Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 31)

JOHN “SẮT KHÙNG” WILKINSON

Vào năm 1774, John Wilkinson đã lập một bước đột phá quan trọng trong chế tạo đại bác. Trong nhiều năm, đại bác được chế tạo bằng sắt đúc với một cái lõi. Mọi khiếm khuyết trong phần lõi được loại bỏ bằng một công đoạn khoan nhanh, song điều này đem lại một vấn đề nghiêm trọng: mỗi khẩu đại bác hơi khác nhau một chút, thành ra các bộ phận phải được chế tạo thủ công. Chúng không thể hoán đổi từ đại bác này sang đại bác khác được. Wilkinson chỉ ra rằng việc đúc một ống trụ rắn và khoan một cái lỗ vào nó bằng cách quay nòng súng đem lại những khẩu đại bác chính xác hơn nhiều, nó sẽ cho phép khả năng hoán đổi các bộ phận. Nó cũng làm cho các khẩu đại bác ít có khả năng phát nổ hơn trong khâu chế tạo. Vì vậy, việc sản xuất các khẩu đại bác lớn được cải tiến. Động cơ hơi nước mới của Watt giúp Wilkinson sản xuất những khẩu súng lớn hơn với ít nhân công hơn, và các kĩ thuật mới của Wilkinson với sắt và thép giúp Watt chế tạo các động cơ hơi nước ngày càng to hơn và tốt hơn. Đối tác hưởng lợi nhiều nhất là quân đội Anh. Nhiều khẩu đại bác lớn đã được lắp đặt trên tàu thuyền, giúp làm cho hải quân Anh mạnh thêm nữa.5

Mặc dù có lẽ Watt không hề nhận ra, nhưng công trình của ông còn thiết yếu trong sự phát triển của một ngành vật lí học mới, gọi là nhiệt động lực học. Nhiệt động lực học chủ yếu nói về việc nghiên cứu và cải tiến hiệu suất của mọi loại động cơ nhiệt, và nó sẽ sớm trở thành một nhánh quan trọng của vật lí học.

Không nghi ngờ gì nữa, công trình của Wilkinson và Watt là thiết yếu đối với quân sự, song nó gây ra một vấn đề. Wilkinson sớm bắt đầu nhận ra rằng ông là kẻ không thể thiếu được, và ông bắt đầu nghĩ rằng quân đội Anh đã không thưởng công cho ông xứng đáng. Ông là kẻ tham vọng và muốn mở rộng đế chế sắt và thép của mình, song ông cần có thêm tiền, và khả năng ông sẽ thu được nhiều hơn từ quân đội Anh là mong manh lắm. Và ông cũng biết rằng các nước khác sẽ hăm hở chi trả cho kiến thức và công nghệ của ông, đặc biệt là Pháp. Vì thế, không hề nhắc tới nó trước chính quyền Anh, ông đã gặp một vài nhà ngoại giao Pháp, và, đúng như kì vọng, họ hăm hở mua đại bác của ông. Thế nhưng, tất nhiên, vẫn có một vấn đề: Làm thế nào ông có thể chở chúng đến Pháp mà không kinh động đến các viên chức người Anh? Ông giải quyết vấn đề này bằng cách gắn nhãn xuất khẩu của ông các “ống” sắt lớn. Và nước Pháp đã chi trả cho ông hậu hĩnh để ông sớm trở thành một người rất giàu có.

BENJAMIN ROBINS

Trong khi các tiến bộ đang được triển khai trong chế tạo đại bác, thì các tiến bộ cũng được thực thi trong chế tạo súng trường, đặc biệt liên quan đến độ chuẩn xác của chúng. Và như vỡ lẽ, vật lí học là thiết yếu cho những tiến bộ này. Phần lớn những tiến bộ này gắn liền với một cái tên: Benjamin Robins.

