Quay một chiếc xô có nước thành vòng tròn thẳng đứng thật nhanh, nước không đổ ra ngay cả khi xô ở trên đỉnh, miệng úp xuống đất. Lý do: nước đang chuyển động muốn đi thẳng theo quán tính, và đáy xô phải liên tục đẩy nó vào tâm để nó đi vòng. Ở đỉnh vòng tròn, chỉ cần tốc độ đủ lớn để lực hướng tâm cần có lớn hơn trọng lực, đáy xô vẫn phải ép lên nước, nước bị "ép" vào đáy xô và không rơi ra. Tốc độ tối thiểu ở đỉnh là √(g·r), với cánh tay khoảng 0,7 m, chừng 2,6 m/s.
Chuẩn bị
- Một chiếc xô nhựa nhỏ có quai chắc (xô đồ chơi đi biển, xô nhựa 2–3 lít) hoặc một cốc nhựa có quai buộc dây.
- Nước, chỉ đổ khoảng một phần ba xô. Bắt đầu với ít nước.
- Không gian rộng ngoài trời: sân, bãi cỏ. Xung quanh không có người, đồ vật, cành cây thấp.
- Tuỳ chọn: một chiếc khay tròn có ba dây buộc vào một điểm (khay quay) để đặt cốc nước lên.
Cách làm
- Đứng vững, chân rộng bằng vai, cầm chắc quai xô, tay duỗi thẳng.
- Bắt đầu đung đưa xô qua lại như con lắc vài lần, mỗi lần cao hơn.
- Khi đã đủ đà, đưa xô vòng qua đầu thành một vòng tròn hoàn chỉnh, giữ tốc độ đều và nhanh.
- Quay vài vòng liên tục, không chậm lại ở đỉnh.
- Dừng lại an toàn: đây là phần khó nhất. Đừng dừng đột ngột ở trên cao. Giảm dần thành đung đưa như con lắc, rồi đưa xô xuống thấp, dừng ở điểm thấp nhất.
Nước sẽ ở yên trong xô suốt các vòng quay. Nếu quay quá chậm, ở đỉnh vòng tròn nước sẽ đổ ra — và đổ lên đầu người quay. Vì thế nên tập với ít nước, mặc đồ có thể ướt.
Giải thích bằng lực hướng tâm
Đứng ngoài nhìn vào (hệ quy chiếu quán tính)
Nước trong xô đang chuyển động tròn. Muốn đi vòng tròn bán kính r với tốc độ v, nước cần một lực hướng tâm m·v²/r (bài lực hướng tâm). Lực này do hai thứ cung cấp: trọng lực của nước và lực đáy xô đẩy vào nước.
- Ở điểm thấp nhất: tâm vòng tròn ở phía trên. Đáy xô phải đẩy nước lên mạnh hơn trọng lượng của nó. Tay bạn cảm thấy xô nặng nhất ở đây.
- Ở đỉnh: tâm vòng tròn ở phía dưới (về phía vai bạn). Cả trọng lực và lực đáy xô đều hướng xuống — về phía tâm. Nếu m·v²/r lớn hơn m·g, trọng lực "không đủ" để bẻ cong đường đi của nước, đáy xô phải đẩy thêm. Nước bị ép vào đáy xô, không rơi.
- Nếu quá chậm, m·v²/r nhỏ hơn m·g: trọng lực kéo nước xuống nhanh hơn xô kịp vòng tới, nước rời khỏi đáy xô và rơi ra.
Tốc độ tối thiểu ở đỉnh
Điều kiện m·v²/r ≥ m·g cho v ≥ √(g·r). Khối lượng nước triệt tiêu — ít nước hay nhiều nước đều cần cùng tốc độ.
| Bán kính vòng quay r | Tốc độ tối thiểu ở đỉnh | Thời gian một vòng tối đa (nếu quay đều) |
|---|---|---|
| 0,5 m (cánh tay trẻ em) | khoảng 2,2 m/s | khoảng 1,4 giây |
| 0,7 m (cánh tay người lớn) | khoảng 2,6 m/s | khoảng 1,7 giây |
| 1,0 m (cánh tay cộng dây) | khoảng 3,1 m/s | khoảng 2 giây |
Thực tế xô không quay đều tuyệt đối (chậm lại ở đỉnh vì phải đi lên), nên cần quay nhanh hơn mức này một chút cho an toàn. Mỗi vòng khoảng một giây là vừa.
