Cách chúng ta uống trà

28

Cách chúng ta uống trà
(hoặc về cách giải định tính bài toán trong vật lý)
Tiến sĩ khoa học sư phạm
H. A. MOTHERLAND

Trong một tập của chương trình truyền hình “Cái gì? Ở đâu? Khi nào?” Các “chuyên gia” đã được hỏi một câu hỏi (chúng tôi trình bày nó ở dạng hơi rõ ràng):

“Kính gửi các chuyên gia! Trước mặt bạn có một ly trà. Hãy nhấp một ngụm và trả lời câu hỏi: tại sao trà lại dâng lên, còn nước thường chảy xuống?”

Đáp số, điều mà các chuyên gia dừng lại sau một phút phục vụ, là: “chúng tôi đang hút nước.” Nó được tìm thấy là đúng và các chuyên gia đã nhận được một điểm và phần thưởng - một cuốn sách.

Bạn sẽ trả lời thế nào nếu được hỏi một câu hỏi như vậy không phải trong một chương trình truyền hình mà trong một bài học vật lý? Xét cho cùng, câu hỏi này là một câu hỏi vật lý định tính thực sự bài toán (như bài toán được gọi theo quy ước, trong đó không có dữ liệu số và lời giải không nhất thiết phải được biểu thị dưới dạng công thức hoặc số). Nhưng trước khi nghĩ về đáp số, hãy đồng ý rằng chúng ta sẽ tính đáp số. Để giải quyết một cách định tính bài toán trong vật lý có nghĩa là đưa ra đáp số cho câu hỏi của nó, được chứng minh bằng các định luật và quy tắc của khoa học vật lý, được diễn đạt bằng những thuật ngữ dễ chịu, được trình bày một cách hợp lý, sao cho mỗi giai đoạn lý luận mới là hệ quả của giai đoạn lý luận trước đó. Bạn có thể sẽ đồng ý rằng từ quan điểm này, đáp số của chuyên gia về “bài toán về trà” không thể được coi là thỏa đáng.

Vậy bạn giải quyết bài toán như thế nào? Hãy cùng lắng nghe cách hai học sinh lớp sáu - Sasha và Alyosha thực hiện.

Sasha. Đó là tất cả về áp suất khí quyển!

(Tôi phải nói rằng Sasha thích trả lời những câu hỏi nhanh hơn.)

Alyosha. Đợi đã, chúng ta cần phải bắt đầu lại từ đầu - với điều kiện: một cơ thể bất động - trà trong ly - bắt đầu chuyển động. Chúng ta biết có tồn tại hiện tượng quán tính - nếu không có vật nào khác tác dụng lên vật, không có lực nào tác dụng thì vật đứng yên hoặc chuyển động đều và theo đường thẳng. Cơ thể không thể tự mình thay đổi trạng thái này và trà không thể bắt đầu chuyển động nếu không có tác động của lực.

Sasha. Nhưng mọi cơ thể đều bị tác động bởi trọng lực, và nó cũng ảnh hưởng đến trà. Nó không đổ, không rơi, vì ly có đáy.

Alyosha. Lời giải thích này - chiếc kính có đáy - có thể được một đứa trẻ nhỏ đưa ra. Từ quan điểm vật lý, đây không phải là một lời giải thích. Ai đã nghiên cứu vật lý sẽ nói: dưới tác dụng của trọng lượng, trà sẽ chảy xệ và xuất hiện một lực đàn hồi hướng lên trên. Nó tác động lên trà và cân bằng lực hấp dẫn tác dụng lên nó.

Chúng tôi đã giải thích tại sao ban đầu trà không chuyển động so với ly. Nhưng trong bài toán của chúng ta, nó không phải là chuyển động của toàn bộ cơ thể - nước trong ly - nói chung, mà là chuyển động của các bộ phận của nước

29

tương đối với nhau. Chuyển động này được gây ra bởi sự chênh lệch áp suất ở những nơi khác nhau bên trong chất lỏng hoặc trên bề mặt của nó.

Sasha. Điều này còn tệ hơn đối với các tàu liên lạc. Khi áp suất của các cột chất lỏng trong bình không bằng nhau thì một cột giảm xuống và cột kia tăng lên. Trong bài toán của chúng tôi, một cột trà là cột nằm gần miệng và cột thứ hai là tất cả phần còn lại của trà. Cho đến khi chúng ta uống trà, áp lực của những cột nước này là như nhau, nhưng ngay khi…

Alyosha. Cần phải giải thích tại sao hai loại trà mà bạn nói đến lại tạo ra áp lực như nhau.