Robins sinh ra ở Bath, nước Anh, vào năm 1707, trong một gia đình tín đồ Quaker. Bố ông là thợ may, song công việc ấy chẳng đem lại bao nhiêu tiền, và gia đình ông tương đối nghèo. Năng lực toán học của Benjamin cuối cùng đã thu hút sự chú ý của một số bạn bè của ông, và một lá thư được gửi đến tiến sĩ Henry Pemberton ở London. Pemberton gửi cho chàng trai trẻ Robins một bài test, và anh làm bài quá tốt nên anh được mời luôn đến London. Lúc ấy, Pemberton đang soạn một phiên bản mới cảu cuốn Principia của Newton, và Robins đã đọc nó cùng với nhiều công trình quan trọng khác về toán học và vật lí học. Năm lên hai mươi tuổi, Robins có nhiều bài đăng trên các tạp chí lớn và được bầu làm ủy viên Hội Hoàng gia (một vinh dự vô cùng lớn dành cho người trẻ như thế). Ông tiếp tục công bố nhiều nghiên cứu; trong một bài viết ông đã bảo vệ “giải tích” mới của Newton trước một số công kích của những người sắp trở thành nhà toán học.6

Một học viện quân sự mới, Học viện Quân sự Hoàng gia, được thành lập vào năm 1741. Robins xin một suất dạy, nhưng thật bất ngờ, bất chấp trình độ chuyên môn ấn tượng của ông, ông bị từ chối. Một số người kể rằng điều này khiến Robins bực mình đến mức ông quyết tâm chứng minh cho cái học viện kia thấy rằng họ đã sai lầm như thế nào, và, bởi thế, ông dấn thân vào nghiên cứu vật lí học về súng ống, đạn dược, và đạn pháo.

Sau một nghiên cứu tỉ mỉ về các kiểu vũ trang thời ấy, ông tìm thấy bất ngờ rằng chúng rất không chuẩn xác. Ở một số trận đánh, người ta phải tốn đến 250 băng đạn mới diệt được một tên địch. Thật vậy, các nhà sản xuất chẳng thèm bố trí ống ngắm cho súng trường quân sự vì chúng không hề được dùng cho các mục tiêu cá nhân. Một loạt đạn bắn ra bởi số lượng lớn binh lính mới là chiến lược chính được sử dụng vào thời ấy.

Robins quyết tâm tìm hiểu xem các vấn đề chính nằm ở đâu. Để kiểm tra, ông lắp cố định một khẩu súng trường trên một bàn kẹp chặt và bố trí các mục tiêu (màn giấy) ở cự li năm mươi, một trăm, và ba trăm feet. Rồi ông đo xem viên đạn bị trệch khỏi mục tiêu bao xa (trệch so với đường đi thẳng) ứng với mỗi cự li. Ông tìm thấy ở một trăm feet nó bị lệch mười lăm inch, và ở ba trăm feet nó bị lệch vài feet. Hơn nữa, nó bị lệch những lượng khác nhau theo những hướng khác nhau. Quá nhiều để mà chuẩn xác. Thế nên chẳng lạ gì, sẽ lãng phí thời gian thôi nếu cứ nhắm vào một mục tiêu ở xa ba trăm feet.

Robins lập tức tự hỏi tại sao độ chuẩn xác lại kém như thế. Phải có một lí do hợp lí nào đó. Cuối cùng ông xác định được rằng vấn đề là do chuyển động quay tròn của đạn bay. Chuyển động tròn không được nhắm tới trước; tuy vậy, khi viên đạn bay ra khỏi nòng nó có một chuyển động quay tròn nào đó, và chuyển động quay tròn này là khác nhau ứng với mỗi viên đạn. Lí do là vì viên đạn hình cầu được chế tạo có chủ định hơi nhỏ hơn đường kính nòng súng một chút, và khi nó chạy vào nòng nó va đập với thành nòng ở những điểm khác nhau, và mỗi lần va đập, chuyển động quay của nó thay đổi. Tuy nhiên, sự thay đổi có tính quyết định là lần va đập ngay trước khi nó thoát ra khỏi nòng. Đây sẽ là chuyển động quay mà nó có lúc đang bay. Và Robins giả định (đúng đắn) rằng chuyển động quay này tương tác với không khí mà viên đạn bay qua, và tương tác này làm ảnh hưởng đến quỹ đạo của nó.

Vấn đề tiếp theo khi ấy là xác định tốc độ của viên đạn khi nó thoát ra từ nòng súng và, nếu có thể, chuyển động quay của nó. Để xác định tốc độ của nó, Robins phát minh ra cái gọi là con lắc thử đạn – một trong những phát minh quan trọng nhất trong lịch sử súng ống. Ông bắt đầu bằng cách giữ cố định một khẩu súng trường tại chỗ. Ngay phía trước nó ông bố trí một khối gỗ lớn được treo ở đầu dưới của một sợi dây sao cho nó có thể đong đưa như một con lắc. Robins tìm thấy rằng khi súng nhả đạn thì khối gỗ hấp thụ động năng của đạn súng trường, và, do đó, khối gỗ lắc lên vài ba độ trên dây treo. Động năng của viên đạn biến đổi thành thế năng trong quá trình ấy. Cho hai loại năng lượng ấy bằng nhau, Robins giải phương trình cho vận tốc của viên đạn, và ông tính được viên đạn súng trường phải đập vào khối gỗ với vận tốc 1.139 dặm trên giờ. Sau bao năm tháng súng ống và đại bác được sử dụng, đây là lần đầu tiên có người biết được các viên đạn bay bao nhanh. Vì thế, thật sự, đây là một thành tựu to lớn.

Giờ thì Robins đã tính được vận tốc đầu nòng của súng, thế nên ông phải xác định chuyện gì xảy ra khi viên đạn bay trong không khí đến mục tiêu của nó. Vận tốc của nó biến đổi như thế nào? Bằng cách di dời khối gỗ ra xa nòng súng, Robins có thể tìm ra giải đáp. Và ông sớm thấy rằng viên đạn đang mất vận tốc thật nhanh. Thật vậy, mỗi viên đạn mất hết gần một nửa tốc độ ban đầu của nó trong mấy trăm yard đầu tiên. Không khí mà đạn súng trường bay ra rõ ràng có tác động lớn. Các nhà khoa học và các kĩ sư vào thời ấy đã biết rằng không khí gây ra sức cản đối với đạn súng trường, song họ không nhận ra được tác động ấy biến hóa như thế nào. Vấn đề cơ bản là hình dạng của viên đạn: hình cầu. Hình cầu không có tính khí động lực học như những hình dạng khác, và Robins sớm nhận ra điều này. Hình dạng nào là tốt nhất để giảm thiểu lực kéo theo của không khí? Câu trả lời, chí ít cho đến chừng mực nào đó, đã được biết rõ. Các cung thủ đã làm thí nghiệm với các kiểu và hình dạng đầu mũi tên khác nhau trong nhiều năm, và họ thấy đầu mũi tên có tính động lực học nhất là mũi tên thuôn dài và nhọn về một đầu. Thế nhưng lại có vấn đề với viên đạn súng trường thuôn dài với một đầu nhọn. Nó sẽ đổ nhào khi nó chuyển động trong không trung, làm tình hình càng thêm tồi tệ.

Robins đã phân tích vấn đề thật thận trọng, và, khi làm thế, ông nhận thấy có thật ra có đến hai vấn đề: tìm kiếm viên đạn khí động lực học nhất, và khử chuyển động quay ngẫu nhiên khí nó rời khỏi nòng súng.

Robins sớm nhận thấy ông có thể giải quyết cả hai vấn đề này chỉ với một thay đổi quan trọng. Ông sẽ làm cho viên đạn có hình dạng thuôn dài với một đầu nhọn, và ông sẽ làm cho nó quay tròn xung quanh trục xuyên qua tâm của nó theo hướng thuôn dài. Cách tốt nhất để làm việc này là khắc bên trong nòng súng trường một loạt những cái rãnh xoắn ốc. Nói cách khác, ông quyết định “xẻ rãnh xoắn” nòng súng. Thế nhưng các rãnh xoắn sẽ chỉ hoạt động – làm cho viên đạn quay tròn xung quanh trục xuyên tâm của nó – nếu viên đạn khớp với các rãnh xoắn đó. Tóm lại, các rãnh xoắn phải khắc vào trong chì khi viên đạn chạy vào nòng. Thật vậy, chẳng mấy chốc người ta thấy rằng kích cỡ lí tưởng cho viên đạn là hơi lớn hơn một chút so với đường kính của nòng súng.

Cuối cùng, Robins đi tới các kế hoạch cho súng nạp đạn; đây là một khẩu súng trong đó lỗ đạn có thể để mở sao cho số thuốc súng nạp và đạn có thể chèn vào nòng. Với thuốc súng và đạn vào vị trí, sau đó lỗ đạn có thể đóng lại an toàn để sẵn sàng khai hỏa. Đây là một đột phá quan trọng, song thật ra nó chưa được sử dụng mãi cho đến khi Robins qua đời vài năm. Súng trường nòng xẻ rãnh là một vấn đề về mặt công nghệ, song chúng không thật sự khởi sắc trong vài năm nữa. Tuy vậy, đột phá của Robins đã làm cách mạng hóa cách đánh trận, và nó sớm biến nước Anh thành một trong những quốc gia hùng mạnh nhất châu Âu.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>