Lực giật lùi là phản lực mà một vật nhận được khi nó đẩy một khối lượng khác ra phía trước: đẩy nước, khí hay đồ vật đi hướng này thì bị đẩy về hướng ngược lại. Vòi cứu hoả giật mạnh tới mức cần hai, ba người giữ; quả bóng bay xì hơi lao vút đi; vòi tưới cây bỏ ngỏ trên sân quẫy như con rắn. Tất cả đều là bảo toàn động lượng: tổng động lượng trước bằng không thì sau cũng phải bằng không.
Công thức của lực giật lùi
Một vòi phun mỗi giây đẩy ra một khối lượng nước Δm với vận tốc v. Mỗi giây, nước nhận động lượng Δm·v, nên vòi nhận một động lượng bằng như thế theo chiều ngược lại. Lực giật lùi xấp xỉ:
F = (khối lượng phun ra mỗi giây) × (vận tốc phun)
Muốn lực giật lớn, cần phun nhiều và phun nhanh. Vòi nước tưới cây trong vườn phun khoảng vài lít mỗi phút với vận tốc vài mét mỗi giây, giật rất nhẹ. Vòi chữa cháy phun hàng trăm lít mỗi phút với vận tốc hàng chục mét mỗi giây, giật mạnh hơn hàng trăm lần.
Vòi cứu hoả: vì sao lính cứu hoả phải ôm chặt
Một vòi chữa cháy cầm tay cỡ phổ biến có thể phun khoảng 400–600 lít nước mỗi phút. Giả sử 500 lít mỗi phút (khoảng 8,3 kg mỗi giây) với vận tốc 30 m/s ở đầu lăng, lực giật lùi khoảng 8,3 × 30 ≈ 250 N — tương đương giữ một vật nặng 25 kg mà nó lại liên tục giật ngược về sau. Các vòi lớn hơn hoặc áp suất cao hơn có lực giật lớn hơn nhiều.
Đó là lý do lính cứu hoả được huấn luyện tư thế giữ lăng: chân trước chân sau, thân hơi đổ về trước, ôm vòi sát người, và thường có người thứ hai đứng sau đỡ. Nếu tuột tay, vòi mất kiểm soát có thể quất rất mạnh, gây thương tích. Lăng phun hiện đại có thiết kế giảm lực giật và tay cầm chắc chắn, nhưng vật lý thì không thể "tắt" được.
Vòi tưới cây quẫy như rắn
Thả một vòi nước cao su đang mở xuống đất mà không ai giữ, đầu vòi sẽ quẫy loạn xạ. Lý do: lực giật lùi luôn hướng ngược với hướng nước phun. Khi đầu vòi hơi cong, lực đẩy nó lệch đi, hướng phun đổi, lực giật đổi hướng theo — một vòng phản hồi không ổn định. Ống mềm còn bị chính dòng nước bên trong làm thẳng ra hoặc uốn cong khi tốc độ dòng thay đổi.
Các nhà vật lý gọi đây là một dạng bất ổn định do dòng chảy trong ống mềm, và nó cũng xuất hiện trong ống dẫn công nghiệp. Cách đơn giản để tránh: không bao giờ bỏ vòi đang mở xả mạnh mà không cố định đầu vòi.
Bóng bay: tên lửa nhỏ nhất trong nhà
Bóng bay xì hơi bay lộn xộn vì miệng bóng mềm, quẫy qua lại, hướng phun khí thay đổi liên tục. Nếu giữ hướng phun cố định — dán quả bóng vào một ống hút luồn qua sợi dây căng ngang — bóng sẽ chạy thẳng dọc sợi dây, như một "tên lửa dây".
Thí nghiệm này giúp so sánh: bóng thổi to (nhiều khí, áp suất cao) chạy xa hơn bóng thổi nhỏ. Bóng hình dài chạy ổn định hơn bóng tròn. Thêm một cái phễu nhỏ ở miệng bóng làm khí phụt ra hẹp và nhanh hơn, nhưng thời gian phụt ngắn hơn.
Máy tưới xoay và cỗ máy hơi nước cổ nhất
Máy tưới cỏ xoay tròn có các vòi cong phun nước theo phương tiếp tuyến. Lực giật lùi của từng tia nước đẩy cánh tay vòi quay theo chiều ngược lại. Đây là lực giật lùi tạo ra chuyển động quay.
Ý tưởng này rất cổ. Khoảng thế kỷ thứ nhất, Heron thành Alexandria mô tả một quả cầu kim loại có hai ống cong, đặt trên nồi nước sôi. Hơi nước thoát ra từ hai ống làm quả cầu quay tít. Thiết bị này được gọi là aeolipile, thường được nhắc tới như "động cơ hơi nước" cổ nhất có mô tả, dù thời đó chỉ là một món đồ kỳ lạ, không dùng để làm việc gì.
