Xe bóng bay là chiếc xe đồ chơi tự làm, chạy bằng luồng khí phụt ra từ một quả bóng bay gắn trên thân xe — một "tên lửa" thu nhỏ trên mặt đất. Khí bị đẩy ra phía sau, xe nhận động lượng về phía trước theo định luật bảo toàn động lượng và định luật III Newton. Chỉ cần vỏ hộp sữa hoặc tấm bìa, bốn nắp chai, hai que xiên, ống hút và một quả bóng bay. Làm xong, có thể thử thay đổi từng chi tiết để xem xe chạy xa hơn hay gần hơn — đúng cách làm của kỹ sư.
Nguyên lý
Thổi căng quả bóng, không khí bên trong bị nén, áp suất cao hơn bên ngoài. Khi mở miệng bóng, khí phụt ra qua ống hút. Mỗi giây, một khối lượng khí nhỏ bị đẩy ra với vận tốc khá lớn. Khí đi về sau mang theo động lượng, xe đi về trước với động lượng bằng như thế (bài về tên lửa và bảo toàn động lượng).
Xe chạy được bao xa phụ thuộc vào ba thứ:
- Lực đẩy: khí phụt nhiều, nhanh → đẩy mạnh.
- Khối lượng xe: xe nhẹ → cùng lực đẩy thì tăng tốc nhanh hơn (F = m·a).
- Ma sát: ma sát ở trục bánh xe và giữa bánh với sàn → càng nhỏ, xe càng chạy xa, kể cả sau khi bóng đã xẹp (quán tính).
Chuẩn bị
| Vật liệu | Dùng làm |
|---|---|
| Hộp sữa giấy, hộp bánh hoặc tấm bìa cứng khoảng 10 × 20 cm | Thân xe |
| 4 nắp chai nhựa cùng cỡ | Bánh xe |
| 2 que xiên gỗ (đã cắt đầu nhọn) hoặc 2 que tre thẳng | Trục bánh xe |
| 2 ống hút to (loại uống trà sữa) cắt ngắn bằng chiều rộng thân xe | Ống bọc trục, giúp trục quay trơn |
| 1 ống hút thường | Ống phụt khí |
| 1 quả bóng bay | "Động cơ" |
| Băng dính, dây chun nhỏ, kéo, dùi hoặc đinh để đục lỗ nắp chai | Lắp ráp |
Các bước làm
- Đục lỗ nắp chai: người lớn dùng dùi hoặc đinh nung nóng (cẩn thận) đục một lỗ ngay giữa mỗi nắp, vừa khít que xiên. Lỗ phải đúng tâm, nếu lệch bánh sẽ lắc lư.
- Làm trục: dán hai đoạn ống hút to ngang mặt dưới thân xe, một ở đầu, một ở đuôi, song song nhau. Luồn que xiên qua mỗi ống hút.
- Gắn bánh: cắm nắp chai vào hai đầu mỗi que xiên. Thử lăn xe: bánh phải quay tự do, que quay trong ống hút. Nếu bánh cọ vào thân xe, dịch nắp ra ngoài một chút.
- Làm động cơ: luồn ống hút thường vào miệng bóng bay khoảng 2–3 cm, quấn dây chun hoặc băng dính thật chặt để khí chỉ thoát qua ống hút.
- Gắn động cơ: dán ống hút dọc theo mặt trên thân xe, đầu ống hút thò ra khỏi đuôi xe khoảng 2–3 cm, bóng nằm trên thân xe.
- Chạy thử: thổi bóng qua ống hút, bịt đầu ống bằng ngón tay, đặt xe xuống sàn phẳng, buông tay.
Thử nghiệm như kỹ sư: thay một thứ mỗi lần
Chiếc xe đầu tiên thường chạy được vài mét. Bây giờ là phần thú vị nhất: cải tiến. Nguyên tắc vàng là mỗi lần chỉ thay đổi một yếu tố, giữ nguyên các yếu tố khác, chạy ít nhất ba lần rồi lấy trung bình.
