Vì sao một quả bóng bằng chì vẫn có thể bay?

Năm 1977, nhà hóa học Jim Birkett tổ chức một cuộc thi để thử thách quan niệm rằng một quả bóng bằng chì không thể bay lên. Ý tưởng không dựa vào mẹo đánh tráo vật liệu. Birkett tính rằng một vỏ chì cực mỏng, tạo thành quả cầu có đường kính ít nhất 1,8 mét và chứa helium, vẫn có thể rời mặt đất. Mấu chốt nằm ở một sự phân biệt dễ bị bỏ qua: vật liệu làm vỏ có thể rất nặng, nhưng toàn bộ vật thể vẫn nhẹ hơn lượng không khí mà nó chiếm chỗ. [1]

Một quả bóng bay nhờ điều gì?

Bóng chứa helium chịu lực kéo xuống do trọng lượng của khí, lớp vỏ và mọi bộ phận đi kèm. Đồng thời, không khí xung quanh tạo ra lực nổi hướng lên. Độ lớn của lực này phụ thuộc vào lượng không khí bị thể tích quả bóng chiếm chỗ. Nếu lực nổi lớn hơn tổng trọng lượng, bóng đi lên; nếu hai phía cân bằng, nó lơ lửng; nếu trọng lượng lớn hơn, nó hạ xuống. Vì vậy, chỉ biết vỏ làm bằng chì chưa đủ để kết luận bóng chắc chắn rơi. [1]

Có thể hình dung một ví dụ đơn giản: cùng làm từ một vật liệu, một viên đặc và một lớp màng rỗng khổng lồ không có cùng tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích ngoài. Viên đặc mang nhiều vật liệu nhưng chiếm ít chỗ. Lớp màng chỉ dùng một lượng nhỏ vật liệu để bao quanh một vùng khí lớn. Chính thể tích lớn ấy cho phép bóng chiếm chỗ của nhiều không khí, còn helium bên trong nhẹ hơn không khí mà nó thay thế. [1]

Tại sao kích thước lớn lại có lợi?

Khi một vật thể cùng hình dạng được phóng lớn, diện tích bề mặt và thể tích không tăng cùng tốc độ. Vỏ mỏng chủ yếu tăng khối lượng theo diện tích, trong khi khả năng chiếm chỗ không khí tăng theo thể tích. Nói cách khác, làm quả bóng lớn hơn có thể khiến phần lực nổi tăng nhanh hơn phần trọng lượng của vỏ, miễn là độ dày không tăng tương ứng. Đây là cơ sở cho tính toán của Birkett về một quả cầu chì đủ lớn. [1]

Tuy nhiên, phép so sánh này chỉ có ích khi lớp chì thực sự rất mỏng. Nếu tăng độ dày để vỏ cứng và dễ chế tạo hơn, phần khối lượng thêm vào có thể nhanh chóng xóa hết khoảng nâng do helium tạo ra. Bài toán vì thế không phải là tìm cách làm chì trở nên nhẹ, mà là dùng rất ít chì để bao lấy một thể tích đủ lớn. Từng lớp vá, dây buộc hay khung đỡ cũng phải được tính vào tổng trọng lượng. [1]

Ba thiết kế xử lý lớp chì mỏng ra sao?

Theo bài viết của Science History Institute, cuộc thi chọn ba phương án có kích thước gần bằng một chiếc ô tô. Nhóm thứ nhất bọc lá chì quanh một bóng cao su chứa helium. Họ dự định giảm dần khí trong bóng cao su, đồng thời bơm vào khoảng giữa cao su và lớp chì. Bóng cao su đóng vai trò khuôn tạm, giúp lớp kim loại mỏng nhận hình dạng mà không phải tự bung ra ngay từ đầu. [1]

Nhóm thứ hai làm một khối lập phương bằng lá chì có thể mở ra như origami khi được bơm khí. Nhóm cuối cùng chọn hình dáng gần với khí cầu Zeppelin hơn là quả cầu: lá chì phủ lên một khung gỗ hình trụ. Mỗi thiết kế giải quyết một mặt của cùng vấn đề. Khuôn cao su hỗ trợ lúc tạo hình, cấu trúc gấp giúp vật liệu mở dần, còn khung gỗ giữ hình dáng ổn định. Đổi lại, mỗi bộ phận hỗ trợ đều có thể gây rò khí, tạo điểm rách hoặc làm tăng trọng lượng. [1]

Vì sao thử nghiệm gặp nhiều sự cố?

