|
|  |
Vật lý học |  |
|  Sun Jan 03, 2010 10:21 pm |
| | |
 | Tổng số bài gửi : 66
$$ : 2117
Thanked : 2
Join date : 19/12/2009
Age : 29
Đến từ : The Hell
|
|
|  Tiêu đề: Vật lý học | |
| |  | |  |  | Vật lý học là ngành khoa học nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên, từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà và vũ trụ). Trong tiếng Anh, từ vật lý (physics) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp φύσις (phusis) có nghĩa là tự nhiên và φυσικός (phusikos) là thuộc về tự nhiên. Đối tượng nghiên cứu chính của vật lý hiện nay bao gồm vật chất, năng lượng, không gian và thời gian.
Vật lý còn được xem là ngành khoa học cơ bản bởi vì các định luật vật lý chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác. Điều này có nghĩa là những ngành khoa học tự nhiên như sinh học, hóa học, địa lý học... chỉ nghiên cứu từng phần cụ thể của tự nhiên và đều phải tuân thủ các định luật vật lý. Ví dụ, tính chất hoá học của các chất đều bị chi phối bởi các định luật vật lý về cơ học lượng tử, nhiệt động lực học và điện từ học.
Vật lý có quan hệ mật thiết với toán học. Các lý thuyết vật lý là bất biến khi biểu diễn dưới dạng các quan hệ toán học, và sự xuất hiện của toán học trong các thuyết vật lý cũng thường phức tạp hơn trong các ngành khoa học khác. Sự khác biệt giữa vật lý và toán học là ở chỗ, vật lý luôn gắn liền với thế giới tự nhiên, trong khi toán học lại biểu diễn các mô hình trừu tượng độc lập với thế giới tự nhiên. Tuy vậy, sự khác biệt không phải lúc nào cũng rõ ràng. Thực tế có một ngành nghiên cứu thuộc lĩnh vực trung gian giữa toán học và vật lý, đó là Toán vật lý - ngành học phát triển các cấu trúc toán học để phục vụ cho các lý thuyết vật lý. | |  | |  |
|
|
| |
 | |  |
|
Vật lý học | |
| | Sun Jan 03, 2010 10:21 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 66
$$ : 2117
Thanked : 2
Join date : 19/12/2009
Age : 29
Đến từ : The Hell
|
|
| | Tiêu đề: Re: Vật lý học | |
| | | | | | Lịch sử
Từ xa xưa, con người đã cố gắng tìm hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi như: tại sao một vật lại có thể rơi được xuống đất? Tại sao vật chất khác nhau lại có các đặc tính khác nhau? Và vũ trụ kia vẫn là điều bí ẩn: trái đất được hình thành như thế nào? đặc điểm của các thiên thể như Mặt Trời hay Mặt Trăng ra sao? Một vài thuyết đã được đưa ra, nhưng đa phần đều không chính xác. Những thuyết này mang đậm nét triết lý và chưa từng qua các bước kiểm chứng như các thuyết hiện đại. Một số ít được công nhận, số còn lại đã lỗi thời, ví dụ như nhà tư tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều mô tả định lượng chính xác về cơ học và thủy tĩnh học.
Isaac Newton
Thế kỷ thứ 17, Galileo Galilei là người đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lý thuyết, và nó là chìa khóa để hình thành nên ngành khoa học thực nghiệm. Galileo xây dựng và kiểm tra thành công nhiều kết quả trong động lực học, cụ thể là Định luật quán tính. Năm 1687, Isaac Newton công bố cuốn sách Principia Mathematica, mô tả chi tiết và hoàn thiện hai thuyết vật lý: Định luật chuyển động Newton, là nền tảng của cơ học cổ điển, và Định luật hấp dẫn, mô tả lực cơ bản của hấp dẫn. Cả hai thuyết trên đều được công nhận bằng thực nghiệm. Cuốn Principia Mathematica cũng giới thiệu một vài thuyết thuộc ngành thủy động lực học. Cơ học cổ điển được mở rông bởi Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, và một số nhà vật lý khác, là các người đã xây dựng lên các công thức, nguyên lý và kết quả mới. Định luật hấp dẫn mở đầu cho ngành vật lý thiên văn, ở đó mô tả các hiện tượng thiên văn dựa trên các thuyết vật lý.
