Vì sao không thể kéo rời hai cuốn sách bị đan xen vào nhau?

Con người, xe tải và cả xe tăng quân sự đã thử nhưng tất cả đều đã thất bại trong việc kéo tách rời hai cuốn danh bạ điện thoại có các trang bị đan xen vào nhau, giống như một bộ bài tây được xào (tráo) lên. Dù từ lâu các nhà vật lý học đã biết rằng hiện tượng này là do kết quả của lực ma sát cực lớn, nhưng lực ma sát này hình thành như thế nào vẫn còn là một điều bí ẩn, ít nhất cho đến thời điểm hiện nay.

Một nhóm các nhà vật lý từ Pháp và Canada đã khám phá ra rằng chính bố cục của hai cuốn sách kết hợp với hành động kéo đã sản sinh ra lực ma sát. 

Hiệu quả của biện pháp tương đối

Một kỹ năng cần thiết trong khoa học, cũng như trong cuộc sống đó là tìm kiếm giải pháp mang tính tương đối cho một vấn đề phức tạp. Chúng ta thường phải đối mặt với những câu hỏi không thể trả lời một cách chính xác, nhưng đôi khi chỉ cần tìm ra một câu trả lời tạm chấp nhận được, thật ra cũng đã là đủ rồi.

Enrico Fermi, một trong những nhà vật lý học vĩ đại nhất của thế kỷ 20, đã đặt tên cho những vấn đề như vậy là “Câu hỏi Fermi” – vì ông nổi tiếng là người luôn khích lệ các học sinh của mình phát triển kỹ năng này.

Lấy một ví dụ: “Có bao nhiêu thợ lên dây đàn piano tại thành phố Chicago?”. Chúng ta không biết, và có thể Fermi cũng không biết. Nhưng bằng cách ước lượng dân số của Chicago, tỉ lệ người có thể chơi piano, và thời gian một chiếc piano cần được lên dây, chúng ta có thể đưa ra một phỏng đoán khá tốt mà không cần đâm đầu vào cuốn danh bạ điện thoại (kết quả có lẽ sẽ gần con số 100 hơn là 1000)

Bước đi đầu tiên để tiếp cận một câu hỏi khoa học thường là thực hiện những “phép tính khái quát” này. Đôi khi đó là tất cả những gì chúng ta cần làm. Đôi khi nó sẽ cho chúng ta biết rằng câu hỏi này cần được quan tâm nghiên cứu thêm trước khi có thể tìm ra câu trả lời chính xác.

Video các nhà khoa học thử kéo 2 cuốn sách đan xen bằng tay:

https://youtu.be/uO5UfjXQN5o

Quay lại với câu hỏi chính. Đây chính là điều nhóm nghiên cứu lực ma sát giữa hai cuốn sổ điện thoại đã thực hiện. Câu trả lời khái quát là lực ma sát giữa các trang giấy. Tuy nhiên, nếu giả định rằng lực ma sát có tỷ lệ thuận với số lượng các trang giấy (trong cuốn sổ), thì chúng ta đã đánh giá quá thấp tổng lực ma sát được tạo ra khi chúng ta cố gắng kéo rời hai cuốn sổ (vốn dường như đã gia tăng theo cấp số nhân với số lượng các trang giấy). Tuy nhiên những nỗ lực trước đây nhằm cải thiện mô hình đơn giản này, bằng cách bao hàm các ảnh hưởng của lực hấp dẫn và áp suất không khí gắn chặt các trang sách lại với nhau, đều đã thất bại trong việc lý giải hiện tượng trên.

Đơn giản đến không ngờ

Và, khi phép tính khái quát không thể đưa ra câu trả lời, vấn đề bắt đầu trở nên nghiêm trọng. Trong trường hợp này, các máy kéo đã được mang ra (hãy hình dung một bàn kẹp ê-tô, nhưng có công dụng ngược lại) để kéo rời hai cuốn sách đồng thời đo lường cường độ lực kéo cần thiết. Nhưng không phải loại sách nào cũng được sử dụng. Các cuốn sách ôn thi được chuẩn bị kỹ lưỡng với số lượng trang nhất định, làm từ các trang giấy có kích thước chuẩn, được đan xen với độ chính xác cao.