Trong buổi thử ngày 16 tháng 5 năm 1977, khối lập phương bị rách đáy khi bung ra. Sau khi được vá, nó lên cao khoảng 6 mét, nhưng gió làm các chỗ rách mở lại và đẩy bóng xuống. Thiết kế dùng bóng cao su cũng bị rò, phải tiếp tục nạp helium cho tới lúc phóng. Một cơn gió giật dây khỏi tay nhóm vận hành; quả bóng lăn lên cây rồi trôi đi, nhưng không đạt độ cao đáng kể. [1]

Những sự cố ấy cho thấy khả năng bay trên giấy và khả năng hoạt động ngoài trời là hai bài toán liên quan nhưng không giống nhau. Lá chì phải đủ mỏng để tổng khối lượng nằm dưới giới hạn lực nổi, song độ mỏng ấy khiến nó dễ rách khi mở, vá hoặc chịu gió. Áp suất khí còn phải làm căng vỏ mà không phá hỏng các nếp gấp và mối nối. Một thiết kế có đủ lực nâng vẫn có thể thất bại vì không giữ được khí hoặc không chịu được tải cục bộ. [1]

Thiết kế nào thực sự bay?

Chiếc khí cầu hình trụ đã được nạp helium trước khi nhóm tháo ống đỡ chạy xuyên qua nó và khép các lỗ còn lại bằng dây rút. Khi công việc chưa hoàn tất, gió làm đứt dây neo. Khí cầu vọt lên, bay khỏi tầm nhìn theo hướng sân bay Logan. Birkett gọi cho tháp kiểm soát để cảnh báo; lần cuối cùng nó được nhìn thấy là từ một máy bay thương mại đang bay vào sân bay, khi quả bóng trôi về phía đông. Số phận sau đó của nó không được biết rõ. [1]

Thiết kế này được tuyên bố thắng cuộc, nhưng chuyến bay ngoài ý muốn cũng bộc lộ một nghịch lý kỹ thuật. Nhóm đã chứng minh kết cấu có lực nâng dương, đồng thời mất quyền kiểm soát chính vì lực nâng và gió tác động trước khi hệ thống được đóng kín, neo giữ hoàn chỉnh. Thành công ở đây không có nghĩa là họ tạo ra một phương tiện bay hữu dụng. Nó chỉ trả lời đúng câu hỏi hẹp của cuộc thi: một cấu trúc có vỏ chì thực sự có thể rời mặt đất. [1]

Thành ngữ sai ở điểm nào?

Cụm từ tiếng Anh ví một thất bại với “quả bóng chì” dựa trên trực giác rằng chì nặng nên mọi thứ làm từ chì đều phải chìm hoặc rơi. Cuộc thi không phủ nhận đặc tính nặng của kim loại này. Nó cho thấy trực giác đã bỏ sót hình dạng, độ dày, thể tích khí và khối lượng của toàn bộ hệ thống. Vật liệu chỉ là một phần của thiết kế; cách phân bố vật liệu có thể thay đổi kết quả. [1]

Bởi vậy, điều đáng nhớ không chỉ là cảnh một khí cầu bọc chì biến mất ở đường chân trời. Cuộc thử nghiệm biến một cách nói quen thuộc thành bài toán có thể kiểm tra: xác định các lực, tính giới hạn khối lượng, rồi tìm kết cấu đủ nhẹ để hoạt động. Chì không mất đi sức nặng của nó, còn helium cũng không tạo phép màu. Quả bóng bay được vì một lớp kim loại rất mỏng bao quanh lượng khí đủ lớn để tổng thể nhẹ hơn phần không khí bị nó chiếm chỗ. [1]