Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 9)

MÁY CƠ

Nhiều vũ khí thời xưa là cái chúng ta gọi là máy cơ trong vật lí học. Máy cơ là một dụng cụ giúp ta thực hiện công dễ dàng hơn. Một ví dụ đơn giản của máy cơ là một thanh dài dùng để nâng một cái hộp vốn quá nặng để chúng ta nâng bằng tay. Nếu bạn đặt một đầu thanh ở dưới cái hộp, và đặt một cục đá (gọi là điểm tựa) ở cách nó vài feet, rồi tác dụng một lực hướng xuống lên đầu kia của thanh, thì bạn thấy bạn có thể dễ dàng nâng cái hộp lên. Điều này có ý nghĩa bởi vì công bằng lực × quãng đường; khi ta tác dụng lực, cái hộp được nâng lên một quãng nhỏ hơn so với quãng mà đầu kia của thanh di chuyển. Như vậy, ta dùng quãng đường tăng thêm để thu về một lực lớn hơn. Công thực hiện là như nhau, nhưng nó dễ dàng hơn cho ta bởi vì ta chỉ phải tác dụng một phần nhỏ của lực mà ta phải tác dụng nếu ta nâng cái hộp lên trực tiếp. Đây là cơ sở cho mọi máy cơ.⁶

Có nhiều loại máy cơ, và các nguyên lí gắn liền với chúng được sử dụng trong các vũ khí thời xưa. Một số máy cơ thường gặp bao gồm:

Ròng rọc: Chúng cho phép nâng các vật nặng lên cao với lực nhỏ hơn; bạn chỉ việc kéo dây một quãng đường lớn hơn quãng đường vật nặng di chuyển.

Bánh xe và trục xe: Một lực quay tác dụng tại rìa ngoài của bánh xe gây ra chuyển động mạnh hơn nhưng ngắn hơn lực quay tác dụng gần trục.

Đai ốc: Tác dụng một lực quay lớn hơn nhưng dễ dàng hơn gây ra một chuyển động nhỏ hơn về phía trước.

CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA CUNG TÊN

Cung tên được sử dụng rộng rãi trên chiến trường thời xưa. Cung thủ được huấn luyện từ lúc còn trẻ nhỏ. Trong một số trường hợp, họ chạy bộ về phía quân địch, mang theo một tấm khiên; trong những trường hợp khác, họ cưỡi xe ngựa. Như ta đã thấy trong chương trước, xe ngựa thường có một phu xe và một cung thủ, và khi xe ngựa tiến đủ gần về phía quân địch, thì cung thủ bắt đầu bắn tên nhanh hết mức có thể.

Thật ra, cái cung là một máy cơ đơn giản làm biến đổi một dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác, giúp cung thủ dễ dàng cấp cho mũi tên một vận tốc lớn. Cái cần thiết cho một vận tốc lớn là một chuyển động mũi tên nhanh và mạnh, và tất nhiên cơ bắp có thể làm cả hai yêu cầu đó, nhưng không làm được đồng thời. Để hiểu rõ cơ sở vật lí của cung tên, ta hãy bắt đầu với người cung thủ đang nạp tên và kéo dây cung từ từ ra phía sau. Anh ta sử dụng cơ bắp trên tay để làm việc này. Anh ta kéo dây cung ngược đến độ dãn tối đa của nó, và trong quá trình đó cái cung bị uốn cong. Năng lượng từ sự co cơ của người cung thủ được dự trữ trong sự uốn cong của cái cung. Đây là thế năng. Sau đó, anh ta buông dây cung, tại điểm đó sợi dây chuyển động nhanh về vị trí nghỉ bình thường. Trong quá trình này năng lượng truyền từ cái cung sang mũi tên. Thực chất thế năng biến đổi thành động năng, như trong trường hợp quả bóng rơi. Sự chuyển hóa năng lượng rõ ràng rất nhanh, và điều này mang lại cho mũi tên một tốc độ cao. Lưu ý rằng cung thủ đã tạo ra một lượng năng lượng nhất định, và theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng phải giữ nguyên không đổi. Nhưng cái cung có thể vừa chuyển động với một lực lớn vừa với một vận tốc cao trong tay người cung thủ là điều không thể. Cái cung là một máy cơ dự trữ năng lượng. Năng lượng cơ bắp được dùng để vận hành máy ở tốc độ thấp, rồi máy cơ giải phóng năng lượng ở tốc độ cao. Thật vậy, nếu bạn biết đủ các biến, ví dụ khối lượng của mũi tên, quãng đường cái cung bị kéo ngược, và lực mà nó tác dụng, thì bạn có thể lấy cân bằng thế năng với động năng và tính được mũi tên sẽ rời dây cung với vận tốc bao nhiêu. Ngoài ra, nếu bạn biết góc mũi tên được bắn đi (và bỏ qua áp suất không khí) thì bạn có thể tính được nó bay đi bao xa.⁷

Theo năm tháng, cung tên được cải tiến dần. Một số yếu tố liên quan đến sức mạnh của một cái cung. Ba yếu tố quan trọng nhất là độ dài của nó, hình dạng của nó, và thành phần của nó. Nói chung, cái cung càng dài thì nó sẽ càng mạnh, nhưng những yếu tố kia cũng có vai trò to lớn. Ta sẽ thấy ở phần sau rằng người Anh đã phát triển loại cung dài (tên có gắn lông chim) rất hiệu quả và đã sử dụng nó thành công đáng kể trong những trận đánh với người Pháp.

