Con quay tự làm từ đĩa CD cũ, một viên bi và một nắp chai có thể quay rất lâu trên mặt bàn, vì đĩa CD rộng và có khối lượng dồn ra mép, tạo mô men quán tính lớn. Chỉ cần dán viên bi vào lỗ giữa đĩa ở mặt dưới làm mũi quay, và một nắp chai ở mặt trên làm tay xoay. Từ con quay đơn giản này có thể làm hàng loạt thí nghiệm: so sánh đĩa to và nhỏ, nặng và nhẹ, thêm đồng xu ở mép hay ở tâm, và cả con quay bảy màu biến thành màu trắng khi quay nhanh.
Chuẩn bị
- Một đĩa CD hoặc DVD cũ.
- Một viên bi ve hoặc bi thép, đường kính lớn hơn lỗ giữa đĩa CD (lỗ khoảng 15 mm, bi khoảng 16–20 mm).
- Một nắp chai nhựa (nắp chai nước ngọt).
- Keo dán nóng (người lớn dùng) hoặc keo dán đa năng, băng dính hai mặt, đất nặn.
- Tuỳ chọn: vài đồng xu, giấy màu, bút màu, kéo, compa.
Cách làm
- Mũi quay: đặt đĩa CD nằm ngang, mặt in nhãn lên trên. Ở mặt dưới, đặt viên bi vào lỗ giữa để nửa viên bi nhô ra. Người lớn dùng keo nóng cố định viên bi quanh mép lỗ. Viên bi phải đúng tâm.
- Tay xoay: ở mặt trên, dán nắp chai úp ngược (miệng nắp dán xuống đĩa) đúng tâm, che lỗ giữa. Có thể dùng đất nặn hoặc keo.
- Chờ keo khô, kiểm tra bằng cách đặt con quay lên bàn: đĩa phải nằm cân, không nghiêng hẳn về một phía.
- Quay: cầm nắp chai bằng ngón cái và ngón trỏ, xoay mạnh và thả. Con quay quay trên viên bi.
Vì sao đĩa CD là con quay tốt
- Mô men quán tính lớn: đĩa rộng, khối lượng rải ra tới mép (bài mô men quán tính). Cùng tốc độ quay, nó mang mô men động lượng lớn, khó bị nghiêng đổ.
- Trọng tâm thấp: đĩa mỏng, nằm sát mặt bàn, mô men lật do trọng lực khi nghiêng nhỏ.
- Mũi quay nhỏ, trơn: viên bi tròn nhẵn chạm bàn ở một điểm nhỏ, ma sát ít.
- Đối xứng: đĩa CD tròn đều, không rung lắc khi quay nhanh.
Như con quay dân gian (bài con cù, con vụ), khi quay nhanh, trọng lực chỉ làm trục tiến động chậm chứ không làm đổ. Khi ma sát làm quay chậm, tiến động mạnh lên, con quay lắc lư rồi ngã.
Thí nghiệm 1: Thời gian quay phụ thuộc gì
Dùng đồng hồ bấm giờ, đo thời gian từ khi thả tới khi mép đĩa chạm bàn. Mỗi kiểu đo 5 lần, lấy trung bình. Cố gắng xoay với lực như nhau mỗi lần (hoặc nhờ một người xoay cho tất cả).
| Biến thể | Cách làm | Dự đoán gợi ý |
|---|---|---|
| Đĩa trần | Con quay cơ bản | Mốc so sánh |
| Thêm đồng xu ở mép | Dán 4 đồng xu cách đều ở sát mép đĩa | Quay lâu hơn: mô men quán tính tăng nhiều |
| Thêm đồng xu ở gần tâm | Dán 4 đồng xu đó sát quanh nắp chai | Ít khác biệt: khối lượng gần trục góp ít vào mô men quán tính |
| Đồng xu lệch một bên | Dán 1 đồng xu ở mép một bên | Rung lắc, nhanh đổ: mất đối xứng |
| Mặt bàn khác nhau | Mặt kính, gỗ, khăn trải bàn | Mặt cứng nhẵn quay lâu nhất |
| Đĩa nhỏ hơn | Thay CD bằng nắp lọ lớn hoặc đĩa giấy | Quay ngắn hơn |
Thí nghiệm đồng xu ở mép và ở tâm là cách trực quan nhất để thấy công thức I = m·r²: cùng 4 đồng xu, đặt xa trục thì "mạnh" hơn nhiều so với đặt gần.
