Những câu chuyện về cơ học hiện đại

14

KVANT 2009/№4

Những câu chuyện về cơ học hiện đại (tiếp theo)

G.CHERNY

Nghiên cứu phun trào núi lửa bằng phương pháp cơ học

Nghiên cứu về núi lửa và hoạt động của chúng luôn là công việc của các chuyên gia - nhà nghiên cứu núi lửa, nhà địa chất và đại diện của các ngành khoa học khác. Cơ học đã không can thiệp vào vấn đề này trong một thời gian dài. Đã có những nỗ lực riêng biệt để xem xét các mạch nước phun và các dạng tương tự khác. Nhưng các nhà khoa học cơ khí chỉ mới bắt đầu nghiên cứu về núi lửa gần đây và ngay lập tức có một bước đột phá trong lĩnh vực này. Các phương pháp cơ học truyền thống về mô hình toán học đã được sử dụng để nghiên cứu và dự đoán hoạt động của núi lửa. Ở giai đoạn nghiên cứu hiện tại, đã thu được những kết quả thú vị và đáng khích lệ. Các mô hình về nhiều loại phun trào khác nhau đã được xây dựng và một số vụ phun trào trong quá khứ đã được mô tả bằng phương pháp cơ học (phù hợp với dữ liệu hiện có). Ngày nay, nhờ công trình của các nhà khoa học từ Viện Cơ học của Đại học Tổng hợp Moscow, người ta đã có thể tính toán hồi tố các vụ phun trào xảy ra vào thời của họ, điều mà người ta đã biết nhiều, nhưng hóa ra, nhiều điều chỉ được biết đến bây giờ. Một vụ phun trào núi lửa là một trong những loại thảm họa thiên nhiên có sức tàn phá mạnh nhất. Chỉ cần nói rằng trong ba thế kỷ qua, hơn 220 nghìn người đã thiệt mạng do các vụ phun trào núi lửa. Để dự đoán một cách đáng tin cậy hậu quả của các vụ phun trào núi lửa, cần phải học cách giải thích chính xác các tín hiệu khác nhau nhận được từ núi lửa - các trận động đất nhỏ, biến dạng của các tòa nhà, nhiệt độ tăng trong suối nhiệt và thành phần khí thoát ra. Chỉ những mô hình toán học dựa trên các định luật cơ học cơ bản mới có thể kết nối những quan sát phân tán gián tiếp này. Ví dụ, chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn những gì đã xảy ra vào năm 79 sau Công nguyên trong vụ phun trào của núi Vesuvius, khi các thành phố Pompeii và Herculaneum bị phá hủy. Như đã biết từ các nguồn đa phương, sau một đợt bùng phát ngắn, đợt phun trào nhanh chóng suy giảm. Người dân Pompeii, mặc dù khá sợ hãi, vẫn quyết định rằng núi lửa đã dịu xuống và sẽ không rời khỏi nhà của họ. Đột nhiên vụ phun trào dữ dội trở lại và những dòng đá nóng rơi xuống thành phố. Gần như ngay lập tức thành phố bị chôn vùi dưới một lớp cao nhiều mét. Không ai có thể giải thích điều này, nhưng những người thợ máy thì có.

Họ đã tạo ra một mô hình, các tính toán dựa trên đó khôi phục trình tự thời gian của các sự kiện. Tại hình 1 có biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc được tính toán của cường độ phun trào theo thời gian. Hóa ra có một tầng chứa nước khá mạnh trong lòng đất gần Vesuvius. Và như vậy,

Hình1. Cường độ phun trào Vesuvius (79)

Khi vụ phun trào lắng xuống, tại điểm tiếp xúc với lớp này, áp suất bên trong kênh núi lửa giảm xuống đáng kể, và nước lao tới đó, gần như ngay lập tức biến thành hơi nước và bắn ra một lượng lớn đá, tro bụi, v.v. Hiện nay, các phương pháp cơ học được sử dụng tích cực để phân tích và dự đoán các vụ phun trào núi lửa. Viện Cơ học của Đại học quốc gia Moscow đã tạo ra các mô hình dòng chảy magma (dung nham nóng chảy) trong kênh núi lửa cho nhiều kiểu phun trào khác nhau. Những mô hình này giúp có thể liên hệ các đại lượng quan sát được trên bề mặt, chẳng hạn như dòng magma và nhiệt độ, với các quá trình xảy ra trong lớp vỏ trái đất. Đối với một số núi lửa, lịch sử của chúng đã được biết đến, được mô tả bằng các phương pháp cơ học và do đó có thể dự báo được. Ví dụ, lấy các thông số phun trào của Vesuvius gần giống như thời kỳ đầu kỷ nguyên của chúng ta, các nhà khoa học đã tính toán dòng dung nham có thể xảy ra ngày nay. Đặc biệt, họ phát hiện ra rằng những dòng magma nóng khổng lồ có thể rơi xuống thành phố Naples trong vòng 15 phút. Người dân và chính quyền địa phương đã trở nên chu đáo và các kế hoạch hiện đang được xây dựng để sơ tán người dân trong trường hợp này.

