực ép của khí quyển lên mỗi bán cầu phải hơn 10.000 N.
Vậy mỗi nhóm 8 con ngựa phải kéo với một lực bằng 10.000 N mới thắng nổi áp suất của không khí bên ngoài. Nhìn qua, con số đó tưởng chừng không quá nặng so với tám con ngựa mỗi bên. Nhưng bạn đừng quên rằng khi kéo một tấn hàng hóa, ngựa phải bỏ ra một lực nhỏ hơn 10.000 N rất nhiều, tức chỉ cần thắng các lực ma sát giữa bánh xe với trục và giữa bánh xe với đường nhựa. Mà lực ma sát này trên đường nhựa chỉ khoảng 500 N. Ở đây chúng ta cũng bỏ qua hiện tượng khi tám con ngựa cùng kéo một vật nặng thì chúng bị mất đi 50% lực kéo. Do đó, lực kéo 10.000 N của ngựa có thể kéo được một xe 20 tấn. Như vậy, khi kéo bán cầu ra, tám con ngựa ấy đúng là phải kéo một vật tương đương với một đầu máy xe lửa cỡ nhỏ không đặt trên đường ray. Người ta đo được một con tuấn mã kéo xe với lực cả thảy khoảng 800 N. Cho nên, muốn kéo bật các bán cầu Magdeburg ra, trong trường hợp lực kéo của các con ngựa bằng nhau, mỗi bên phải dùng 10.000/800 = 13 con ngựa.
Chắc hẳn bạn đọc sẽ vô cùng kinh ngạc nếu biết rằng một số khớp xương trong cơ thể chúng ta sở dĩ không rời nhau ra cũng do nguyên nhân tương tự như ở các bán cầu Magdeburg. Áp suất khí quyển đã siết chặt các xương lại với nhau, bởi khoảng trống giữa các khớp xương không có không khí.