Hình dạng tổng thể của cái cung cũng quan trọng. Những cái cung thời xưa có một đầu cong và làm bằng gỗ. Tuy nhiên, về sau các cung thủ biết rằng nếu hai đầu cung đều uốn cong ra xa người bắn, thì mũi tên sẽ bay đi xa hơn. Đây là do sự uốn cong làm thu hẹp khoảng cách giữa cái cung và sợi dây lúc đứng yên, và do đó sợi dây dịch chuyển xa hơn trước khi đến điểm dừng nơi mũi tên bay ra. Lực đẩy bổ sung này cấp cho mũi tên thêm chút động lượng và tốc độ. Loại cung này được gọi là cung uốn ngược.

Thành phần của cái cung, tất nhiên, cũng quan trọng không kém. Loại gỗ, hay vật liệu khác, làm nên cái cung có tác động lớn đối với sức mạnh của nó. Ngoài ra, khối lượng riêng, độ đàn hồi, và ứng suất bền (mức căng mà nó có thể chịu được trước khi hỏng) của cái cung xác định nó có thể dự trữ bao nhiêu năng lượng và mức hồi phục hình dạng ban đầu của nó sau khi bắn.

Từ rất sớm, người ta biết rằng cung nỏ làm từ nhiều hơn một vật liệu thì hiệu quả hơn cung nỏ làm đơn giản bằng gỗ. Chúng được gọi là cung ghép. Cung ghép thường được làm bằng gỗ, một đoạn sừng động vật, và dây gân. Đoạn sừng mảnh này được dán với bầu cung ở phía đối diện với cung thủ. Sừng được lấy từ linh dương, trâu nước, và thỉnh thoảng sừng cừu và sừng dê được sử dụng. Đoạn sừng này cho phép có nhiều năng lượng được dự trữ trong cái cung hơn. Hồ dán được làm từ dầu cá. Các dây gân cũng được dán dọc theo phía sau cung, một lần nữa là để tăng mức dự trữ năng lượng. Hai đầu nhọn (đoạn uốn ngược) cũng được gia cố bằng các khúc xương.⁸

Mũi tên liên tục được cải tiến theo năm tháng. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là trọng lượng của mũi tên. Nếu một mũi tên quá nhẹ thì nó sẽ bị ảnh hưởng bởi chuyển động của không khí và sẽ không giữ được quỹ đạo bay. Mặt khác, nếu nó quá nặng thì nó sẽ tạo ra lực kéo theo lớn và sẽ rơi quá nhanh. Trọng lượng lí tưởng phải lưng chừng đâu đó. Người ta cũng biết từ sớm rằng lông chim gắn dọc hai bên làm tăng mức ổn định của mũi tên, và độ dài và độ cao của lông chim có tác động đến tầm xa của mũi tên, và đến mức vững vàng của nó trong khi bay.

Một cải tiến trên cung tên bình thường là nỏ chữ thập, nó được sử dụng bởi người Hi Lạp xưa. Nó bắn ra đạn thép, và ban đầu cung thủ phải kéo dải rút ngược ra sau và khóa vào vị trí, sau đó buông cò nhả ra. Cách này khiến việc lên đạn chậm, và cần một lực mạnh để kéo dây cung ngược lại. Tuy nhiên, về sau người ta phát triển một hệ thống tời cơ học để lên đạn, và với nó dây cung được kéo với một lực căng lớn hơn nhiều. Do đó, quả đạn thép rời khỏi cung với một vận tốc lớn hơn nhiều, và vì thế nó có tầm xa lớn hơn. Nhưng vấn đề chưa dừng ở đó. Các quả đạn thép không hiệu quả khí động lực học cho lắm, và do đó chúng cũng không chính xác. Ngoài ra, chúng chậm hơn nhiều và khó lên đạn hơn nhiều so với cung tên bình thường. Tối đa một nỏ chữ thập có thể bắn hai lần mỗi phút trong khi một cung thủ giỏi có thể bắn mười hai đến mười lăm mũi tên mỗi phút. Tuy nhiên, thoạt đầu nỏ chữ thập có ưu điểm so với cung bình thường: các quả đạn thép mà chúng bắn ra có thể xuyên thủng khiên chắn bằng thép của quân địch. Hơn nữa, các quả đạn thép có thể dễ dàng tiêu diệt ngựa. Tuy nhiên, cuối cùng người Anh đã phát minh ra cung dài, nó cũng đủ mạnh để xuyên thủng khiên giáp.