15

CÂU CHUYỆN

VỀ

HIỆN ĐẠI

Mô hình cơ học về sự hình thành siêu lục địa Một ví dụ khác, thực sự đáng kinh ngạc, về ứng dụng cơ học trong một khoảng thời gian khổng lồ từ khi Trái đất bắt đầu xuất hiện cho đến ngày nay là sự hình thành các lục địa. Các lục địa và các mảng cấu thành của chúng được biết là có khả năng di chuyển. Và vì vậy, theo các nhà địa chất, trong hơn ba tỷ rưỡi năm qua, những mảng này đã nhiều lần tập hợp lại thành

Hình2. Siêu lục địa trong lịch sử địa chất của Trái Đất

một lục địa chung nào đó (hình2). Các nhà địa chất có thể xác định tuổi của đá. Trên các lục địa hiện có, có những khu vực đá rất cổ - từ ba tỷ năm trở lên, và ở những nơi khác, cái gọi là đá non đã được phát hiện, tức là những tảng đá hình thành muộn hơn nhiều (một tỷ, hai tỷ năm). Nhưng tại sao tất cả điều này xảy ra là không rõ ràng. Để giải thích, một lý thuyết đối lưu về động lực học của lớp vỏ đã được đề xuất. Cấu trúc bên trong của Trái đất được chọn rất đơn giản - ở trung tâm có lõi nóng chảy, là nguồn nhiệt, sau đó có lớp phủ, được chia thành hai lớp - trên và dưới (đây là dữ liệu địa chấn). Các lớp dày, lớp trên cùng dày khoảng 650 km. Các lớp này khác nhau về cấu trúc bên trong của chúng. Ranh giới giữa các lớp là bề mặt chuyển pha của chất manti có khả năng hấp thụ nhiệt, tức là khi đi qua bề mặt này, một số liên kết hóa học được chuyển thành liên kết hóa học khác và điều này kéo theo sự hấp thụ nhiệt. Vì vậy, mô hình đơn giản hóa sau đây đã được xây dựng: có một Trái đất đối xứng hình cầu, sau đó nó bị xáo trộn nhẹ, sai lệch so với hình dạng đối xứng hình cầu,

CƠ KHÍ

và theo dõi những gì xảy ra trong quá trình tiến hóa tiếp theo. Tại lời giải, bài toán này, một phương pháp mô hình toán học được sử dụng. Hóa ra những xáo trộn đang phát triển (ngày càng tăng) dẫn đến sự chuyển động toàn cầu của lớp phủ Trái đất. Cái gọi là dòng đối lưu nhiệt phát sinh và một hiện tượng thú vị được quan sát thấy ở lớp phủ hai lớp. Trong một số thời kỳ, khá ngắn so với tổng thời gian tiến hóa, lớp trên, lạnh hơn của lớp phủ gần như hợp nhất hoàn toàn thành một dòng phản lực khổng lồ đi sâu vào Trái đất, bao bọc lõi của nó. Thay vào đó, một phần vật chất của lớp nóng hơn phía dưới nổi lên trên bề mặt. Sự bay lên xảy ra với ba đến năm tia lực mạnh hơn tia đi xuống. Vật liệu trôi nổi tạo thành những tảng đá mới, non. Lưu ý rằng khám phá bất ngờ nhất là cái gọi là “sự tự tổ chức toàn cầu” của dòng chảy, bao gồm một tập thể, tức là một luồng phản lực mạnh mẽ, nhấn chìm vật chất. Hậu quả của việc này là sự tập hợp (phía trên vị trí lao xuống) của một siêu lục địa từ các lục địa riêng lẻ, cũng như tốc độ sụt lún của vật chất tăng lên. Bức tranh được lý thuyết mô tả không chỉ phù hợp về mặt chất lượng với lịch sử địa chất của hành tinh chúng ta mà còn cho phép chúng ta rút ra một số kết luận (tác giả của công trình là các nhà khoa học cơ khí Moscow). Vì lý thuyết có một số tự do (các tham số tự do có thể được thiết lập), thang thời gian được điều chỉnh theo thang thời gian của các hình thành mới thực tế mà các nhà địa chất xác định được từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ. Tại hình 3 được đưa ra