Nhìn từ trong xô (hệ quy chiếu quay)
Nếu tưởng tượng mình là một giọt nước trong xô, bạn sẽ cảm thấy bị "lực ly tâm" ép về phía đáy xô. Ở đỉnh, lực ly tâm hướng lên (ra xa tâm), lớn hơn trọng lực hướng xuống, nên bạn bị ép vào đáy xô. Cả hai cách nhìn đều cho cùng kết quả (bài lực ly tâm có thật không).
Biến thể: khay quay cốc nước
Một biến thể ấn tượng hơn: buộc ba sợi dây vào ba điểm cách đều trên mép một chiếc khay tròn (hoặc tấm gỗ), gom ba dây lại vào một vòng cầm tay. Đặt một cốc nhựa có nước lên khay, đung đưa rồi quay vòng thẳng đứng. Cốc nước nằm yên trên khay, không đổ, kể cả khi khay úp ngược trên đỉnh. Nguyên lý giống hệt xô nước: khay ép cốc, cốc ép nước. Dừng lại phải thật từ từ, vì cốc không được giữ chặt — đây là thí nghiệm dành cho người lớn đã quen tay.
Những nơi khác cùng nguyên lý
- Tàu lượn có vòng nhào lộn: ở đỉnh vòng, hành khách bị ép vào ghế dù đang lộn ngược, nếu tàu đủ nhanh. Các vòng nhào lộn hiện đại có hình giọt nước thay vì tròn để giảm lực ép ở phía dưới.
- Diễn viên xiếc mô tô trong lồng cầu: chạy vòng bên trong lồng thép hình cầu, kể cả lộn ngược ở đỉnh, nhờ tốc độ đủ lớn.
- Phi công nhào lộn: chịu lực ép lớn vào ghế ở đáy vòng nhào lộn.
An toàn
- Làm ngoài trời, chỗ rộng, không có người, đồ vật trong bán kính vài mét.
- Kiểm tra quai xô chắc chắn; quai tuột khi đang quay, xô văng theo phương tiếp tuyến rất xa và rất mạnh.
- Bắt đầu với ít nước, xô nhẹ. Trẻ em làm với cốc nhựa nhỏ có dây, có người lớn đứng xa quan sát.
- Không quay khi mặt đất trơn ướt.
- Không dùng xô kim loại hay vật cứng nặng.
Góc nhìn hôm nay: một xô nước, hai cách nhìn
Thí nghiệm xô nước là cách thú vị để thấy "lực ly tâm" và "lực hướng tâm" chỉ là hai cách mô tả cùng một hiện tượng từ hai chỗ đứng khác nhau. Sau khi làm, hãy hỏi trẻ: "Nếu quai xô đứt đúng lúc xô ở đỉnh, xô sẽ bay theo hướng nào?" Câu trả lời đúng — theo phương ngang, tiếp tuyến với vòng tròn, rồi rơi xuống theo đường cong — là dấu hiệu trẻ đã hiểu quán tính.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao quay xô nước nhanh nước không đổ?
Vì nước đang chuyển động tròn cần lực hướng tâm để đi vòng. Ở đỉnh vòng, nếu quay đủ nhanh, lực hướng tâm cần thiết lớn hơn trọng lực, nên đáy xô phải ép lên nước và nước bị giữ trong xô thay vì rơi ra.
Phải quay xô nhanh cỡ nào?
Ở đỉnh vòng, tốc độ phải ít nhất bằng căn bậc hai của g nhân bán kính. Với bán kính khoảng 0,7 m bằng cánh tay người lớn, cần khoảng 2,6 m/s, tức mỗi vòng không quá khoảng 1,7 giây; thực tế nên quay nhanh hơn chút cho an toàn.
Lượng nước trong xô có ảnh hưởng không?
Về lý thuyết thì không, vì khối lượng nước triệt tiêu trong điều kiện tốc độ tối thiểu. Thực tế ít nước thì xô nhẹ, dễ quay nhanh và đỡ ướt nếu thất bại, nên nên bắt đầu với khoảng một phần ba xô.
Vì sao xô nặng nhất ở điểm thấp nhất?
Vì ở điểm thấp nhất, tâm vòng tròn ở phía trên, tay phải kéo xô lên vừa để thắng trọng lượng vừa để cung cấp lực hướng tâm. Ở đỉnh, trọng lực đã góp một phần lực hướng tâm nên tay kéo nhẹ hơn.
Thí nghiệm xô nước có nguy hiểm không?
Có thể nguy hiểm nếu quai xô tuột hoặc đứt, vì xô văng ra theo phương tiếp tuyến rất mạnh. Cần làm ngoài trời, chỗ rộng không có người, kiểm tra quai chắc, dùng xô nhựa nhẹ và dừng lại từ từ ở điểm thấp nhất.