Thí nghiệm đồng xu, tấm thẻ và chiếc cốc rất đơn giản: đặt tấm thẻ lên miệng cốc, đặt đồng xu lên tấm thẻ, rồi búng mạnh tấm thẻ theo phương ngang — thẻ bay đi, còn đồng xu rơi thẳng xuống lòng cốc. Đồng xu không bay theo thẻ vì quán tính: cú búng quá nhanh, ma sát giữa thẻ và đồng xu không kịp truyền cho nó vận tốc ngang đáng kể. Khi thẻ đã đi, chẳng còn gì đỡ đồng xu, trọng lực kéo nó rơi thẳng xuống. Thí nghiệm chỉ cần vài thứ có sẵn trong nhà và mất chưa tới một phút.
Chuẩn bị
- Một chiếc cốc, ly hoặc lọ miệng rộng vừa phải (miệng cốc rộng hơn đồng xu vài lần). Cốc nhựa hoặc cốc thuỷ tinh dày.
- Một tấm thẻ cứng, phẳng: thẻ bài, bìa lịch cũ, tấm bìa cứng cỡ lòng bàn tay. Thẻ nhựa trơn hoặc giấy bóng dễ thành công hơn bìa nhám.
- Một đồng xu (hoặc một nắp chai kim loại, một viên bi ve, một cục tẩy nhỏ nếu không có xu).
Các bước
- Đặt cốc trên mặt bàn phẳng.
- Đặt tấm thẻ phẳng trên miệng cốc.
- Đặt đồng xu ngay giữa tấm thẻ, thẳng trên lòng cốc.
- Cong ngón trỏ, tì vào ngón cái, đặt ngón tay ngang tầm mép thẻ.
- Búng thật mạnh, dứt khoát vào mép thẻ theo phương ngang. Không búng từ trên xuống hay từ dưới lên.
- Thẻ bay đi, đồng xu rơi "tõm" vào cốc.
Nếu đổ một ít nước vào cốc, tiếng "tõm" sẽ rõ hơn và đồng xu không nảy ra ngoài.
Giải thích từng bước bằng vật lý
Trước cú búng
Đồng xu đứng yên trên thẻ. Trọng lực kéo nó xuống, thẻ đẩy nó lên, hai lực cân bằng (định luật I Newton).
Trong khoảnh khắc búng
Ngón tay truyền cho thẻ một xung lực lớn, thẻ tăng tốc rất nhanh. Giữa thẻ và đồng xu có ma sát trượt, kéo đồng xu theo hướng thẻ. Nhưng ma sát này nhỏ (chỉ bằng μ × trọng lượng đồng xu) và chỉ tác dụng trong thời gian thẻ còn nằm dưới đồng xu — vài phần trăm giây. Đồng xu chỉ nhận được một vận tốc ngang rất nhỏ.
Sau khi thẻ đi
Không còn gì đỡ đồng xu. Nó rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực. Với vận tốc ngang rất nhỏ, nó gần như rơi thẳng xuống, vào lòng cốc. Thời gian rơi từ miệng cốc xuống đáy cốc cao 10 cm khoảng √(2 × 0,1 / 9,8) ≈ 0,14 giây.
Vì sao búng chậm thì thất bại
Nếu đẩy thẻ từ từ, ma sát có đủ thời gian kéo đồng xu đi cùng. Đồng xu dịch theo thẻ, rơi ra ngoài miệng cốc hoặc cùng thẻ rơi xuống bàn. Giống như giật khăn trải bàn: thời gian tác dụng của lực mới là điều quyết định.
Nâng cấp thử thách
| Thử thách | Cách làm | Điều quan sát được |
|---|---|---|
| Hai đồng xu chồng nhau | Đặt hai đồng xu chồng lên nhau trên thẻ | Thường cả hai cùng rơi vào cốc, vì đồng xu dưới chịu ma sát, đồng xu trên được đồng xu dưới đỡ |
| Vòng giấy và chai | Đặt một vòng giấy cứng (cắt từ ống giấy vệ sinh) đứng trên miệng chai, trên đỉnh vòng đặt một nắp bút hoặc đồng xu; dùng ngón tay giật mạnh vòng giấy từ bên trong ra ngoài | Vòng bay đi, vật nhỏ rơi vào miệng chai |
| Tháp cốc | Xếp ba bộ "cốc – thẻ – đồng xu" thành hàng, búng lần lượt | Luyện độ chính xác và tốc độ |
| Đổi vật | Thử với quả trứng luộc trên ống giấy đặt trên cốc nước | Biến thể kinh điển "trứng rơi vào cốc", cần cốc nước để đỡ trứng |
| Đổi bề mặt thẻ | Thử thẻ nhựa trơn và bìa nhám | Thẻ trơn dễ thành công hơn, vì ma sát nhỏ |
Biến thể "trứng rơi vào cốc" là một tiết mục phổ biến ở các lớp học vật lý: quả trứng đặt trên một ống giấy đứng dựng trên chiếc khay, khay đặt trên cốc nước. Gạt mạnh chiếc khay theo phương ngang, khay đẩy ống giấy đi, quả trứng rơi thẳng vào nước. Với trứng sống, cần chắc chắn cốc đủ nước và làm trên khay để dễ dọn nếu hỏng.