| Yếu tố thay đổi | Dự đoán gợi ý | Vì sao |
|---|---|---|
| Thổi bóng to hơn | Chạy xa hơn | Nhiều khí hơn, áp suất ban đầu lớn hơn, đẩy lâu hơn |
| Ống hút to hơn | Tăng tốc mạnh lúc đầu nhưng hết hơi nhanh | Khí thoát nhiều hơn mỗi giây nhưng thời gian đẩy ngắn hơn |
| Ống hút nhỏ hơn | Đẩy nhẹ nhưng lâu | Ngược lại với trên |
| Thân xe nhẹ hơn (bìa mỏng) | Chạy xa hơn | Ít quán tính, ít ma sát lăn hơn |
| Thêm vật nặng (đồng xu) lên xe | Chạy gần hơn, chậm hơn | Khối lượng lớn hơn, gia tốc nhỏ hơn |
| Chạy trên sàn gạch so với thảm | Gạch xa hơn nhiều | Ma sát lăn trên thảm lớn hơn |
| Bánh to hơn (nắp lọ) | Có thể xa hơn | Bánh to lăn qua gồ ghề dễ hơn, ma sát ở trục ảnh hưởng ít hơn |
| Ống hút hướng chếch lên | Chạy gần hơn | Một phần lực đẩy hướng xuống sàn, không đẩy xe tới |
Ghi số liệu vào bảng, vẽ đồ thị quãng đường theo yếu tố thay đổi. Đây là kỹ năng mà các kỹ sư làm hằng ngày, gọi là thử nghiệm có kiểm soát.
Mẹo cho xe chạy xa
- Trục thẳng, bánh đúng tâm: bánh lắc lư phí năng lượng.
- Hai trục song song: trục lệch làm xe chạy vòng tròn.
- Giảm ma sát trục: ống hút to bọc ngoài que xiên giúp que quay trơn; có thể thoa một chút phấn rôm (bột talc) vào trong ống hút.
- Kín khí: khí rò qua chỗ buộc miệng bóng không đẩy xe.
- Ống phụt thẳng: ống hút song song mặt sàn, thẳng hàng với hướng xe chạy.
Biến thể: tên lửa dây
Không cần bánh xe, có thể làm "tên lửa dây": căng một sợi dây cước hoặc chỉ dài vài mét giữa hai lưng ghế, luồn qua một đoạn ống hút. Thổi bóng, bịt miệng bằng tay, dán bóng vào ống hút, buông tay. Bóng lao dọc sợi dây. Vì ma sát rất nhỏ (chỉ có ma sát giữa ống hút và dây cùng sức cản không khí), tên lửa dây thường chạy rất xa và nhanh. Thử căng dây dốc lên để thấy tên lửa phải "chống" trọng lực.
An toàn
- Người lớn đục lỗ nắp chai, cắt que xiên, dùng kéo.
- Cắt bỏ đầu nhọn của que xiên.
- Bóng bay vỡ hoặc mảnh bóng có nguy cơ gây ngạt nếu trẻ nhỏ cho vào miệng; không để trẻ dưới 8 tuổi tự thổi bóng mà không có người lớn, dọn ngay mảnh bóng vỡ. Người dị ứng mủ cao su nên dùng bóng không chứa latex.
- Chạy xe ở chỗ rộng, không có người đi qua lại.
Góc nhìn hôm nay: từ xe bóng bay tới tên lửa thật
Tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo hoạt động đúng như xe bóng bay: đẩy khí ra sau để đi về trước. Khác biệt là khí của tên lửa nóng hàng nghìn độ, phụt ra với vận tốc vài kilômét mỗi giây, và tên lửa phải mang theo cả chất oxy hoá vì ngoài vũ trụ không có không khí. Sau khi làm xe bóng bay, hãy cùng trẻ xem lại một video phóng tên lửa và tìm những điểm giống nhau: luồng khí phụt, thân xe nhẹ, tách tầng để vứt bỏ khối lượng thừa.
Câu hỏi thường gặp
Xe bóng bay chạy được là nhờ đâu?
Nhờ bảo toàn động lượng và định luật III Newton: khí nén trong bóng phụt ra phía sau qua ống hút, mang động lượng về sau, nên xe nhận động lượng bằng như thế về phía trước và chạy đi.
Làm xe bóng bay cần những gì?
Cần thân xe bằng hộp sữa hoặc tấm bìa, bốn nắp chai làm bánh, hai que xiên làm trục, hai đoạn ống hút to bọc trục, một ống hút thường làm ống phụt, một quả bóng bay, băng dính và dây chun.
Làm sao cho xe bóng bay chạy xa hơn?
Làm thân xe nhẹ, bánh đúng tâm, hai trục song song và quay trơn, buộc miệng bóng thật kín, đặt ống phụt thẳng hàng với hướng xe chạy và chạy trên sàn nhẵn như gạch thay vì thảm.
Vì sao xe bóng bay chạy vòng tròn?
Thường do hai trục bánh không song song, bánh lệch tâm, hoặc ống phụt khí không thẳng hàng với thân xe. Lực đẩy lệch sang một bên làm xe quay vòng.
Xe bóng bay giống tên lửa thật ở điểm nào?
Cả hai đều đẩy khí ra phía sau để đi về trước theo bảo toàn động lượng, và đều chạy tốt hơn khi nhẹ. Tên lửa thật đốt nhiên liệu tạo khí nóng phụt ra rất nhanh và mang theo chất oxy hoá để hoạt động ngoài vũ trụ.