Hình3. Tốc độ chuyển động trung bình của lớp phủ

16

KVANT 2009/№4

Hình4. Dữ liệu địa chất về tuổi đá non

đồ thị tốc độ trung bình tính toán của chuyển động lớp phủ. Nó có những đỉnh khá sắc nét khi tốc độ tăng lên rất nhiều, thời gian đạt cực đại ngắn so với tổng thời gian tiến hóa. Trong những đỉnh này, sự hình thành đá diễn ra mạnh mẽ. Hình ảnh thu được rất phù hợp với dữ liệu địa chất có sẵn về tuổi của đá non (hình4). Khi các khoảng thời gian được điều chỉnh, một bức tranh tương tự sẽ xuất hiện.

Cơ học và nghiên cứu Bắc Cực

Đất nước chúng ta đã phát triển (không tồn tại ở bất kỳ nơi nào khác trên thế giới) vùng biển sâu, độ sâu lặn lên tới 6 km, phương tiện tự hành tự hành hoặc được điều khiển từ bên ngoài - chiếc “Mir” có người ở và “Harpsichord” không có người ở. Về cơ bản, chúng khác với cái gọi là tàu lặn có sẵn ở một số quốc gia, chúng chỉ đơn giản được hạ xuống bằng dây, ở phía dưới chúng đổ dằn và nổi lên. Nhưng độ sâu 6 km có nghĩa là áp suất 600 atm, cấu trúc khá phức tạp của bộ máy phải chịu được. Và ở đây chúng ta cần cơ chế của vật liệu, cơ chế hoạt động của chúng trong những điều kiện khó khăn như vậy. Tin tức được đưa tin rất rộng rãi trên các mặt báo là chuyến thám hiểm gần đây tới Bắc Cực trên các tàu phá băng hạt nhân Rossiya và Akademik Fedorov và việc cắm cờ Nga dưới đáy Bắc Băng Dương. Tàu phá băng hạt nhân có lò phản ứng hạt nhân, gần như hoàn toàn là thiết bị cơ khí. Khả năng tạo ra những con tàu bền bỉ cũng là cơ khí. Nhưng thậm chí trước đó, các tàu ngầm đã đến thăm Bắc Cực và nổi lên chính xác tại điểm cực. Ai đã đưa họ đến đó? Radio? Nó không hoạt động dưới nước. Định vị bằng tiếng vang? Mặc dù nó hoạt động nhưng nó hoạt động ở khoảng cách rất ngắn. Và những chiếc thuyền được đưa đến bằng hệ thống định vị con quay hồi chuyển quán tính có độ chính xác đáng kinh ngạc - một điều kỳ diệu khác, một thành tựu xuất sắc của cơ học cả trong quá khứ và gần đây. Điều hướng là khoa học và nghệ thuật di chuyển trên một phương tiện đang di chuyển (ô tô, đường biển hoặc đường hàng không).