Câu đố máy tưới ngược của Feynman
Nhà vật lý Richard Feynman từng kể về một câu hỏi làm đau đầu nhiều thế hệ sinh viên: nếu nhúng máy tưới xoay xuống nước rồi hút nước vào thay vì phun ra, nó sẽ quay theo chiều nào, hay không quay? Câu hỏi nghe đơn giản, nhưng câu trả lời phụ thuộc vào chi tiết dòng chảy bên trong ống. Các thí nghiệm qua nhiều thập kỷ cho kết quả không thống nhất; năm 2024, một nhóm nghiên cứu ở Đại học New York công bố thí nghiệm rất cẩn thận cho thấy máy tưới ngược có quay, nhưng rất chậm, và giải thích cơ chế bằng các dòng xoáy bên trong. Một ví dụ về việc định luật đơn giản có thể dẫn tới câu đố khó.
Lực giật lùi ở khắp nơi
| Ví dụ | Khối lượng bị đẩy đi | Kết quả |
|---|---|---|
| Ném bóng nặng khi đứng trên ván trượt | Quả bóng | Người lùi về sau |
| Bước từ thuyền lên bờ | Người | Thuyền lùi ra xa |
| Mô tô nước, thuyền phản lực | Nước hút vào rồi phụt ra sau | Thuyền lao tới |
| Phi hành gia ném dụng cụ ngoài không gian | Dụng cụ | Phi hành gia trôi theo hướng ngược lại |
| Bình chữa cháy khi xả | Bột hoặc khí | Bình giật ngược về phía người cầm |
| Máy bay phản lực | Khí nóng phụt ra sau | Máy bay bay tới |
Còn một dạng "giật lùi xoay": máy khoan cầm tay khi mũi khoan bị kẹt sẽ vặn ngược cổ tay người cầm. Mô tơ quay mũi khoan theo một chiều thì thân máy nhận mô men ngược chiều. Đây là lý do máy khoan lớn có tay cầm phụ, và trực thăng một cánh quạt chính cần cánh quạt nhỏ ở đuôi để thân không bị xoay ngược.
Góc nhìn hôm nay: an toàn với lực giật lùi
- Vòi nước, vòi rửa xe áp lực cao: cầm bằng hai tay, đứng vững trước khi mở van; không để trẻ nhỏ cầm vòi áp lực cao.
- Bình chữa cháy: đứng vững, cầm chắc vòi trước khi bóp cò; tập dùng thử theo hướng dẫn của đội phòng cháy chữa cháy khu dân cư.
- Máy khoan: dùng tay cầm phụ, giữ chắc khi khoan vật cứng; chọn chế độ ly hợp mô men nếu máy có.
- Thuyền nhỏ: buộc dây hoặc nhờ người giữ mạn khi bước lên xuống.
Thí nghiệm tên lửa dây với bóng bay là hoạt động khoa học an toàn, dễ làm trong lớp học hay ở nhà. Trang giáo dục của NASA có hướng dẫn chi tiết cho giáo viên.
Câu hỏi thường gặp
Lực giật lùi là gì?
Là phản lực mà một vật nhận khi nó đẩy một khối lượng khác như nước, khí hay đồ vật ra một hướng. Theo bảo toàn động lượng, khối lượng bị đẩy đi hướng nào thì vật nhận động lượng bằng như thế theo hướng ngược lại.
Vì sao vòi cứu hoả giật mạnh?
Vì vòi phun ra hàng trăm lít nước mỗi phút với vận tốc hàng chục mét mỗi giây. Lực giật lùi bằng khối lượng nước phun mỗi giây nhân vận tốc phun, có thể tới vài trăm niutơn, nên cần nhiều người giữ và tư thế vững.
Vì sao vòi tưới cây bỏ trên đất lại quẫy?
Lực giật lùi luôn ngược hướng nước phun. Khi đầu vòi mềm hơi cong, lực đẩy nó lệch đi, hướng phun đổi, lực giật lại đổi hướng theo, tạo vòng phản hồi không ổn định làm đầu vòi quẫy loạn.
Máy tưới cỏ xoay quay nhờ đâu?
Các vòi cong phun nước theo phương tiếp tuyến, lực giật lùi của từng tia nước đẩy cánh tay vòi quay theo chiều ngược lại. Nguyên lý này giống quả cầu hơi nước của Heron thành Alexandria từ khoảng thế kỷ thứ nhất.
Vì sao trực thăng cần cánh quạt đuôi?
Khi động cơ quay cánh quạt chính theo một chiều, thân máy bay nhận mô men xoắn ngược chiều và có xu hướng xoay ngược. Cánh quạt đuôi tạo lực ngang để chống lại mô men đó, giữ thân máy bay đứng hướng.