An toàn
- Đồng xu và vật nhỏ có nguy cơ hóc với trẻ dưới 3 tuổi: không để trẻ nhỏ cầm chơi một mình, cất gọn sau khi làm xong.
- Dùng cốc nhựa hoặc cốc thuỷ tinh dày, đặt trên khăn để giảm nguy cơ vỡ.
- Không búng thẻ về phía mặt người khác.
Mở rộng: đo và so sánh
Muốn biến tiết mục đơn giản này thành một thí nghiệm có số liệu, có thể:
- Thay đổi tốc độ búng (búng mạnh, búng vừa, đẩy chậm), lặp lại mỗi kiểu 10 lần, ghi số lần đồng xu rơi vào cốc.
- Thay đổi chất liệu thẻ, ghi lại tỉ lệ thành công.
- Quay video chậm 240 khung hình/giây (nhiều điện thoại có chế độ này), đếm số khung hình thẻ còn nằm dưới đồng xu để ước lượng thời gian tác dụng của ma sát.
Ghi kết quả vào bảng, rồi tìm quy luật: tỉ lệ thành công tăng khi búng nhanh hơn, khi thẻ trơn hơn. Đây là cách làm khoa học thật sự, không chỉ là trò ảo thuật.
Góc nhìn hôm nay: quán tính trong túi áo
Thí nghiệm đồng xu là phiên bản "bỏ túi" của thí nghiệm giật khăn trải bàn: cùng định luật, cùng bí quyết tốc độ, nhưng dễ làm ở bất cứ đâu, kể cả trong lớp học. Sau khi làm, hãy cùng trẻ tìm ba ví dụ quán tính khác trong ngày — ngồi xe buýt khi xe phanh, rũ nước khỏi áo mưa, gõ cán búa — và giải thích chúng bằng cùng một ý: vật đứng yên muốn đứng yên, vật đang chạy muốn chạy tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao búng tấm thẻ mà đồng xu rơi vào cốc?
Vì quán tính: đồng xu có xu hướng giữ trạng thái đứng yên. Cú búng quá nhanh, ma sát giữa thẻ và đồng xu chỉ tác dụng trong khoảnh khắc rất ngắn nên đồng xu gần như không nhận được vận tốc ngang. Khi thẻ đi, đồng xu rơi thẳng xuống cốc.
Làm sao để thí nghiệm đồng xu thành công?
Dùng thẻ cứng, phẳng, trơn; đặt đồng xu ngay giữa thẻ trên lòng cốc; búng thật mạnh và dứt khoát vào mép thẻ theo phương ngang, không búng từ trên xuống hay từ dưới lên.
Vì sao đẩy thẻ chậm thì đồng xu rơi ra ngoài?
Vì khi đẩy chậm, ma sát có đủ thời gian kéo đồng xu đi theo thẻ. Đồng xu dịch sang bên cùng thẻ và rơi ra ngoài miệng cốc. Thời gian tác dụng của lực mới là yếu tố quyết định.
Thí nghiệm này liên quan tới định luật nào?
Định luật I Newton về quán tính, cùng nguyên lý xung lượng: tác dụng của lực phụ thuộc cả độ lớn và thời gian. Đây là phiên bản nhỏ của thí nghiệm giật khăn trải bàn.
Trẻ mấy tuổi làm được thí nghiệm đồng xu?
Trẻ khoảng 6 đến 7 tuổi trở lên có thể tự búng thẻ với sự hướng dẫn của người lớn. Với trẻ nhỏ hơn, người lớn làm mẫu và giữ đồng xu, vì vật nhỏ có nguy cơ hóc với trẻ dưới 3 tuổi.