tàu ngột ngạt, không gian hoặc khí cầu), xác định vị trí và hướng của thiết bị này. Ngày xưa, các thủy thủ sử dụng la bàn, Mặt trời và bầu trời đầy sao để định hướng. Sau đó đài phát thanh đã đến giải cứu. Một kỷ nguyên mới bắt đầu với sự ra đời của hệ thống dẫn đường quán tính, hệ thống này không sử dụng bất kỳ tín hiệu hoặc quan sát bên ngoài nào. Những hệ thống đầu tiên như vậy vẫn còn mang tính truyền thống là con quay hồi chuyển. Chúng dựa trên một thiết bị cơ học thuần túy – con quay hồi chuyển. (Ý tưởng đơn giản nhất về con quay hồi chuyển được đưa ra bởi một đỉnh quay nhanh, bất chấp lực hấp dẫn, không rơi, đồng thời trục quay của nó tiến động, tức là mô tả từ từ một hình nón.) Các hệ thống định vị con quay hồi chuyển đã trải qua quá trình phát triển vượt bậc trong những thập kỷ qua và đặc biệt là trong thời đại của chúng ta. Nước ta đã tạo ra hệ thống định vị con quay có độ chính xác đáng kinh ngạc. Có nhu cầu rất lớn về các thiết bị này trên toàn thế giới; các hội nghị quốc tế dành riêng cho họ được tổ chức hai năm một lần. Mặc dù các thiết bị này là điện tử nhưng nguyên lý hoạt động và nguyên lý sử dụng của chúng hoàn toàn là cơ học. Nhân tiện, vị trí âm thanh và khả năng giao tiếp cũng là một vấn đề đối với thợ máy. Xét cho cùng, âm học là một ngành khoa học tách ra từ cơ học, giống như khí tượng động học (và một phần quan trọng của hải dương học) đã được tách ra từ lâu. Hai ngành khoa học này cùng nhau nghiên cứu các chuyển động trong lớp vỏ không khí của Trái đất – bầu khí quyển và các chuyển động trong các đại dương trên thế giới cũng như sự tương tác của chúng. Trong số những thành tựu mới nhất của các ngành khoa học này, có thể kể đến lý thuyết về “vòng” của Dòng chảy Vịnh và lý thuyết về băng tan ở Bắc Cực. Lý thuyết sau gần giống với lý thuyết về sự va chạm của các mảng lục địa, nhưng tất nhiên, đề cập đến các hiện tượng ở quy mô nhỏ hơn nhiều trong không gian và thời gian và đến một môi trường đơn giản hơn.

Sản xuất điện ở nhà máy điện hạt nhân

Một ví dụ điển hình về việc sử dụng cơ học trong công nghệ là năng lượng hạt nhân, một trong những công nghệ phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ gần đây. Ngày nay, các lò phản ứng hạt nhân không chỉ được sử dụng trong năng lượng mà còn được sử dụng trong giao thông vận tải. Sơ đồ của một nhà máy điện hạt nhân - nhà máy điện hạt nhân - được thể hiện ở hình 5. Ngoài lò phản ứng hạt nhân, nó còn bao gồm hệ thống làm mát mạch kép (mạch đầu tiên mang tính phóng xạ, nằm bên trong thùng lò phản ứng và mạch thứ hai, có độ phóng xạ thấp, nằm bên ngoài thùng lò phản ứng), tua-bin hơi nước quay máy phát điện, bản thân máy phát điện, hệ thống truyền tải điện, hệ thống làm mát và máy bơm. Trái tim của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân - sản phẩm trí tuệ chung của các nhà vật lý và cơ học. Nhiên liệu (uranium) được nạp vào lò phản ứng dưới dạng các phần tử nhiên liệu, là các ống chứa đầy nhiên liệu này. Phản ứng nguyên tử được giảm bớt hoặc tăng cường bằng cách di chuyển các nguyên tố nhiên liệu này lên hoặc xuống, tức là đẩy chúng ra khỏi lò phản ứng hoặc đẩy chúng vào trong lò phản ứng.