Nỏ chữ thập

Mặc dù không được sử dụng trong những cuộc chiến thời xưa, nhưng cuối cùng cung tên vẫn có một tiến bộ đáng kể. Tất nhiên, cái cung khó kéo ngược, nhưng năng lượng bạn tiêu hao cho việc kéo ngược nó càng lớn, thì năng lượng mà nó truyền cho mũi tên càng lớn. Và một lần nữa máy móc xuất hiện cứu vãn tình hình. Cuối cùng, người ta dùng ròng rọc để giúp các cung thủ thực hiện công lớn hơn lên cái cung (và tạo ra thế năng lớn hơn) với sức kéo nhẹ hơn. Cung ghép cho phép cung thủ giữ và kéo cung mà không cần rất nhiều sức căng hay mệt mỏi.

CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA CÁC VŨ KHÍ KHÁC THỜI XƯA

Đa số vũ khí ngày xưa là những dụng cụ thuộc loại này hay loại kia bắn ra mũi tên hoặc đá. Thật vậy, đa số là máy bắn đá thuộc một loại nào đó. Như chúng ta đã nói, ba loại được biết tới nhiều nhất là máy ném đá, máy bắn đá và súng bắn đá. Máy ném đá là một lò xo xoắn, nó dự trữ năng lượng trong một số vòng dây xoắn. Nó có thể ném ra các mũi lao hay đạn đá với kích cỡ đa dạng. Mũi lao được đặt trong một cái máng nông bằng gỗ. Máy ném lao được nhắm bằng cách móc một dây cung vào phía sau mũi lao và quấn ngược nó bằng một cái tời. Nó kéo cái máng trượt và mũi lao bên trong ngược ra sau, và đồng thời nó làm xoắn cuộn dây (dây cung được gắn với hai đầu, mỗi đầu có cuộn dây quấn riêng của nó). Bánh cóc và răng vấu ngăn nó bắn ra khi nó được lên dây. Một khi đã lên dây, nó có thể được bắn ra bởi cái cò. Một lần nữa, ta có thế năng của các cuộn dây xoắn, và khi nó nhả ra, thế năng biến đổi thành động năng của mũi lao.

Máy ném đá sớm nhất được phát triển vào khoảng năm 400 tCN. Máy tốt nhất có tầm ném khoảng năm trăm yard. Chúng chỉ sử dụng các loại đạn ném nhẹ, nên chúng không chịu lực mạnh, thành ra chúng tương đối chính xác.

Máy bắn đá thì mạnh hơn nhiều, và nó hoạt động dựa trên một nguyên lí hoàn toàn khác. Thật vậy, thỉnh thoảng nó được gọi là “máy bắn đá đối trọng” vì nó sử dụng một đối trọng để sinh năng lượng ném đạn đi. Nó được sử dụng đầu tiên bởi người Pháp vào thế kỉ thứ mười hai, và nó hoạt động dựa trên nguyên lí đòn bẩy đã mô tả ở phần trước. Bộ phận chính của nó là một tay đòn dài neo trên đất ở gần một đầu. Tại cuối tay đòn dài là một dây quàng chứa một túi đạn; đây là nơi đặt đạn ném (thường là đá cỡ lớn). Năng lượng thu từ một vật nặng đặt tại đầu của tay đòn ngắn. Nó được nâng lên và giữ tại chỗ cho đến khi sẵn sàng. Một lần nữa, ta có thế năng biến đổi thành động năng của đạn ném. Khi buông cò, túi đạn và tay đòn dài sẽ bật lên theo hướng thẳng đứng. Tại đây, dây quàng sẽ nhả ra và túi đạn mở ra. Đạn sẽ được ném về phía trước với vận tốc đáng kể. Dụng cụ hoạt động nhờ lực hấp dẫn.

Ưu điểm của máy bắn đá là nó có thể bắn các hòn đá tới ba trăm pound, có thể làm thiệt hại đáng kể cho phần phía trên của đa số tường thành. Nó có tầm ném khoảng ba trăm yard. Điều quan trọng nên lưu ý là dây quàng giữ một vai trò quan trọng, nó có thể làm tăng gấp đôi sức mạnh của máy ném đá, cho phép máy ném đạn đi xa gấp đôi so với trường hợp không có dây quàng.

Loại thứ ba trong số này, gọi là súng bắn đá, giống như súng ném đá ở chỗ nó cũng sử dụng áp lực xoắn tạo ra bởi các dây gân xoắn. Nó gồm một cái khung lớn đặt trên đất cùng với một khung thẳng đứng gắn vào. Một cái nan, hay tay đòn, gắn vào trục đỡ chạy xuyên qua khung thẳng đứng. Một cái gầu hình bát được đặt tại đầu tay đòn này,  cùng với đạn đặt trong gầu. Máy được lên dây bằng cách kéo tay đòn ngược lại sức xoắn của các dây quấn. Khi buông cò, tay đòn sẽ bật lên theo hình cung, giải phóng đạn tại đỉnh đường bật. Như trong trường hợp các dụng cụ kia, người ta có thể sử dụng các tảng đá lớn làm đạn. Súng bắn đá thường có tầm xa khoảng một trăm hai mươi feet.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Trần Nghiêm dịch
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>