Với dữ liệu trong tay, một mô hình toán học đã được lập ra, và hóa ra nguyên nhân của hiện tượng này lại đơn giản đến không ngờ. Các trang giấy của mỗi cuốn sách đã bị tách rời nhau do được xếp xen kẽ với cuốn sách còn lại, và trở nên bị “xòe ra”, từ đó nằm hơi nghiêng với gáy sách. Khi hai cuốn sách bị kéo rời khỏi nhau, các trang giấy của chúng sẽ có xu hướng dịch chuyển trở lại vị trí ban đầu (tức tạo thành một góc 0° với gáy sách), và rốt cuộc sẽ kẹp chặt vào các trang giấy của cuốn sách còn lại. Và khi kẹp chặt một thứ gì đó, lực ma sát sẽ gia tăng đáng kể.

Gáy sách sẽ hơi kẹp vào các trang sách đan xen với nhau. (Ảnh: The Naked Scientists)

Tồn tại lực ma sát (đỏ) ở mỗi điểm tiếp xúc khi các trang sách đan xen với nhau. (Ảnh: The Naked Scientists)

Video các nhà khoa học dùng máy để kéo 2 quyển sách đan xen…

Lấy ví dụ, hãy hình dung một người có mái tóc dài đang bơi. Khi được thả trôi lơ lửng trong nước, tóc của họ sẽ trải rộng ra – giống như việc những trang giấy của hai quyển sách sẽ xòe rộng ra khi bị đan xen với nhau. Khi người đó bắt đầu bơi, mái tóc di chuyển trong nước sẽ kéo các sợi tóc sẽ dịch chuyển lại gần nhau. Các trang giấy trong cuốn sách của chúng ta cũng sẽ di chuyển lại gần nhau theo sau vật kéo chúng (gáy sách), nhưng thay vào đó, chúng lại ép chặt vào những trang giấy của cuốn sách kia. Càng kéo hai cuốn sách mạnh bao nhiêu, lực ma sát giữa các trang giấy càng lớn bấy nhiêu.

Đây là một ví dụ về sự gia cường lực ma sát theo hình học, hay cách bố trí của những cuốn sách đã sản sinh ra các lực (ma sát) vượt quá sức tưởng tượng. Một ví dụ khác là khi buộc thắt nút, thắt sợi dây lại thành vòng quanh chính nó sẽ gia tăng đáng kể lực ma sát, tạo ra một lực kẹp chắc chắn. Tác giả cho biết mối quan tâm đối với đề tài này đang trỗi dậy gần đây, cũng như với lĩnh vực ma sát học nói chung, một ngành khoa học nghiên cứu về các bề mặt trong chuyển động mang tính tương đối.

Mối quan tâm này đến từ nhu cầu tìm hiểu cấu trúc và trạng thái của các chất liệu micro và nano mới. Điều này sẽ có ảnh hưởng sâu rộng đến mọi khía cạnh của cuộc sống, từ ứng dụng trong y học cho đến những tấm pin năng lượng Mặt trời. Liệu các ống nano có được đan xen như trên có thể trở thành chất liệu mới trong tương lai?

Tác giả: Gavin Hesketh, Đại Kỷ Nguyên tiếng Anh
Đọc bản gốc ở đây
Thạch Khánh biên dịch

Xem thêm:

• Xoay quả bóng khi thả từ trên cao, và nó bay như một chú chim: Hiệu ứng vật lý thú vị
• Tại sao cửa sổ máy bay hình bầu dục mà không phải hình vuông?
• Điều bí mật trong hộp cơm của trò, cô giáo không nỡ quở trách