Chương một

Những định luật cơ bản của cơ học

Cuộc du lịch rẻ tiền nhất

Vào thế kỷ thứ XVII một nhà văn thông minh người Pháp, Xiranô đờ Bécgiơrắc có viết một cuốn tiểu thuyết khôi hài nhan đề là "Sử kí của những nước trên Mặt trăng" (1652), trong đó có một đoạn tả một sự việc li kì hình như chính bản thân ông đã kinh qua vậy. Có một lần, ông ta làm thí nghiệm vật lí, rồi chẳng biết vì sao, cả ông và bình thuỷ tinh đều bay bổng lên trời. Sau vài tiếng đồng hồ ông ta mới từ từ hạ xuống mặt đất. Khi ấy thật ngạc nhiên vô cùng, ông ta thấy mình không phải ở nước Pháp nữa mà đã ở Canađa thuộc lục địa Bắc Mĩ. Nhưng nhà văn Pháp này lại cho cuộc phi hành ngoài sức tưởng tượng vượt Đại Tây Dương ấy là hoàn toàn tự nhiên. Lí do giải thích của ông là: trong khi nhà phi hành không tự chủ ấy rời khỏi mặt đất thì hành tinh của chúng ta vẫn tiếp tục quay từ tây sang đông như trước. Cho nên, khi ông ta hạ xuống thì dưới chân ông ta không phải là nước Pháp nữa mà đã là lục địa châu Mĩ rồi.

Quả là một phương pháp du lịch rẻ tiền và đơn giản! Các bạn xem, chỉ cần bay lên bầu trời trên Trái Đất, rồi dừng lại trong không trung vài phút thôi, là có thể hạ xuống một nơi xa lạ về phía tây. Chẳng cần phải thực hiện một cuộc du lịch vất vả vượt bể qua sông, trèo đèo lội suối, mà chỉ cần trèo lên bầu trời rồi yên lặng đợi chờ là tự Trái Đất có thể đưa nhà du lịch đến nơi định tới.

Nhưng tiếc thay, cái phương pháp kì dị đó chẳng qua chỉ là một chuyện hoang đường. Một là, sau khi chúng ta đã lên tới không trung thì thật ra chúng ta vẫn ràng buộc với cái vỏ ở thể khí của Trái Đất, chúng ta lơ lửng trong lớp khí quyển của Trái Đất mà lớp khí quyển này lại cũng quay theo Trái Đất. Không khí (nói đúng hơn là các lớp không khí đặc ở dưới) cùng quay với Trái Đất và mang theo hết thảy những thứ gì tồn tại trong nó như mây, máy bay, chim chóc và côn trùng v. v... Nếu như không khí không chuyển động cùng với Trái Đất thì đứng trên Trái Đất chúng ta sẽ luôn thấy có gió to [1] thổi mạnh đến nỗi bão táp so với nó chỉ như một cơn gió thoảng. Bởi vì, các bạn nên chú ý rằng, chúng ta đứng yên để cho không khí đi qua, hoặc ngược lại không khí đứng yên và chúng ta chuyển động trong không khí thì cũng hoàn toàn giống nhau. Trong cả hai trường hợp này, chúng ta đều cảm thấy có gió to. Người đi xe mô tô phóng với vận tốc 100km/h thì mặc dù trời yên gió tạnh ta cũng vẫn thấy gió thổi ngược rất mạnh.

Đó là điều thứ nhất. Điều thứ hai là, hãy cứ cho rằng chúng ta có thể lên tới lớp khí quyển cao nhất hoặc Trái Đất của chúng ta không có lớp khí quyển này đi nữa, thì lúc ấy cái phương pháp du lịch rẻ tiền do nhà văn khôi hài người Pháp tưởng tượng ra cũng chẳng phải đã dễ dàng thực hiện được. Thật vậy, sau khi chúng ta rời khỏi bề mặt của Trái Đất đang quay, do quán tính chúng ta vẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc cũ , hoặc nói một cách khác, chúng ta vẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc chuyển động của Trái Đất ở phía dưới chúng ta. Cho nên, khi hạ xuống, chúng ta lại rơi đúng vào nơi xuất phát, giống như khi ta nhảy thẳng lên ở bên trong một toa xe lửa đang chạy ta đã lại rơi xuống đúng chỗ cũ vậy. Tuy quán tính có làm cho chúng ta chuyển động thẳng (theo tiếp tuyến), còn Trái Đất ở dưới chân chúng ta lại chuyển động theo một đường hình cung, nhưng trong khoảng thời gian rất ngắn thì điều đó không hề gì cả.

