Trong lịch sử khoa học có những định luật ra đời từ sự quan sát thực tiễn nhưng lại mang sức mạnh lý giải cả thế giới tự nhiên. Định luật Archimedes là một trong số đó. Từ một hiện tượng quen thuộc như vật thể nổi trên mặt nước Archimedes đã khám phá ra một nguyên lý quan trọng của vật lý học được ứng dụng rộng rãi trong hàng hải, kỹ thuật, vật lý với cả đời sống hằng ngày. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ bản chất của định luật Archimedes, cách phát biểu, ý nghĩa và những ứng dụng thực tiễn của nó.
Định luật Archimedes là gì
Định luật Archimedes mô tả hiện tượng lực đẩy tác dụng lên vật thể khi vật được đặt trong chất lỏng hoặc chất khí. Lực đẩy này không phải do tiếp xúc trực tiếp mà là kết quả của áp suất chất lỏng hoặc khí tác dụng lên các bề mặt của vật thể. Điều đáng chú ý là lực đẩy này luôn có hướng từ dưới lên và giúp cho vật trở nên nhẹ hơn hoặc thậm chí nổi lên nếu đủ điều kiện.
Nội dung định luật có thể phát biểu như sau. Một vật chìm hoàn toàn hoặc một phần trong chất lỏng sẽ chịu một lực đẩy hướng từ dưới lên có độ lớn bằng trọng lượng của lượng chất lỏng bị vật chiếm chỗ. Lực đẩy này được gọi là lực đẩy Archimedes.
Phát biểu này đơn giản nhưng có thể lý giải được rất nhiều hiện tượng mà con người quan sát được trong tự nhiên và kỹ thuật.
Cơ sở hình thành định luật
Định luật Archimedes được phát hiện bởi nhà toán học và nhà vật lý người Hy Lạp cổ đại Archimedes, người sống vào khoảng thế kỷ thứ ba trước Công nguyên. Theo truyền thuyết, ông đã phát hiện ra định luật này khi đang tắm trong bồn nước và nhận thấy mức nước dâng lên khi ông bước vào. Chính từ sự quan sát này, ông hiểu rằng vật thể khi ngập trong chất lỏng sẽ đẩy một lượng nước ra ngoài và chịu một lực nâng tương ứng với trọng lượng của lượng nước bị chiếm chỗ.
Điểm cốt lõi trong định luật này nằm ở sự chênh lệch áp suất chất lỏng tác dụng lên phần dưới và phần trên của vật thể. Áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu, nên phần đáy của vật chịu áp lực lớn hơn phần đỉnh. Chính sự chênh lệch đó tạo nên lực đẩy hướng lên, giúp vật thể có thể nổi lên hoặc giảm trọng lượng biểu kiến khi ở trong chất lỏng.
Phân tích hiện tượng nổi, chìm, lơ lửng
Khi đặt một vật trong chất lỏng, tùy thuộc vào mối quan hệ giữa trọng lượng của vật và lực đẩy Archimedes, sẽ có ba khả năng xảy ra.
Thứ nhất, nếu trọng lượng của vật lớn hơn lực đẩy, vật sẽ chìm. Trường hợp này xảy ra khi mật độ của vật lớn hơn mật độ chất lỏng.
Thứ hai, nếu trọng lượng bằng lực đẩy, vật sẽ lơ lửng trong chất lỏng. Điều này thường xảy ra khi vật có mật độ gần bằng mật độ chất lỏng.
Thứ ba, nếu trọng lượng nhỏ hơn lực đẩy, vật sẽ nổi lên mặt chất lỏng. Trong trường hợp này, vật chỉ chìm một phần, sao cho lực đẩy đúng bằng trọng lượng của vật.
Những hiện tượng này không chỉ đúng trong chất lỏng mà còn đúng trong khí, vì chất khí cũng tạo áp suất và có thể sinh ra lực đẩy tương tự chất lỏng. Đây là lý do khiến khinh khí cầu có thể bay trong không khí hoặc vật thể rơi chậm trong môi trường khí quyển dày đặc.
Ứng dụng của định luật Archimedes
Định luật Archimedes được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong thiết kế tàu thủy. Dù được làm bằng thép nặng hơn nước, tàu thủy vẫn nổi được nhờ vào việc phần lớn thân tàu chiếm chỗ một lượng nước đủ lớn để tạo ra lực đẩy lớn hơn trọng lượng của cả con tàu.
Tương tự, phao cứu sinh, bè cứu hộ, thùng phuy và các vật nổi khác cũng được thiết kế dựa trên nguyên lý của định luật Archimedes. Chỉ cần thể tích đủ lớn để tạo ra lực đẩy đủ mạnh, vật sẽ không bị chìm dù làm từ vật liệu nặng.
Trong lĩnh vực đo lường, định luật Archimedes được dùng để xác định thể tích và mật độ của vật thể không đều. Bằng cách nhúng vật vào nước và đo lượng nước tràn ra hoặc thay đổi mực nước, người ta có thể tính được thể tích vật từ đó suy ra mật độ nếu biết khối lượng. Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả và đã được dùng từ thời cổ đại để kiểm tra độ tinh khiết của kim loại quý.
Một ứng dụng khác là trong ngành hàng không, khinh khí cầu hoạt động dựa trên sự chênh lệch mật độ giữa khí trong bóng và không khí xung quanh. Khi khí nhẹ hơn như heli hoặc hydro được bơm vào bóng, nó tạo ra một lực đẩy giúp bóng bay lên cao, tương tự như lực đẩy của nước đối với vật nổi.
Trong y học và thể thao, nguyên lý Archimedes được áp dụng trong thủy liệu pháp. Khi người bệnh ngâm mình trong nước, cơ thể trở nên nhẹ hơn nhờ lực đẩy, giảm áp lực lên khớp và cơ bắp từ đó hỗ trợ phục hồi chức năng vận động.
Những hiểu lầm thường gặp
Một số người nghĩ rằng chỉ có vật nhẹ mới nổi, còn vật nặng thì chìm. Thực tế không đơn giản như vậy. Điều quan trọng không phải là khối lượng tuyệt đối mà là mật độ của vật so với mật độ của chất lỏng. Một khối gỗ lớn có thể nổi vì mật độ gỗ nhỏ hơn nước, còn một viên chì nhỏ có thể chìm vì mật độ chì lớn hơn nước.
Một sai lầm khác là nghĩ lực đẩy Archimedes phụ thuộc vào hình dạng vật thể. Thật ra, chỉ cần biết thể tích phần bị chìm trong chất lỏng và mật độ chất lỏng là có thể tính được lực đẩy, bất kể vật đó có hình dạng tròn, dẹt hay phức tạp.
Định luật Archimedes là một trong những định luật vật lý đơn giản nhưng mang lại hiểu biết sâu sắc về tương tác giữa vật thể với chất lỏng. Từ việc lý giải hiện tượng nổi, chìm đến ứng dụng trong thiết kế tàu, đo thể tích, bay khí cầu hay điều trị phục hồi chức năng, định luật này đã chứng minh tính ứng dụng rộng rãi mà lâu dài của nó.