17

CÂU CHUYỆN

VỀ

HIỆN ĐẠI

CƠ KHÍ

Hình5. Sơ đồ thiết kế NPP

Các bộ phận nhiên liệu không phải là bộ phận phức tạp nhất của trạm, nhưng ngay cả công nghệ sản xuất chúng cũng được phát triển bởi các nhà khoa học cơ khí cùng với các kỹ sư của nhà máy sản xuất. Toàn bộ tổ hợp được đưa vào lò phản ứng được vận chuyển từ nhà máy trên một số phương tiện hạng nặng. Đây là lúc vai trò của các nhà vật lý kết thúc. Thùng lò phản ứng được tính toán bằng các phương pháp cơ học, và nhân tiện, không phải bằng các phương pháp của thế kỷ 19 mà bằng các phương pháp cải tiến liên tục trong những năm gần đây. Tất cả các thiết bị phức tạp nặng hàng nghìn tấn khác của nhà máy điện hạt nhân cũng được các nhân viên kỹ thuật, kỹ thuật tính toán, chế tạo và lắp đặt dựa trên những thành tựu mới nhất của cơ khí. Đúng, điều này đòi hỏi các tính toán điện và nhiệt (bao gồm tính toán chuyển động của chất lỏng và hơi nước trong chất làm mát và hệ thống làm mát), thuộc lĩnh vực vật lý. Nhưng có thể nói rằng kỹ thuật nhiệt chỉ là một phần nhỏ của cơ khí. Nói chung, cơ học đã hấp thụ các quá trình nhiệt, từ lâu đã giải quyết các vấn đề kỹ thuật nhiệt phức tạp hơn những vấn đề được giải quyết bằng chính kỹ thuật nhiệt. Sử dụng ví dụ này, tôi muốn chứng minh luận điểm sau. Để làm cho những thành tựu của một số ngành khoa học khác, trong đó có vật lý, trở nên hữu ích cho con người, không thể thiếu cơ học. Cơ học là nền tảng. Do đó, các nhà vật lý đã phát hiện và nghiên cứu phản ứng phân hạch của uranium khi giải phóng năng lượng. Dựa trên khám phá này, cơ học đã tạo ra các cấu trúc cung cấp năng lượng nhiệt và điện cho con người. Những khám phá khác về vật lý (laser hoặc các nguồn bức xạ khác), hóa học, khoa học vật liệu và thậm chí cả sinh học đòi hỏi phải sử dụng những tiến bộ mới nhất trong cơ học để có ích cho con người. Ví dụ, mọi điều đã nói ở trên về nhà máy điện hạt nhân vẫn đúng với tất cả các công nghệ hóa học mới. Ở đây, trái tim là một lò phản ứng hóa học - một lần nữa là sản phẩm trí tuệ chung của các nhà hóa học và cơ học, và có tính đến việc tăng tốc mong muốn của các quá trình hóa học trong nhiều trường hợp đòi hỏi phải tạo ra các lò phản ứng hóa học có dòng chảy nhanh hơn bao giờ hết.

Trong số các lò phản ứng như vậy, vai trò của các phương pháp cơ học trong tính toán ngày càng trở nên quan trọng. Sự phát triển của công nghệ truyền thông vệ tinh hiện đại, việc tạo ra các hệ thống không gian trong tương lai sử dụng năng lượng mặt trời để truyền nó đến Trái đất - tất cả những điều này là hoàn toàn không thể nếu không có cơ học, không có các phương pháp mới và hiện có cần phát triển.

Phần kết luận. Ngài Isaac Newton và những cơ chế luôn mới

Giai đoạn phát triển khoa học hiện nay và sự tiến bộ của tri thức khoa học nói chung phần lớn được quyết định bởi sự thâm nhập vào các lĩnh vực khoa học khác nhau của các phương pháp mô hình toán học, dựa trên việc xây dựng và sử dụng một số mô hình toán học nhất định. Chúng ta không được quên rằng phương pháp mô hình toán học đã xuất hiện trong cơ học Newton (các định luật nổi tiếng của Newton) và đã được chính Newton sử dụng thành công cho lời giải một số bài toán nghiêm trọng. Sau đó, nghệ thuật xây dựng các mô hình toán học phức tạp được tạo ra một cách chính xác bởi cơ học và sau đó được áp dụng lần lượt bởi các nhà vật lý, nhà địa vật lý, nhà hóa học, nhà sinh vật học, nhà ngôn ngữ học và gần đây hơn là các nhà xã hội học và kinh tế học. Các mô hình cơ khí cực kỳ rõ ràng. Không phải ngẫu nhiên mà một số nhà vật lý nổi tiếng trong quá khứ cho rằng không một hiện tượng vật lý nào có thể được coi là hiểu đầy đủ cho đến khi nó được phát biểu dưới dạng cơ học. Là một thợ cơ khí và nhà toán học xuất sắc, học giả Alexei Nikolaevich Krylov đã viết trong lời mở đầu cho bản dịch tiếng Nga của ông về “Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên” của Newton: “Các nguyên lý của Newton…” tạo thành nền tảng không thể lay chuyển của cơ học, lý thuyết thiên văn học và vật lý.” Lagrange gọi tác phẩm này là “tác phẩm vĩ đại nhất của trí óc con người”. Cơ học Newton thực sự là một thành tựu vượt trội của vật lý (triết học tự nhiên), của toàn bộ lịch sử văn minh nhân loại. Cô ấy là vĩnh cửu.