Trái Đất hãy ngừng quay!

Nhà văn nổi tiếng người Anh Oenxơ có viết một câu chuyện li kì mô tả một nhân viên văn phòng đã gây ra một điều lỳ lạ như thế nào. Anh ta là một chàng trai rất trẻ, nhưng sinh ra vốn đã có sẵn một khả năng đặc biệt là hễ anh ta ước cái gì thì lập tức được ngay cái đó... Nhưng cái khả năng đặc biệt ấy lại chẳng đem lại cho anh ta và người khác cái gì ngoài những điều chẳng dễ chịu chút nào.

Khi bữa tiệc đem kéo dài kết thúc, chàng nhân viên nói trên sợ về đến nhà thì trời đã sáng, anh ta liền nghĩ tới sử dụng cái khả năng trời phú của mình để kéo dài đêm ra một chút. Biết làm thế nào bây giờ? Phải ra lệnh cho các thiên thể ngừng chuyển động. Chàng ta còn trù trừ chưa quyết định làm cái việc quan trọng đó thì bạn anh khuyên anh ra lệnh cho Mặt Trăng ngừng chuyển động. Anh chăm chú nhìn Mặt Trăng lẩm bẩm:

- Bảo Mặt Trăng ngừng quay, tôi thấy Mặt Trăng ở xa quá... Anh thấy thế nào?

Mâyđích (tên người bạn) bảo anh:

- Nhưng tại sao anh không thử một cái xem sao? Dĩ nhiên Mặt Trăng không thể ngừng quay được, thế thì anh ra lệnh cho Trái Đất ngừng quay vậy. Tôi nghĩ, làm như vậy chẳng chết ai cả.

Phôtêrinh (tên anh chàng kì dị đó) nói:

- Được, để tôi thử xem sao...

Thế rồi, anh ta cung kính giơ hai tay lên và trịnh trọng ra lệnh:

- Trái Đất hãy dừng lại! Không được phép quay nữa!

Nói chưa dứt lời thì cả Phôtêrinh và bạn anh đều bay vọt vào trong không trung với vận tốc mấy mươi dặm trong một phút.

Cũng may chưa đầy một giây đồng hồ, anh ta đã nghĩ ra và nói ngay ý muốn của mình:

- Không được hại ta, phải để cho ta sống!

Cần phải nói ngay rằng, cái ý muốn của anh ta nói vừa đúng lúc. Vài phút sau, anh ta thấy mình rơi xuống một nơi hoang tàn như vừa bị bom tàn phá vậy; khắp nơi, đất, đá, gạch, ngói, các mảnh vụn của các công trình xây dựng và các vật bằng kim loại đều bay vùn vụt qua đầu, nhưng cũng may là không đụng vào anh ta. Ngoài ra, còn có cả trâu bò, lợn gà bay qua rồi rơi xuống đất vụn nát tan tành. Gió gào thét với một sức mạnh kinh hồn làm cho Phôtêrinh không dám ngửng đầu lên nhìn hết thảy mọi vật chung quanh.

Anh ta lầm rầm tự nhủ:

- Lạ quá, không hiểu xảy ra chuyện gì? Sao lại có bão táp khủng khiếp như thế này? Chắc chẳng phải tại ta đâu.

Trong bão táp, anh ta cố trấn tĩnh nhìn xung quanh qua các lỗ hổng rách bươm ở vạt áo bị gió thổi lật lên đầu và nói tiếp:

- Quái, một cái trên trời hầu như vẫn có trật tự. Mặt Trăng vẫn ở chỗ cũ. Nhưng những cái khác... thành phố đi đâu rồi? Nhà cửa và đường sá đi đâu rồi? Gió từ đâu thổi đến? Ta có gọi gió đâu?

