Tháp khối gỗ rút và chồng sách là hai cách dễ thấy quán tính và ma sát cùng làm việc: đánh thật nhanh một khối ở chân tháp, khối đó văng ra mà tháp phía trên chỉ hạ xuống, không đổ; đẩy chậm thì cả tháp bị kéo theo. Còn rút từng thanh gỗ ra khỏi tháp đang đứng, ma sát nghỉ quyết định thanh nào rút được, thanh nào không. Đây là những thí nghiệm an toàn, làm được bằng đồ chơi gỗ có sẵn hoặc bằng sách vở trong nhà.
Phần 1: Đánh bay khối dưới chân tháp
Chuẩn bị
- Một bộ khối gỗ đều nhau (loại khối xây tháp rút cho trẻ em, khối gỗ xếp hình, hoặc hộp diêm rỗng, hộp bánh nhỏ cùng cỡ).
- Một thước kẻ gỗ hoặc nhựa cứng, hoặc một chiếc thìa gỗ có cán dài.
- Mặt bàn phẳng, nhẵn.
Các bước
- Xếp chồng 6–10 khối thành một cột thẳng đứng.
- Đặt thước nằm sát mặt bàn, cạnh khối dưới cùng.
- Quét thước thật nhanh, dứt khoát theo phương ngang, đánh vào khối dưới cùng.
- Khối dưới cùng văng ra, cột phía trên "rơi" xuống một bậc và vẫn đứng.
- Lặp lại với khối dưới cùng mới.
Giải thích
Khi khối dưới cùng bị đánh văng, nó trượt dưới khối thứ hai. Ma sát giữa hai khối kéo khối thứ hai (và cả cột) theo hướng đánh. Nhưng thời gian tiếp xúc rất ngắn — vài phần trăm giây — nên cột chỉ nhận được một vận tốc ngang rất nhỏ. Quán tính của cả cột (nặng hơn một khối nhiều lần) giữ nó gần như nguyên chỗ. Khi khối dưới đã đi, cột rơi xuống mặt bàn một đoạn bằng chiều cao một khối — chỉ khoảng 1–1,5 cm, nên rơi nhẹ, vẫn đứng thẳng.
Đây là thí nghiệm giật khăn trải bàn theo phương thẳng đứng: khối bị đánh là "tấm khăn", cột phía trên là "bát đĩa".
Vì sao có lúc thất bại
- Đánh chậm: ma sát có thời gian kéo cột đi, cột nghiêng và đổ.
- Đánh lệch, không ngang: thước đánh vào khối thứ hai, hoặc hất khối dưới lên.
- Đánh lệch tâm: khối dưới xoay đi thay vì trượt thẳng, làm cột xoay theo.
- Cột cao, khối nhẹ: cột cao dễ chao đảo khi rơi xuống một bậc.
Ở một số hội chợ, công viên ở châu Âu và Nhật Bản có đồ chơi dân gian tương tự: tháp nhiều tầng gỗ tròn, người chơi dùng búa gỗ đánh văng từng tầng dưới cùng mà không làm đổ tháp (ở Nhật gọi là daruma otoshi). Đây là ứng dụng quán tính được nhiều thế hệ trẻ em yêu thích.
Phần 2: Rút thanh gỗ ra khỏi tháp
Với bộ tháp gỗ rút (các thanh gỗ xếp thành tầng ba thanh đan chéo nhau), người chơi lần lượt rút một thanh ra khỏi tháp mà không làm đổ. Thoạt nhìn là trò khéo tay, nhưng thực chất là bài học về ma sát nghỉ và phân bố lực.
Vì sao có thanh rút dễ, có thanh không nhúc nhích
Các thanh gỗ không đều nhau tuyệt đối — chênh nhau vài phần mười milimét. Trong một tầng ba thanh, thường có thanh dày hơn một chút, gánh phần lớn sức nặng của các tầng trên. Thanh ấy bị ép mạnh, ma sát nghỉ lớn, rút rất khó và dễ làm cả tháp lắc. Thanh mỏng hơn gần như không chịu lực, lỏng lẻo, rút ra dễ dàng.
- Chạm thử nhẹ từng thanh trước khi rút: thanh nào nhúc nhích dễ là thanh lỏng.
- Thanh giữa hay thanh bên? Khi tầng có ba thanh, rút thanh giữa thì hai thanh bên còn lại giữ cân bằng đối xứng. Rút thanh bên, tầng chỉ còn hai thanh ở một phía, trọng tâm các tầng trên phải nằm phía trên hai thanh còn lại.
