Có những khám phá tưởng như đơn giản nhưng lại mang sức mạnh to lớn để thay đổi cả xã hội kỹ thuật. Định luật Pascal là một trong số đó. Từ quan sát bình thường nước nằm trong vật chứa chịu áp lực đồng đều, Blaise Pascal tìm ra nguyên lý truyền áp suất theo mọi chiều trong chất lỏng. Từ đó con người phát triển các thiết bị truyền lực hiệu quả như xi lanh thủy lực, phanh thủy lực, thiết bị nâng hạ… Bài viết này sẽ bày tỏ bản chất của định luật Pascal với cả từng bước khám phá giá trị trong đời sống kỹ thuật.
Bản chất định luật
Định luật Pascal mô tả hiện tượng áp suất trong chất lỏng chịu tác động lan truyền đều theo mọi hướng. Khi có ngoại lực tác dụng lên bề mặt chứa chất lỏng, áp suất sinh ra không chỉ được truyền dọc theo hướng của lực mà lan tỏa đều ra tất cả các hướng khác trong chất lỏng. Xuất phát từ tính không đàn hồi của chất lỏng và mối liên hệ giữa áp suất và thể tích.
Khái niệm áp suất được dùng để biểu thị sức ép tác dụng lên chất lỏng dựa trên công thức áp suất bằng lực chia cho diện tích. Đặc điểm quan trọng là áp lực không bị giảm đi theo hướng khi chất lỏng truyền tải. Vì vậy nếu lực được đặt lên một diện tích nhỏ, áp suất lớn truyền đến các điểm khác tạo ra lực lớn hơn ở khu vực có diện tích lớn hơn.
Truyền qua hệ thống thủy lực
Dưới góc nhìn kỹ thuật, định luật Pascal là nền tảng để phát minh hệ thống xi lanh thủy lực nâng vật nặng mà chỉ dùng sức tay ở đầu vào. Trước tiên một xi lanh đầu vào có thể tích nhỏ và piston nhỏ sẽ truyền áp suất qua chất lỏng đến xi lanh đầu ra lớn hơn. Khi người dùng tác động piston nhỏ với lực nhẹ rồi áp suất lan ra khắp hệ thống khiến piston lớn di chuyển lên với nâng vật. Khả năng nhân lực xuất phát từ chênh lệch diện tích giữa piston đầu vào và piston đầu ra cho phép nâng vật nặng hơn nhiều lần so với lực tay.
Ứng dụng phổ biến nhất của cơ chế này là bơm thủy lực, kích nâng, máy ép thủy lực, hệ thống phanh xe hơi… Tất cả đều vận hành dựa vào nguyên lý lan truyền áp suất trong chất lỏng với nhân lực tại đầu ra.
Cấu tạo hệ thống đơn giản
Một hệ xi lanh thủy lực đơn giản gồm hai piston đặt ở hai đầu của hệ thống ống kín chứa đầy chất lỏng không nén. Piston đầu vào có diện tích nhỏ hơn piston đầu ra. Khi piston đầu vào chuyển động xuống dưới, chất lỏng bị nén thì áp suất tăng lên. Theo định luật áp suất chất lỏng truyền theo mọi hướng thì áp lực này lan sang piston đầu ra tạo lực nâng vật. Lực nâng thực thi được tính theo công thức đơn giản là áp suất nhân với diện tích piston đầu ra.
Để hệ hoạt động ổn định cần chất lỏng không nén, hệ kín đảm bảo kín khít, piston đi đúng hướng, ống dẫn chắc chắn chịu áp suất lớn.
Ứng dụng trong kỹ thuật
Phanh thủy lực trong ô tô
Từ việc đạp bàn đạp phanh, hệ thống truyền áp suất đến má phanh để ép vào đĩa hay trống phanh. Nhờ vào tỉ lệ diện tích giữa piston chính và piston trong cụm phanh mà áp suất được nhân lên tạo lực đủ lớn để dừng xe an toàn.
Máy ép thủy lực
Ứng dụng trong cơ khí để uốn dập với ép kim loại… Với áp suất cao máy ép gây ra lực rất lớn tại piston đầu ra đủ để định hình các phôi thép hay kim loại cứng.
Thiết bị nâng xe hoặc xe nâng dầu
Đã trở thành công cụ phổ biến trong garage, xe nâng, cầu nâng đều dùng hệ thống xi lanh thủy lực để nâng vật nặng an toàn ổn định.
Cầu phẫu thuật hoặc giường phẫu thuật
Hệ thống nâng hạ bằng dầu khí giúp điều chỉnh chiều cao nhanh chóng êm ái hỗ trợ y tế trong thao tác phẫu thuật hay chăm sóc bệnh nhân.
Thiết bị xây dựng như xe đào, xe xúc
Máy xúc dùng nhiều xi lanh để di chuyển gầu múc. Tất cả đều dựa vào chuyển động lưỡng chiều với áp lực chất lỏng dẫn động cho các cần xúc linh hoạt cùng sức mạnh lớn.
Ưu điểm hạn chế
Ưu điểm
Khả năng nhân lực lớn giúp nâng vật nặng dễ dàng hơn. Lực tác động nhỏ ở đầu vào cho công lớn ở đầu ra. Hệ vận hành êm, êm dịu có thể điều chỉnh từ từ. Tính linh hoạt cao vì áp suất truyền đi đến nhiều xi lanh trong hệ thống phức tạp.
Hạn chế
Cần chất lỏng không nén chất lượng cao không thể bị rò rỉ. Nếu hệ kín không đảm bảo áp suất sẽ bị giảm. Nếu thiết kế xi lanh quá nhỏ thì tốc độ chậm. Nếu thiết kế quá lớn thì mất kiểm soát lực. Cần bơm hay nguồn áp lực để tạo áp suất ban đầu.
Ảnh hưởng xã hội với lịch sử
Định luật Pascal phản ánh sự đơn giản và sức mạnh thiết thực của khoa học cổ điển. Bằng việc khám phá sự lan truyền áp suất trong chất lỏng, ông mở đường cho một ngành thiết bị thủy lực hoàn thiện sau hàng thế kỷ phát triển. Ngày nay thủy lực có ở mọi nơi từ thiết bị cơ khí, kỹ thuật xây dựng đến lĩnh vực y tế.
Mở rộng sang khí nén
Khái niệm tương tự cũng áp dụng cho trường hợp khí. Hệ thống khí nén dùng khí (khí nén) thay chất lỏng từ đó tạo áp suất truyền lực dẫn động xi lanh. Mặc dù khí nén co giãn nên không truyền lực mạnh bằng nhưng ưu điểm là tốc độ cao xử lý nhanh hoạt động thường xuyên.
Định luật Pascal là ví dụ điển hình về cách một nguyên lý vật lý đơn giản mang lại ứng dụng rộng khắp bền lâu. Từ kiến thức về áp suất lan truyền đều trong chất lỏng con người phát triển hệ thống thủy lực hiệu quả trong ngành cơ khí, ô tô, xây dựng, y học… Tìm hiểu định luật này đồng nghĩa với việc nắm giữ bí kíp để tiết kiệm sức tăng hiệu quả rồi cả thiết kế cơ cấu linh hoạt phù hợp với cuộc sống. Dựa vào định luật chúng ta có thể tiếp tục phát triển thiết bị phục vụ xã hội ngày càng hiện đại hơn.