Bước sang thế kỷ thứ 18, nhiệt động lực học được ra đời bởi Robert Boyle, Thomas Young và một số nhà vật lý khác. Năm 1733, Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp thống kê với cơ học cổ điển để đưa ra các kết quả cho nhiệt động lực học, từ đó ngành thống kê cổ điển được ra đời. Năm 1798, Benjamin Thompson chứng minh được việc chuyển hóa cơ năng sang nhiệt, và năm 1847, James Prescott Joule dặt ra định luật bảo toàn năng lượng, dưới dạng nhiệt cũng như năng lượng cơ học, cơ năng.
James Clerk Maxwell
Đặc điểm của điện và từ tính được nghiên cứu bởi Michael Faraday, Georg Ohm, cùng với một số nhà vật lý khác. Năm 1855, James Clerk Maxwell thống nhất hai ngành điện học và từ học vào làm một, gọi chung là Điện từ học, được mô tả bằng các phương trình Maxwell. Dự đoán của thuyết này đó là ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Năm 1895, Wilhelm Conrad Röntgen khám phá ra tia X quang, là một dạng tia phóng xạ điện từ tần số cao. Độ phóng xạ được tìm ra từ năm 1896 bởi Henri Becquerel, và sau đó là Marie Curie (Maria Skłodowska-Curie), Pierre Curie, cùng với một số nhà vật lý khác. Từ đó khai sinh ra ngành vật lý hạt nhân.
Năm 1905, Albert Einstein xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt, kết hợp không gian và thời gian vào một khái niệm chung, không-thời gian. Thuyết tương đối hẹp dự đoán một sự biến đối khác nhau giữa các điểm gốc hơn là cơ học cổ điển, điều này dẫn đến việc phát triển cơ học tương đối tính để thay thế cơ học cổ điển. Với trường hợp vật tốc nhỏ, hai thuyết này dẫn đến cùng một kết quả. Năm 1915, Einstein phát triển thuyết tương đối đặc biệt để giải thích lực hấp dẫn, thuyết này do đó được gọi là Thuyết tương đối tổng quát hay Thuyết tương đối rộng, thay thế cho định luật hấp dẫn của Newton. Trong trường hợp khối lượng và năng lượng thấp, hai thuyết này cũng cho một kết quả như nhau.
Năm 1911, Ernest Rutherford suy luận từ thí nghiệm tán xạ về sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, với thành phần mang điện tích dương được đặt tên là proton. Neutron, thành phần của hạt nhân nguyên tử không mang điện tích, được phát hiện ra năm 1932 bởi James Chadwick.
Bước sang thế kỷ thứ 20, Max Planck, Einstein, Niels Bohr cùng với một số nhà vật lý khác xây dựng thuyết lượng tử để giải thích cho các kết quả thí nghiệm bất thường bằng việc mô tả các lớp năng lượng rời rạc. Năm 1925, Werner Heisenberg và năm 1926 Erwin Schrodinger và Paul Dirac công thức hóa cơ học lượng tử, để giải thích thuyết lượng tử bằng các công thức toán học. Trong cơ lương tử, kết quả của các đo đặc vật lý tồn tại dưới dạng xác suất, và lý thuyết này đã rất thành công khi mô tả các đặc điểm và tính chất của thế giới vi mô.
Cơ lượng tử là công cụ cho ngành vật lý vật chất rắn, một ngành nghiên cứu các tính chất vật lý của chất rắn và chất khí, bao gồm các đặc tính như cấu trúc mạng tinh thể, bán dẫn và siêu dẫn. Người đi tiên phong trong ngành vật lý vật chất đặc đó là Felix Bloch, người đã sáng tạo ra một bộ mặt lượng tử các tính chất của electron trong cấu trúc tinh thể năm 1928.