Rút nhanh hay chậm?
Với thanh lỏng, rút chậm nhẹ nhàng là được. Với thanh hơi chặt, có hai chiến thuật:
- Gõ nhẹ liên tục vào đầu thanh: mỗi cú gõ ngắn đẩy thanh dịch một chút mà không đủ thời gian kéo các tầng trên theo (quán tính).
- Búng nhanh một cú: giống thí nghiệm phần 1. Có rủi ro nếu thanh chặt quá.
Trọng tâm và điểm đổ
Tháp đổ khi đường thẳng đứng đi qua trọng tâm của phần phía trên rơi ra ngoài phạm vi các thanh đỡ bên dưới. Khi tháp đã cao, đã nhiều tầng thiếu thanh, chỉ cần một chút lệch là đổ. Đó là lúc ma sát nghỉ giữa các thanh gánh vai trò cuối cùng — chút ma sát còn lại ngăn các tầng trượt khỏi nhau.
Phần 3: Chồng sách và tờ giấy
- Đặt một tờ giấy A4 lên bàn, một nửa thò ra ngoài mép bàn.
- Đặt chồng 3–5 quyển sách lên phần giấy nằm trên bàn.
- Nắm mép giấy, giật thật nhanh xuống dưới và ra ngoài.
- Tờ giấy rút ra, chồng sách gần như không nhúc nhích.
- Thử lại, kéo giấy từ từ: cả chồng sách bị kéo theo.
Thí nghiệm này còn cho thấy một điều: chồng sách càng nặng, ma sát càng lớn — nhưng quán tính cũng càng lớn. Hai yếu tố tăng cùng tỉ lệ, nên trên lý thuyết, cách tờ giấy được giật mới quyết định. Thực tế, chồng sách nặng ép giấy phẳng hơn, dễ thành công hơn.
An toàn và ghi chép
- Khối gỗ có thể văng xa khi bị đánh: không đứng đối diện hướng đánh, không đánh về phía mặt người, không làm gần đồ dễ vỡ.
- Khối nhỏ có nguy cơ hóc với trẻ dưới 3 tuổi.
- Ghi lại: đánh bao nhiêu lần thì tháp đổ; khối nhẵn và khối nhám khác nhau thế nào; tháp bao nhiêu khối thì bắt đầu khó.
Góc nhìn hôm nay: một bộ đồ chơi, ba định luật
Chỉ với một bộ khối gỗ, trẻ có thể thấy định luật I Newton (cột đứng yên vì quán tính), ma sát nghỉ và trượt (thanh chặt, thanh lỏng), và cân bằng của vật rắn (trọng tâm, điểm đổ). Hãy để trẻ dự đoán trước mỗi lần thử: "Lần này tháp đổ hay đứng? Vì sao?" và ghi lại. Mỗi lần dự đoán sai là một lần học được điều mới.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đánh nhanh khối dưới cùng mà tháp không đổ?
Vì quán tính: cột phía trên có xu hướng đứng yên. Khối dưới bị đánh văng rất nhanh, ma sát giữa nó và khối phía trên chỉ tác dụng trong khoảnh khắc ngắn, không đủ kéo cột đi. Cột chỉ rơi xuống một bậc và vẫn đứng.
Vì sao trong tháp gỗ rút có thanh rút dễ, có thanh rất chặt?
Vì các thanh gỗ chênh nhau rất ít về độ dày. Thanh dày hơn gánh phần lớn sức nặng các tầng trên, bị ép mạnh nên ma sát nghỉ lớn và khó rút. Thanh mỏng hơn gần như không chịu lực nên lỏng và dễ rút.
Khi nào tháp gỗ bị đổ?
Tháp đổ khi đường thẳng đứng qua trọng tâm của phần phía trên rơi ra ngoài phạm vi các thanh đỡ bên dưới, hoặc khi ma sát giữa các tầng không còn đủ giữ chúng khỏi trượt lệch.
Rút tờ giấy dưới chồng sách nên rút nhanh hay chậm?
Rút thật nhanh và dứt khoát, hướng xuống dưới. Rút nhanh làm ma sát chỉ tác dụng trong thời gian rất ngắn nên chồng sách gần như đứng yên. Rút chậm thì ma sát có đủ thời gian kéo cả chồng sách theo.
Thí nghiệm khối gỗ có an toàn cho trẻ không?
An toàn nếu có người lớn hướng dẫn, không đánh khối về phía người hay đồ dễ vỡ, và không để khối nhỏ trong tầm tay trẻ dưới 3 tuổi vì nguy cơ hóc.