Phôtêrinh cố đứng lên xem sao nhưng không tài nào đứng lên được, cho nên anh ta lại bám vào các mỏm đá và các mô đất mà bò lên phía trước. Nhưng chẳng biết bò đi đâu, bởi vì, anh thấy xung quanh khắp nơi đều bề bộn ngổn ngang.

Anh ta nghĩ:

- Trong vũ trụ chắc có cái gì bị phá hoại nghiêm trọng. Nhưng rút cục lại là cái gì? Thật chẳng hiểu ra sao cả.

Thật vậy, mọi cái đều bị huỷ diệt. Chẳng còn lấy một căn nhà, một ngọn cây, một sinh vật nào cả. Chỉ thấy những gò đống bề bộn ngổn ngang, những mảnh vỡ rải rác khắp nơi, và trong bão táp mịt mù phải cố gắng lắm mới nhìn thấy những vật ấy.

Kẻ gây ra tai hoạ đó tất nhiên không hiểu được tại sao lại như vậy. Nhưng giải thích cảnh tượng ấy cũng dễ thôi. Sau khi Trái Đất đứng lại, Phôtêrinh không nghĩ đến hãy còn tác dụng của quán tính. Khi chuyển động quay tròn của Trái Đất đột nhiên dừng lại thì tác dụng của quán tính tất phải ném đi hết thảy mọi vật trên mặt đất. Đó cũng là lí do tại sao nhà cửa, người, ngựa, cây cối, động vật và nói chung hết thảy mọi vật không bám chặt lấy Trái Đất đều bay đi nhanh như tên bắn theo đường tiếp tuyến với mặt đất. Rồi sau, hết thảy lại rơi xuống mặt đất và vụn nát tan tành. Đến bây giờ thì Phôtêrinh cũng đã biết rõ cái điều ước của mình chẳng ích lợi gì cho lắm, bởi thế, anh ta rất hối hận với công việc mình đã làm, cho nên anh ta lại muốn ước một điều khác. Trước hết, phải cứu vãn cái tai hoạ do anh ta đã gây ra. Cái tai hoạ quả không phải là ít. Bão táp thổi rợn người, tro bụi như mây đen che kín mất trăng, xa xa còn nghe thấy tiếng ào ào như nước lụt tràn về; dưới ánh sáng của những tia chớp, anh ta nhìn thấy rõ rệt một cột nước khổng lồ đang ập về phía anh ta với một vận tốc kinh người.

Anh ta cương quyết thực hiện ý định. Anh ta quay về phía cột nước thét lên:

- Hãy đứng lại! Không được tiến thêm một bước!

Rồi sau anh ta cũng ra lệnh như vậy cho sấm sét, chớp điện và gió bão.

Vạn vật lại trở lại yên tĩnh.

Anh ta uể oải ngồi thụp xuống nghĩ:

Thật là hú vía, từ nay thôi chẳng dại dột như thế nữa. Nghĩ đoạn anh ta trịnh trọng nói:

- Bây giờ tôi ước hai điều: điều thứ nhất, sau khi những câu nói bây giờ của tôi đều ứng nghiệm thì hãy làm cho tôi mất hẳn cái năng lực tạo ra những điều kì lạ ấy đi, từ nay về sau tôi xin nguyện làm một con người bình thường. Những điều kì lạ tôi không cần nữa. Cái trò chơi ấy thật nguy hiểm. Điều thứ hai là, thành phố, người ngựa, nhà cửa và ngay cả bản thân tôi, tất cả đều đâu lại hoàn đấy.

Bức thư gửi từ trên máy bay

Bạn hãy tưởng tượng rằng mình đang ngồi trên một chiếc máy bay bay nhanh trên những vùng quen thuộc. Và bây giờ thì máy bay của bạn sắp bay ngang, trên ngôi nhà một người bạn thân. Bạn chợt nảy ra ý nghĩ "Giá gửi được cho cậu ta một bức thư thì hay biết mấy!". Bạn vội rút sổ tay ra xé lấy một tờ giấy và ghi nhanh vài dòng để gửi cho bạn mình. Bạn buộc thư vào một vật nặng nào đấy (sau ta sẽ gọi nó là "trọng vật') và đợi lúc máy bay vừa bay ngang qua đúng trên ngôi nhà thì thả cho nó rơi xuống.