Trong thời Đệ nhị thế chiến, các nghiên cứu khoa học đã phần hướng về ngành vật lý hạt nhân với mục đích tạo ra bom nguyên tử. Sự cố gắng của người Đức, dẫn đầu bởi Heisenberg, đã không thành công, nhưng dự án Manhattan của Mỹ đã đạt được được mục đích. Nhóm khoa học người Mỹ, đứng đầu là Enrico Fermi đã là người đầu tiên xây dựng lò phản ứng hạt nhân năm 1942, và chỉ 3 năm sau, năm 1945, vụ thử hạt nhân đầu tiên đã diễn ra tại Trinity, gần Alamogorgo, New Mexico.
Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng để phát triển cơ lượng tử, với việc kết hợp thuyết tương đối hẹp. Một phiên bản mới được hình thành vào cuối năm 1940 bởi Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga và Freeman Dyson. Họ đã công thức hóa thuyết điện động lực học lượng tử để mô tả tương tác điện từ.
Thuyết trường lượng tử tạo nền cho ngành vật lý hạt, ở đó nghiên cứu các lực tự nhiên và các hạt cơ bản. Năm 1945. Dương Chấn Ninh và Robert Mills phát triển một dạng thuyết gauge, tạo cơ sở cho Mô hình chuẩn. Mô hình chuẩn đã được hoàn chỉnh vào năm 1970, với thành công là việc mô tả tất cả các hạt biết được khi ấy.
Hai lý thuyết vật lý chính của thế kỷ 20, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, hiện không tương thích với nhau. Cơ học lượng tử mô tả vật chất trong kích thước nhỏ hơn nguyên tử, trong đó không-thời gian là tuyệt đối, trong khi thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ trên khoảng cách rộng lớn giữa các hành tinh trong hệ mặt trời cho rằng không thời gian bị bẻ cong bởi vật chất. Để thống nhất hai thuyết này, lý thuyết dây đã ra đời, mô tả không-thời gian như một đa không gian, không phải của các điểm, mà của các vật có hình dạng một chiều, gọi là dây. Lý thuyết này cho ra những kết quả nhiều hứa hẹn, nhưng chưa thể được kiểm chứng. Cuộc tìm kiếm các thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết dây vẫn đang được tiến hành. | | | | |
|
|
| |
| | |
|
Vật lý học | |
| | Sun Jan 03, 2010 10:22 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 66
$$ : 2117
Thanked : 2
Join date : 19/12/2009
Age : 29
Đến từ : The Hell
|
|
| | Tiêu đề: Re: Vật lý học | |
| | | | | | Khái quát các nghiên cứu của Vật lý học
[sửa] Vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm
Các nghiên cứu trong vật lý được chia ra làm hai loại riêng biệt, vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Từ thế kỷ thứ 20, đa phần các nhà vật lý thuộc một trong hai lĩnh vực này; chỉ có một số ít các nhà vật lý thành công trên cả hai lĩnh vực cùng một lúc. Ngược lại, hầu hết các kết quả thành công trong sinh học hay hóa học thuộc lĩnh vực thực nghiệm.
Nói chung, các nhà lý thuyết xây dựng và phát triển các lý thuyết để giải thích cho những kết quả của thực nghiêm, và dự đoán cho những kết quả trong tương lại, trong khi các nhà thực nghiệm xây dựng và thiết lập các thí nghiệm kiểm chứng để khám phá ra những hiện tượng mới hay kiểm tra tính đúng đắn của các dự đoán trong lý thuyết. Mặc dầu ngành lý thuyết và ngành thực nghiệm được phát triển một cách độc lập, song giữa hai ngành này lại có một mối quan hệ tương hỗ với nhau. Trong quá trình thí nghiệm, có nhiều kết quả khác biệt so với dự đoán ban đầu, do đó cần đến những lý thuyết mới để giải thích cho kết quả tìm ra, và mô tả những dự đoán mới. Nếu không có thực nghiệm, các nghiên cứu lý thuyết có thể đi lạc đường, một thí dụ điển hình chính là thuyết M, một thuyết rất phổ biến trong ngành vật lý năng lượng cao, nhưng lại chưa từng có một thí nghiệm kiểm chứng nào được hình thành.
[sửa] Các thuyết vật lý chính
Mặc dầu đối tượng của vật lý được trải dài trên một khoảng rộng, từ thang vi mô đến thang vĩ mô, song chỉ có một vài lý thuyết vật lý chính, bao quát được hết các hệ thống trong đó. Mỗi thuyết, về cơ bản, đều mô tả đúng trên một phạm vi nhất định. Đầu tiên đó là thuyết cơ học cổ điển, mô tả chính xác chuyển động của vật, với điều kiện vật này lớn hơn nhiều so với kích thước của nguyên tử và có vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Với sự ra đời của Ba định luật chuyển động của Newton, làm nền tảng cho các nghiên cứu trong thế giới trung mô, thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết này vẫn tiếp tục được nghiên cứu, một trong những thành công của nó chính là sự ra đời của lý thuyết hỗn độn ở thế kỷ 20. Tuy nhiên, một số nhà vật lý cho rằng thuyết cơ học cổ điển vẫn có nhiều điểm hạn chế như khi được đặt ở một phạm vi khác, như thế giới vi mô hay thế giới vĩ mô, thì cơ học cổ điển không còn mô tả chính xác nữa. Cơ học cổ điển vấn rất gần gũi với chúng ta, bởi vì nó mô tả đúng những gì trong thế giới mà chúng ta đang sống.
Các ngành của vật lý học
Các nghiên cứu hiện tại trong vật lý được chia ra làm một số ngành riêng biệt, nhằm mục đích tìm hiểu các khía cạnh khác nhau của thế giới vật chất. Vật lý chất rắn được cho là ngành lớn nhất, quan tâm tới tính chất của phần lớn các vật chất, như chất rắn và chất lỏng trong thế giới thường ngày của chúng ta, dựa trên các đặc tính và tương tác giữa các nguyên tử. Ngành vật lý nguyên tử, phân tử và quang tử quan tâm tới đặc điểm riêng biệt của các nguyên tử và phân tử, ví dụ như việc chúng hấp thụ và bức xạ ánh sáng. Ngành vật lý hạt, được coi là ngành vật lý năng lượng cao ở đó nghiên cứu các tính chất của các hạt hạ nguyên tử, như các hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Và sau cùng là ngành vật lý thiên văn, ở đó ứng dụng các định luật của vật lý để giải thích các hiện tượng thiên văn học, với đối tượng là Mặt Trời, các thiên thể trong Hệ Mặt Trời cũng như toàn vũ trụ. | | | | |
|
|
| |
| | |
|
Vật lý học | |
| | Sun Jan 03, 2010 10:24 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 66
$$ : 2117
Thanked : 2
Join date : 19/12/2009
Age : 29
Đến từ : The Hell
|
|
| | Tiêu đề: Re: Vật lý học | |
| | | | | | Vật lý ngày mai
Năm 2004 qua đi, bên cạnh những thành công đạt được, vật lý học vẫn phải đối diễn với những câu hỏi lớn chưa có lời giải.
Trong ngành vật lý chất rắn, vấn đề lý thuyết lớn nhất vẫn chưa được giải quyết là việc giải thích tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra còn có sự nỗ lực, cùng với một khối lượng lớn các thí nghiệm được thực hiện, với mục đích xây dựng các linh kiện spintronics và máy tính lượng tử.
Trong ngành vật lý hạt, bằng chứng đầu tiên trong thí nghiệm của Mô hình chuẩn mở rộng đã được tìm ra. Cùng với nó là việc công nhận neutrino có khối lượng khác không. Những thí nghiệm này hình thành sẽ giải quyết các vấn đề còn tồn tại bấy lâu nay trong bài toán neutrino của Mặt Trời, thuộc ngành vật lý Thái dương hệ. Vật lý neutrino đang ở thời kỳ phát triển, với một số lượng lớn các nghiên cứu trên cả hai lĩnh vực lý thuyết và thực nghiệm. Trong vài năm tới, các máy gia tốc thang đo TeV sẽ hoàn thành, ở đó các nhà thực nghiệm đặt nhiều hy vọng để phát hiện ra hạt Higgs boson và các hạt siêu đối xứng.
Trong ngành thiên văn học, vẫn còn có nhiều hiện tượng chưa thể giải thích được, bao gồm sự tồn tại của tia vũ trụ năng lượng cao và tốc độ quay dị thường của các thiên hà. Các nhà vật lý đã đưa ra lời đề nghị về việc giải quyết những vẫn đề bao gồm thuyết tương đối hẹp kép, động lực học Newton sửa đổi và sự tồn tại của vật chất tối. Thêm vào đó, các dự đoán thiên văn của vài thập niên trở lại đây đều mâu thuẫn với những bằng chứng hiện tại về việc vũ trụ mở rộng có gia tốc.
Trên lĩnh vực lý thuyết, các nhà vật lý nỗ lực thống nhất cơ học lượng tử vào trong thuyết tương đối rộng, để thành một thuyết thống nhất, thuyết hấp dẫn lượng tử. Công việc này đã được nghiên cứu trong suốt 50 năm qua, tuy nhiên một thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh vẫn chưa được ra đời. Bên cạnh đó, còn phải kể đến những cố gắng trong việc xây dựng các thuyết hiện đại, nổi bật như thuyết M, thuyết dây và thuyết hấp dẫn lượng tử vòng.
Năm 2005 là năm được tổ chức UNESCO của Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lý thế giới. Đây là một hoạt động nhằm kỉ niệm và tôn vinh những thành tựu vật lý đã đạt được đối với khoa học cũng như đối với cuộc sống thường ngày trong những năm qua. | | | | |
|
|
| |
| | |
|
Vật lý học | |
| | Sun Jan 03, 2010 10:52 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 51
$$ : 2106
Thanked : 4
Join date : 16/12/2009
Age : 28
Đến từ : Manchester United
|
|
| |
| |
|
Vật lý học | |
| | Tue Jan 19, 2010 12:53 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 5
$$ : 7
Thanked : 5
Join date : 14/01/2010
|
|
| |
| |
|
Vật lý học | |
| | Tue Jan 19, 2010 12:56 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 5
$$ : 7
Thanked : 5
Join date : 14/01/2010
|
|
| | Tiêu đề: Re: Vật lý học | |
| | | | | | Ít ra phải thực tế như thế này
Gần 100 năm về trước, nhà vật lý nổi tiếng Joseph John Thomson (người phát minh ra electron, giải thưởng Nobel năm 1906) đã trình bày một bài giảng ở Viện Hoàng gia London về động lực học của những quả bóng gôn. Lời của ông được trích lại như sau:
“Nếu chúng ta có thể chấp nhận được những sự giải thích về chuyển động của quả bóng gôn bằng cả đống tài liệu về trò chơi này... thì trong buổi chiều ngày hôm nay, tôi cần mang đến cho các bạn một môn động lực học mới, và tôi cũng thông báo rằng, những vật chất, khi được chế tạo thành những quả bóng [gôn], chúng sẽ tuân theo những định luật có đặc trưng hoàn toàn khác…”
Khí động lực học của trái bóng
Sự lệch quỹ đạo của một vật thể quay tròn lần đầu tiên được giải thích bởi Lord Rayleigh dựa trên công trình thực hiện năm 1852 của nhà vật lý Đức Gustav Magnus. Thực ra hồi ấy Magnus muốn nghiên cứu xem tại sao những quả đạn lại bị lệch sang một bên khi vừa quay tròn vừa chuyển động, song sự lý giải của ông cũng được áp dụng rất tốt cho trường hợp quả bóng đá.
Ta hãy xét một trái bóng đang quay quanh một trục vuông góc với dòng không khí chuyển động trên bề mặt của nó.
Tại một phía mặt bên của bóng, chiều quay của nó cùng chiều với chuyển động của dòng không khí và như vậy dòng khí ở mặt bên này sẽ đi nhanh hơn so với dòng khí ở phần giữa gần trục quay của bóng. Theo nguyên lý Bernouilli, áp suất tại một mặt bên của bóng, nơi có dòng khí chuyển động nhanh hơn sẽ nhỏ hơn áp suất ở phần giữa. Tại mặt bên kia của bóng thì điều này xảy ra ngược lại, vì tại đó chiều quay của bóng sẽ ngược với chiều chuyển động của dòng khí, làm giảm tốc độ dòng khí và từ đó làm tăng áp suất. Như vậy, có một sự không cân bằng về lực và quả bóng sẽ đi lệch sang một bên. Những hiện tượng như thế này thường được gọi là “hiệu ứng Magnus”.
Những lực làm lệch đường đi của quả bóng quay tròn nói chung được chia thành hai loại: một lực nâng và một lực cản. Lực nâng hướng lên trên hoặc hướng sang ngang, đại diện cho hiệu ứng Magnus. Lực cản tác động theo hướng ngược với đường đi của quả bóng. Chúng ta có thể tính được các lực này trong một tình huống đá phạt. Giả sử rằng vận tốc của quả bóng là 25-30m/s và tốc độ quay là khoảng 8-10 vòng mỗi giây, khi đó lực nâng vào khoảng 3,5N. Nếu lấy khối lượng chuẩn của một quả bóng dành cho thi đấu là 410-450g, khi đó nó sẽ có gia tốc là khoảng 8m/s2. Và bởi vì trong một giây, quả bóng có thể đi về phía trước được cỡ 30m nên lực nâng sẽ khiến nó bị lệch khoảng 4m so với quỹ đạo thẳng, quá đủ để gây khó khăn cho bất cứ thủ môn nào.
Lực cản FD (ở đây có thể hiểu là lực cản của không khí) tỷ lệ với bình phương vận tốc v, giả sử rằng mật độ r và tiết diện ngang A của quả bóng không thay đổi : FD = CDrAv2/2. Tuy nhiên, có vẻ như là “hệ số cản” CD cũng phụ thuộc vào vận tốc của bóng. Chẳng hạn, nếu ta vẽ đồ thị hệ số cản theo số Reynold – một tham số không thứ nguyên có giá trị là rvD/μ , trong đó D là đường kính của quả bóng và μ là độ nhớt động học của không khí – ta sẽ thấy rằng hệ số cản giảm đột ngột khi dòng khí ở bề mặt của quả bóng bắt đầu trở nên rối loạn.
Khi các dòng khí phân lớp một cách có trật tự , hệ số cản sẽ lớn, lớp không khí trên bề mặt bóng sẽ bị phân tách khi nó vừa đi qua quả bóng, và từ đó những xoáy khí sớm được hình thành ở ngay sau đuôi quả bóng. Tuy nhiên, khi dòng khí trở nên rối loạn, lớp khí trên bề mặt bám vào quả bóng lâu hơn, nó bị phân tách chậm hơn, và do đó hệ số cản sẽ nhỏ.
Giá trị số Reynold mà tại đó hệ số cản giảm sẽ phụ thuộc vào độ nhám trên bề mặt quả bóng. Chẳng hạn, với những quả bóng gôn có độ nhám bề mặt cao, hệ số cản sẽ giảm tại một giá trị số Reynold tương đối thấp (cỡ 2.104). Tuy nhiên, trong trường hợp quả bóng đá, nó nhẵn hơn bóng gôn nên giá trị số Reynold này lớn hơn nhiều (cỡ 4. 105).
Kết quả là một quả bóng chuyển động chậm sẽ phải chịu một lực trễ tương đối lớn. Nhưng nếu bạn có thể sút bóng đủ nhanh sao cho dòng khí đi qua nó bị rối, quả bóng sẽ chịu một lực trễ nhỏ (Hình 4)
Do vậy, một quả bóng chuyển động nhanh sẽ gây khó khăn gấp bội cho thủ môn không chỉ vì tốc độ cao của nó mà còn vì nó không bị chậm lại nhiều như người ta tưởng.
Có lẽ những thủ môn hàng đầu hiểu về vật lý theo trực giác nhiều hơn là theo suy luận.
Năm 1976, Peter Bearman và các cộng sự ở trường Imperial College, London đã thực hiện một loạt các thí nghiệm đối với quả bóng gôn. Họ thấy rằng việc tăng tốc độ quay của quả bóng sẽ tạo ra một hệ số nâng lớn hơn và từ đó là một lực Magnus lớn hơn. Tuy nhiên, việc tăng vận tốc tịnh tiến ở một tốc độ quay cho trước lại làm giảm hệ số nâng. Điều này có nghĩa là một quả bóng chuyển động chậm nhưng quay nhanh sẽ chịu một một lực làm lệch lớn hơn so với quả bóng chuyển động nhanh có cùng tốc độ quay.
Roberto Carlos
Chắc hẳn nhiều người hâm mộ bóng đá vẫn còn nhớ cú sút phạt tuyệt vời của Roberto Carlos trong trận Pháp-Brazil. Quả bóng được đặt cách khung thành khoảng 30m, hơi chếch về phía phải. Carlos sút, quả bóng vòng qua hàng rào của Pháp một cách rất lịch sự rồi có vẻ như sẽ đi chệch sang phía phải cầu môn trước sự hí hửng của thủ thành Fabien Barthez. Nhưng như có phép lạ, quả bóng vẽ thành một đường cong lượn sang trái và đi vào lưới qua góc phải trên khung thành trước sự sững sờ tất cả những ai đang theo dõi trận đấu. Thậm chí, một số bình luận viên hồi ấy, những người vốn không hiểu lắm về khoa học đã quá nhời mà bình luận rằng: “Cú sút của Roberto Carlos đã thách thức tất cả những định luật vật lý”.
Nếu coi sự lạm ngôn của những bình luận viên chính là lời thách thức đối với các nhà vật lý thì như chúng ta đã biết, Magnus đã giải quyết được vấn đề này từ cách đây một thế kỷ rưỡi rồi.
Carlos đã sút bằng chân trái đồng thời làm quả bóng quay ngược chiều kim đồng hồ theo phương nhìn từ trên xuống dưới, có lẽ tốc độ quay là 10 vòng mỗi giây và vận tốc tịnh tiến là khoảng 30m/s. Dòng khí đi qua bề mặt bóng bị rối, sức cản trở nên nhỏ đi. Khi quả bóng bay được khoảng 10m, vận tốc giảm xuống, lực Magnus bẻ cong đường đi của nó và hướng nó về phía khung thành. Giả sử rằng, sự quay không bị yếu đi quá nhiều, khi đó hệ số cản tăng. Điều này thậm chí đã dẫn đến một lực làm lệch lớn hơn và bẻ cong đường bóng nhiều hơn. Cuối cùng, bóng bay chậm lại, nó chui vào lưới với một sự bẻ lái vô cùng kỳ thú.
Những nghiên cứu tiếp theo về bóng đá
Có nhiều nghiên cứu về bóng đá hơn là sự khảo sát đơn giản về chuyển động của quả bóng. Các nhà nghiên cứu cũng rất hứng thú với việc tìm hiểu xem trên thực tế một cầu thủ sút một quả bóng như thế nào. Chẳng hạn, Stanley Plagenhof của Đại học Massachusetts đã nghiên cứu về động học của những cú sút – nói cách khác đó là sự xem xét chuyển động mà không chú ý đến các lực liên quan. Những nhà nghiên cứu khác, chẳng hạn như Elizabeth Roberts và các cộng sự ở Đại học Wisconsin đã thực hiện nghiên cứu về động lực học của những cú sút, nghĩa là xét đến cả các lực liên quan.
Những tiếp cận thực nghiệm này đã mang lại những kết quả rất hay, mặc dù vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất là sự khó khăn trong việc đo chuyển động vật lý của các cầu thủ, một phần là bởi vì chuyển động của họ không thể dự đoán trước được. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong việc phân tích chuyển động bằng máy tính đã thu hút được nhều sự chú ý đến lĩnh vực khoa học thể thao, và với sự áp dụng những phương pháp khoa học mới, bây giờ người ta đã có thể thực hiện những phép đo chính xác đối với chuyển động của con người.
Chẳng hạn, một nhóm nghiên cứu ở Đại học Yamagata, