Con người cảm thấy gì khi đứng ở rìa sân tròn quay nhanh?

Để mua vui công chúng, một nhà kinh doanh Mỹ đã cho xây dựng một sân quay rất hấp dẫn, có dạng buồng quay hình cầu. Những người ở bên trong buồng quay có cảm giác rất khác thường, tưởng chừng chỉ có trong giấc mơ hay trong các chuyện cổ tích thần tiên mà thôi.

Con người cảm thấy gì khi đứng ở rìa sân tròn quay nhanh.

Trước hết chúng ta hãy nhớ lại, người ta cảm thấy gì khi đứng trên sân tròn quay nhanh. Sân quay có xu hướng «ném» người ta ra ngoài; bạn đứng càng xa tâm, xu hướng kéo bạn ra ngoài càng mạnh. Nếu nhắm mắt lại, bạn sẽ có cảm giác hình như bạn không đứng trên mặt sàn nằm ngang, mà đứng trên mặt phẳng nghiêng khó giữ được thăng bằng. Điều đó trở nên dễ hiểu khi chúng ta xét đến các lực ở đây tác động lên thân thể của bạn. Lực ly tâm C «lôi» người bạn ra ngoài, trọng lực G kéo xuống dưới; hợp hai lực lại theo quy tắc hình bình hành ta có hợp lực R nghiêng vẽ phía dưới. Sân quay càng nhanh, hợp lực này càng lớn và hướng càng thoải.

Bây giờ bạn hãy hình dung mép rìa của sân quay được uốn cong lên và bạn đứng ởtrên phần uốn nghiêng lên đó. Nếu sân quay đứng yên thì ở tư thế đó bạn không thể nào đứng vững được, mà phải bò hoặc thậm chí, bị ngã lộn nhào. Vấn đề sẽ khác, nếu sân quay quay với một vận tốc nhất định: khi đó mặt phẳng nghiêng này đối với bạn sẽ trở

Con người đứng vững trên phần nghiêng của sân quay.

thành mặt phẳng nằm ngang, vì rằng hợp lực của hai lực c và G, có xu hướng lôi bạn ra ngoài, sẽ có hướng vuông góc với phần uốn cong của sân quay[1]

Nếu như tạo cho sân quay có bờ cong để sao cho khi quay với gia tốc nhất định, bề mặt của bờ cong lại mỗi điểm đều vuông góc với hợp lực, thì con người đứng trên đó tại tất cả các điểm đều cảm thấy như đứng trên mặt phẳng nằm ngang. Đã tính được lù, mặt cong như thế là mặt của một vật thể hình học đặc biệt—parabôlôit. Có thể tạo ra một bề mặt như thế nếu ta quay nhanh cái cốc đựng nửa cốc nước xung quanh trục đứng: khi đó nước ở mép sẽ dâng lên, ở tâm sẽ hạ xuống và bề mặt của nó sẽ có dạng parabôlôit.

Nếu quay cốc này với một vận tốc vừa đủ thì viên bi sẽ không bị lăn xuống đáy cốc.

Nếu thay cho nước, ta đổ sáp nóng chảy vào cốc và tiếp tục quay cho đến lúc sáp nguội và đông cứng lại, ta sẽ có được bề mặt đúng dạng parabôlôit. Khi quay với gia tốc xác định, một bề mặt như thẽ sẽ giống như bề mặt nằm ngang đối với các vật thể nằm ở trên đó: viên bi đặt bất kỳ ở điểm nào đều không bị lăn xuống, mà vẫn nằm ở mực đó.

Bây giờ chúng ta dễ dàng hiểu được cấu tạo của quá cầu «có bùa». Đáy của nó là một sân quay lớn có dạng parabôlôit. Tuy việc làm quay quả cầu là do một cơ cấu dẫu kín dưới sân quay, quay hết sức chậm rãi, thế nhưng những người ở trên sân

Hình Quả cầu «có phép lạ».

quay vẫn cứ cảm thấy choáng váng, nếu như các đồ vật xung quanh không cùng quay với họ. Để làm cho họ không thể phát hiện được chuyển động, người ta bố trí sân quay vào trong quá cầu lớn vồ màu đục, quay với vận tốc của sân quay.

Kết cấu như thế của sân quay có tên gọi là quả cầu «có bùa» hay là «có phép lạ». Còn bạn, khi ở trên sân quay của quả cầu bạn có cám giác gì? Khi quả cầu quay, dưới chân bạn là mặt sàn nằm ngang, dù cho lúc đó bạn đang ở vào điểm bất kỳ nào của sân quay có bề mặt parabôlôit, — ở cạnh trục, mặt sàn quả thật là nằm ngang; hay là ở cạnh rìa, nơi nghiêng 45°. Đôi mắt bạn trông rõ dạng lõm của vỏ quả cầu và cảm giác của trạng thái cân bằng chứng tỏ rằng, dưới chân bạn là một mặt bằng.

«Bằng chứng» của hai cảm giác mâu thuẫn lẫn nhau là do mức độ đột ngột bất ngờ. Nếu bạn đi từ rìa này sang rìa kia của sân quay thì bạn sẽ cảm thấy hình như toàn bộ quả cầu to lớn trởmình nghiêng qua phía khác một cách nhẹ nhàng như bong bóng xà phòng dưới tác dụng của trọng lượng thân thể bạn: vì ở mọi điểm bạn đều cảm thấy mình như đang ở trên mặt phẳng nằm ngang. Còn trạng

Trạng thái thật của những người đứng bên Irong quả cẩu «có phép lạ».

Trạng thái người này cảm thấy người kia, giữa hai người trong quả cầu.

thái của những người khác đứng nghiêng trên sân quay sẽ phải gây cho bạn cái cảm giác hết sức kỳ lạ: người ta đi lại chẳng khác gì như những con ruồi bò trên tường.

Nước tưới lên sàn của quả cầu «có phép lạ» sẽ chảy thành một lớp đều trên bề mặt của nó. Người ta cảm thấy nước ở đây như là bức tường nghiêng đứng trước mặt họ.

Những khái niệm quen thuộc về các định luật hấp dẫn vạn vật tưởng chừng như bị xóa bỏ trong quá cầu kỳ lạ này, và chúng ta bị lôi cuốn vào một thế giới thần tiên của các phép mầu nhiệm...

Người lái máy bay lượn qua những cung ngoặt cũng nếm trải những cảm giác tương tự. Chẳng hạn, nếu người lái máy bay với vận tốc 200 km/h theo đường cong có bán kính 500 m, thì đối với anh ta Trái Đất hình như được nâng lên và nghiêng một góc 16°.

Một phòng thí nghiệm tương tự dạng quá cầu

Trạng thái thực tế của phòng thí nghiệm dạng quả cầu quay.

quay dùng để nghiên cứu khoa học đã được xây đựng ở Goettingen. Đây là căn phòng hình trụ đường kính 3 m quay với vận tốc 50 vòngtrong một giây. Bởi vì căn phòng có sàn phẳng, nên khi quay, người quan sát đứng gần tường cứ tướng như căn phòng tụt lại sau, còn chính anh ta thì ngồi dựa ngửa lên bức tường hơi dốc.

Trạng thái biểu kiến của chính phòng thí nghiệm đó.