Chắc bạn hoàn toàn tin tưởng rằng trọng vật đó nhất định sẽ rơi đúng ngay xuống mảnh vườn của nhà người bạn. Tiếc thay nó đã không rơi được như thế mặc dù mảnh vườn và ngôi nhà đang nằm đúng ngay ở dưới bụng máy bay của bạn!

Nếu theo dõi sự rơi của trọng vật chắc hẳn bạn sẽ thấy có xảy ra một hiện tượng rất kì quặc: trọng vật rơi xuống dưới nhưng đồng thời nó vẫn tiếp tục xuất hiện ở phía dưới thân máy bay và hình như đang trượt theo một sợi dây vô hình nào đó nối với máy bay. Và khi trọng vật rơi đến đất thì nó sẽ nằm cách xa về phía trước so với chỗ mà bạn định thả nó.

ở đây ta lại thấy thể hiện cái định luật quán tính ngăn cản việc áp dụng lời khuyên cám dỗ về lối du lịch rẻ tiền của Bécgiơrắc.

Khi trọng vật còn nằm trong máy bay thì nó cùng chuyển động với máy bay. Bạn thả cho nó rơi; nhưng sau khi tách ra khỏi máy bay để rơi xuống dưới nó không bị mất vận tốc ban đầu và trong lúc rơi nó vẫn tiếp tục thực hiện trong không khí một chuyển động theo hướng cũ. Cả hai chuyển động thẳng đứng và ngang đã cộng vào nhau, kết quả là trọng vật rơi xuống dưới theo một đường cong là lúc nào cũng ở ngay bên dưới thân máy bay (dĩ nhiên là trong điều kiện máy bay có vận tốc và hướng bay không đổi).

Thực ra, trong vật rơi trong trường hợp này cũng giống như một vật được ném theo phương nằm ngang (thí dụ như viên đạn bắn ra từ một khẩu súng nằm ngang): vật vạch ra một đường cong và cuối cùng chạm tới mặt đất.

Nên chú ý rằng tất cả những điều nói trên là hoàn toàn đúng trong điều kiện không có sức cản của không khí.

Trong thực tế thì sức cản đó đã có tác dụng làm cản trở cả chuyển động thẳng đứng lẫn chuyển động nằm ngang của trọng vật và trong quá trình rơi trọng vật không bao giờ cũng ở đúng ngay dưới thân máy bay mà đã bị tụt lại sau một ít.

Nếu máy bay bay cao và với vận tốc khá lớn thì độ lệch đối với phương thẳng đứng từ máy bay tới mặt đất cũng sẽ khá lớn. Khi trời không gió và máy bay bay ở độ cao 1000m với vận tốc 100km/h thì trọng vật thả từ máy bay ra sẽ rơi quá chỗ phía dưới máy bay một khoảng chừng 400m.

Việc tính toán cũng rất đơn giản (nếu bỏ qua sức cản không khí). Từ công thức tính đường đi trong chuyển động nhanh dần đều:

ta suy ra:

Nghĩa là từ độ cao 1000m, hòn đá phải rơi mất một thời gian bằng:

tức là 14s

Trong thời gian ấy vật đồng thời chuyển động theo phương nằm ngang một khoảng là:

Những vỉa hè di động

Dựa vào nguyên lí tương đối của chuyển động, người ta đã nghĩ ra được một phương tiện đi lại rất tiện lợi gọi là "những vỉa hè di động", mà cho tới nay cũng chỉ mới được áp dụng ở các cuộc triển lãm mà thôi. Lần đầu tiên "những vỉa hè di động" này được giới thiệu tại cuộc triển lãm ở Sicagô năm 1883 rồi sau tại cuộc triển lãm quốc tế ở Pari năm 1900. Dưới đây là hình vẽ của cái thiết bị ấy (h.3). Bạn thấy năm dãy vỉa hè khép kín cái nọ nằm ở phía trong cái kia và chuyển động với những vận tốc khác nhau nhờ một bộ phận máy móc đặc biệt. Dãy ngoài cùng chuyển động khá chậm, vận tốc là 5km/h (5km trong một giờ), đây là vận tốc thông thường của một người đi bộ, cho nên người ta có thể bước lên dãy thứ nhất này một cách dễ dàng. Ngay bên trong dãy thứ nhất là dãy thứ hai, chuyển động với vận tốc 10 km/h. Nếu ta nhảy trực tiếp từ dưới mặt đường lên dãy thứ hai này thì có thể xảy ra tai nạn nguy hiểm, nhưng nếu ta bước từ dãy thứ nhất sang thì lại chẳng làm sao cả. Thực vậy đối với dãy thứ nhất thì dãy thứ hai đang di chuyển với vận tốc 10 km/h chỉ chuyển động với vận tốc 5 km/h; nghĩa là bước từ dãy thứ nhất sang dãy thứ hai cũng sẽ rất dễ dàng như khi bước từ mặt đường lên dãy thứ nhất vậy. Dãy thứ ba chuyển động với vận tốc 15 km/h, nhưng dĩ nhiên bước từ dãy thứ hai sang dãy này chẳng khó khăn gì. Và cứ như thế ta sẽ bước được dễ dàng từ dãy thứ ba sang dãy thứ tư đang chạy với vận tốc 20km/h và cuối cùng từ dãy thứ tư sang dãy thứ năm có vận tốc khá nhanh là 25 km/h.

Dãy thứ năm này sẽ đưa các khách tham quan đến nơi họ muốn; tới đây chỉ cần họ lần lượt đi ngược lại từ dãy thứ năm đến dãy thứ nhất là tới được mặt đường đứng yên.

Con mực bơi như thế nào?

Hẳn bạn sẽ vô cùng ngạc nhiên khi nghe nói: với nhiều sinh vật thì cái phương pháp hoang đường "tự túm tóc để nâng mình lên trên" lại chính là cái phương pháp di chuyển thông thường của chúng ở trong nước.

Con mực và nói chung đa số các động vật nhuyễn thể lớp đầu túc đều di chuyển trong nước theo cách như sau: chúng lấy nước vào lỗ máng qua cái khe hở bên và cái phễu đặc biệt ở đằng trước thân; sau đó chúng lấy sức tống tia nước qua cái phễu mà ta vừa nói trên; như thế, theo định luật phản tác dụng, chúng nhận được một sức đẩy ngược lại đủ để thân chúng bơi khá nhanh về phía trước. Ngoài ra con mực còn có thể xoay ống phễu về một bên hoặc về đằng sau và khi ép mình để đẩy nước ra khỏi phễu thì nó có thể chuyển động theo bất kì hướng nào cũng được.

Chuyển động của con sứa cũng tương tự như thế: nó co các cơ lại để đẩy nước từ dưới cái thân hình chuông của nó ra và như thế là nó bị đẩy về phía ngược lại.

Chuyển động của bọ nước, của các ấu trùng chuồn chuồn và các loại động vật dưới nước khác cũng theo phương pháp tương tự. Thế mà chúng ta còn vẫn nghi hoặc rằng, liệu có thể chuyển động như thế được chăng?

Đáp tên lửa đến các vì sao

Còn gì có thể hấp dẫn hơn vấn đề tạm biệt Quả Đất để du hành khắp vũ trụ bao la từ Trái Đất đến Mặt Trăng, từ hành tinh này sang hành tinh khác? Đã không biết bao nhiêu là tiểu thuyết hoang đường viết về đề tài này! Ai đã làm cho bạn say mê về cuộc du hành tưởng tượng như thế qua các thiên thể! Phải chăng đó là Vônte với tác phẩm "Mikromegat", Giuyn Vécnơ với "Lên Cung Trăng" và "Hecto Sécvadác" và Oenxơ với "Những người đầu tiên trên Mặt Trăng". Họ cũng như bao nhiêu người khác viết theo kiểu này đều hoàn thành những tác phẩm nói về những chuyến đi thú vị trên các thiên thể. Cố nhiên đây chỉ là những chuyến đi trong mơ ước còn thực tế thì cho tới nay chúng ta vẫn còn là "tù binh" của Quả Đất này. Song phải chăng không có khả năng thực hiện được cái mơ ước từ bao đời ấy? Phải chăng trong thực tế tất cả những đồ án sáng tạo đã được mô tả trong các tiểu thuyết như những chuyện thật vô cùng hấp dẫn ấy lại không thực hiện được? Sau này có dịp chúng tôi kể cho các bạn nghe những đồ án li kì về những cuộc du hành vũ trụ nhưng bây giờ thì ta hãy tìm hiểu một đồ án rất hiện thực do một đồng bào của chúng ta là ông Cônstantin Ôduarôvích Xiôncốpski nghĩ ra lần đầu tiên.