Thí nghiệm 2: Con quay bảy màu
Năm 1704, trong cuốn Opticks, Isaac Newton mô tả ánh sáng trắng gồm nhiều màu, và ông dùng một vòng tròn chia màu để minh hoạ việc trộn màu. Ngày nay, "đĩa màu Newton" là thí nghiệm phổ biến:
- Cắt một hình tròn giấy trắng bằng đĩa CD.
- Chia thành 7 phần như những miếng bánh, tô màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
- Dán lên mặt trên con quay (khoét lỗ cho nắp chai).
- Quay thật nhanh.
Các màu hoà vào nhau, đĩa trông nhạt đi, gần như xám trắng. Lý do: mắt người lưu lại hình ảnh khoảng vài chục phần nghìn giây; khi các màu lướt qua cùng một điểm nhanh hơn thế, não "trộn" chúng lại. Vì màu bút không tinh khiết như ánh sáng, kết quả thường là màu xám nhạt hoặc hơi ngả màu chứ không trắng tinh.
Thử thêm: tô một nửa đỏ, một nửa xanh lá; hay vẽ những đường cong đen trắng — có những mẫu đen trắng khi quay lại hiện ra màu sắc mờ nhạt (hiệu ứng đĩa Benham, mô tả năm 1894). Vì sao điều đó xảy ra thì các nhà khoa học thị giác vẫn còn nghiên cứu.
Thí nghiệm 3: Con quay lật mini
Cắt đôi một quả bóng bàn (người lớn làm, cẩn thận), dán một đoạn que kem ngắn hoặc nắp bút vào giữa mặt phẳng làm cán. Xoay nửa quả bóng trên phần cầu thật nhanh: nếu cân bằng tốt, nó có thể tự lật ngược đứng trên cán, như con quay lật mà Niels Bohr và Wolfgang Pauli từng tò mò (bài con cù, con vụ). Không phải lần nào cũng thành công — đây là thí nghiệm dành cho người kiên nhẫn.
An toàn
- Người lớn dùng keo nóng; keo nóng có thể gây bỏng.
- Viên bi, đồng xu là vật nhỏ có nguy cơ hóc với trẻ dưới 3 tuổi.
- Đĩa CD bị bẻ gãy có cạnh rất sắc; không dùng đĩa đã nứt.
- Cắt quả bóng bàn bằng dao rọc giấy phải do người lớn làm.
Góc nhìn hôm nay: một chiếc đĩa cũ, một bài học lớn
Đĩa CD từng là cách lưu trữ âm nhạc, phim ảnh phổ biến, nay nằm im trong ngăn kéo nhiều nhà. Biến nó thành con quay là cách tái sử dụng vui và cũng là bài học về mô men quán tính, mô men động lượng và cả thị giác. Hãy để trẻ tự đặt câu hỏi: "Nếu dán đồng xu ở đây thì sao?" — và tự tìm câu trả lời bằng đồng hồ bấm giờ. Đó là cách nhà khoa học làm việc.
Câu hỏi thường gặp
Làm con quay từ đĩa CD như thế nào?
Dán một viên bi vào lỗ giữa ở mặt dưới đĩa CD làm mũi quay, dán một nắp chai úp ngược đúng tâm ở mặt trên làm tay xoay. Chờ keo khô, cầm nắp chai xoay mạnh rồi thả, con quay sẽ quay trên viên bi.
Vì sao con quay đĩa CD quay lâu?
Vì đĩa rộng có khối lượng dồn ra mép, tạo mô men quán tính lớn, mang nhiều mô men động lượng nên khó bị nghiêng đổ. Trọng tâm thấp, mũi bi nhỏ và trơn cũng giảm ma sát và mô men lật.
Dán đồng xu ở mép hay ở tâm thì quay lâu hơn?
Dán ở mép thì quay lâu hơn rõ rệt, vì mô men quán tính tăng theo bình phương khoảng cách tới trục. Cùng khối lượng đồng xu, đặt gần tâm chỉ thay đổi rất ít.
Vì sao đĩa bảy màu quay nhanh lại thành màu nhạt?
Vì mắt lưu ảnh khoảng vài chục phần nghìn giây. Khi các màu lướt qua cùng một điểm nhanh hơn thế, não trộn chúng lại thành màu gần xám trắng. Newton dùng vòng tròn màu để minh hoạ việc ánh sáng trắng gồm nhiều màu.
Trẻ mấy tuổi làm được con quay đĩa CD?
Trẻ khoảng 6 đến 7 tuổi trở lên có thể tự lắp ráp và làm thí nghiệm với sự giúp đỡ của người lớn ở bước dùng keo nóng. Cần giữ viên bi, đồng xu xa tầm tay trẻ dưới 3 tuổi.