Sasha. Chúng tôi sẽ chứng minh điều này sau và bây giờ chúng tôi sẽ tiếp tục lời giải bài toán. Vì vậy, chúng ta được biết: trà trong ly đứng yên và khi người đó chạm môi vào ly, trà bắt đầu dâng lên.

Alyosha. Thứ nhất, trong vật lý có những thuật ngữ chính xác hơn, và phải nói như thế này: tách trà đứng yên so với cốc; và thứ hai, cần phải tính đến tất cả các đặc điểm của hiện tượng. Bạn đã không chú ý đến việc nếu cốc chưa đầy, bạn phải nghiêng cốc cho đến khi môi chạm vào trà. Sau đó người đó hít một hơi - và chỉ khi đó trà mới bắt đầu dâng lên.

Theo ý kiến ​​​​của tôi, tôi đề xuất điều này, một công thức rõ ràng bài toán.

Cho: có trà trong ly; nó sẽ tích tụ so với kính. Người nghiêng người về phía ly hoặc nghiêng ly để trà và môi chạm vào nhau. Sau đó anh ta hít vào, lúc này trà dâng lên và đi vào miệng người đó. Phần còn lại của trà được bỏ qua. Câu hỏi bài toán: tại sao phần trà chạm vào môi con người lại nổi lên?

Sasha. Nhưng tất cả điều này đã không xảy ra trong điều kiện bài toán!

Alyosha. Đã từng là. Bạn chỉ cần tưởng tượng hiện tượng được nhắc đến trong câu điều kiện. Và sau đó, bạn cần “giới thiệu” những dữ liệu có thể không được nhắc đến nhưng có thể lấy được từ lịch sử tự nhiên hoặc quan sát được bài toán. Theo tôi, điều kiện chính xác và hoàn toàn dễ hiểu bài toán đã là sự khởi đầu của lời giải.

Sasha. Sau đó hãy tiếp tục lời giải. Một người hít một hơi, nghĩa là hít vào không khí,….

Alyosha. Chờ đợi. Vẽ trong không khí có nghĩa là gì? Một người Bodox làm được điều này: bằng cách siết chặt các cơ, anh ta sẽ nở ngực, thể tích phổi tăng lên và không khí trong đó nở ra. Kết quả là mật độ không khí trong phổi và ở vị trí giao tiếp với nó giảm đi, áp suất của nó trở nên nhỏ hơn áp suất của không khí bên ngoài. Không khí sẽ được trộn lẫn từ nơi có áp suất cao hơn, tức là bên ngoài, đến nơi có áp suất thấp hơn, tức là vào phổi.

Sasha. Và vì một người khi hít vào sẽ dùng môi chạm vào bề mặt trà và chạm chặt vào nó, nên điều này sẽ xảy ra: áp suất khí quyển tác dụng lên toàn bộ bề mặt trà và trên bề mặt tiếp giáp với môi của người đó, áp suất không khí ở vị trí miệng tác động và nhỏ hơn áp suất khí quyển. Mọi thứ đều rõ ràng! Tôi đã nói với bạn rằng lý do của mọi thứ là do áp suất khí quyển! Một lần nữa bạn nói: đợi đã?

Alyosha. Tôi sẽ kể cho bạn nghe. Tại sao áp suất khí quyển, mà chúng ta biết, tác động lên trà từ trên xuống dưới, khiến trà dâng lên?

Sasha. Vì chất lỏng và chất khí truyền áp suất theo mọi hướng mà không thay đổi. Đây là định luật Pascal.

Alyosha. Theo tôi, chúng ta đã có thể tạo thành trận chung kết lời giải bài toán.

Trà trong ly không chuyển động, vì lực bằng nhau của các lực tác dụng lên nó - lực hấp dẫn và lực đàn hồi của ly - bằng 0 - xét cho cùng, giá trị của các lực này bằng nhau, các lực lần lượt hướng theo các cạnh đối diện. Các phần của chất lỏng (trà) cũng đứng yên tương đối với nhau, vì áp suất bên trong nó và áp suất trên bề mặt của nó bằng nhau.