Liệu có thể bay tới Mặt Trăng bằng máy bay được không? Dĩ nhiên là không thể được, vì rằng máy bay và khí cầu máy chuyển động được chỉ vì đã dựa vào không khí, đẩy vào không khí mà tiến lên. Nhưng ở giữa Trái Đất và Mặt Trăng lại không có không khí, và nói chung, trong khoảng không gian vũ trụ không có những môi trường đủ dày đặc để chiếc "khí cầu vũ trụ" có thể dựa vào mà chuyển động. Như thế có nghĩa là cần phải nghĩ ra một loại máy bay có khả năng chuyển động và sự điều khiển không cần dựa vào cái gì cả.

Chúng ta đã biết một loại đạn trái phá tương tự, có dạng một thứ đồ chơi, đó là tên lửa. Tại sao không chế ra một cái tên lửa thật to, có nơi đặc biệt dành cho người ở, có chỗ chứa lương thực, chứa các bình đựng không khí và các thứ tiện nghi khác? Bạn hãy tưởng tượng rằng người ta dự trữ sẵn trên tên lửa nhiều chất đốt và người ta có thể hướng luồng khí thuốc nổ phụt về bất kì phía nào cũng được. Như thế là bạn có một con tàu vũ trụ điều khiển được thực thụ mà ngồi trên ấy có thể chu du qua đại dương không gian vũ trụ, bay đến cung trăng, đến các hành tinh. Các vị du khách có thể điều khiển quá trình nổ của các chất đốt, để tăng dần vận tốc của con tàu vũ trụ theo một nhịp độ cần thiết để cho sự tăng vận tốc không gây nguy hiểm cho họ. Khi muốn hạ xuống một hành tinh nào đó, họ có thể quay được con tàu lại mà giảm dần vận tốc của quả đạn, và như thế là làm cho sự rơi giảm yếu dần đi. Cố nhiên, các vị du khách cũng có thể dùng cách đó để quay trở về Trái Đất được.

Các bạn hẳn còn nhớ là cách đây không lâu, ngành hàng không mới sản xuất được những chiếc máy bay đầu tiên "mỏng manh" như thế nào. Nhưng bây giờ thì khác hẳn, các máy bay đã có thể bay khá cao và vững vàng trong không trung, vượt qua các miền núi non sa mạc, qua các lục địa và đại dương.

Có thể hai ba mươi năm nữa sẽ tới thời kì huy hoàng của việc "du hành vũ trụ" chăng? Lúc bấy giờ con người sẽ vất bỏ cái xiềng xích vô hình mà từ bao lâu nay đã trói chặt họ vào Trái Đất quê hương này; và họ sẽ tung cánh đi vào khoảng không gian vũ trụ bao la vô tận [2] .

* * *

[1] Vận tốc của bão là 40m trong một giây, tức là 14km trong 1 giờ. Còn Trái Đất thì ở vĩ độ Lêningrat chẳng hạn, đã mang chúng ta đi qua không khí với vận tốc 230m trong 1 giây, tức là 828 km trong 1 giờ.

[2] Ngày mồng 2 tháng giêng năm 1959 con tầu vũ trụ đầu tiên của Liên xô đã rời khỏi Quả Đất. Tiếp sau đó trong tháng 9 và tháng 10 năm 1959 hai con tàu vũ trụ nữa của Liên Xô lại được phóng lên về phía Mặt Trăng nhằm dọn đường cho con người bay vào vũ trụ. Trong hai lần phóng sau, con tàu thứ nhất đã đổ xuống Mặt Trăng còn con tầu thứ hai thì chụp ảnh được phía sau của Mặt Trăng. (Chú thích của Ban Biên tập bản tiếng Nga).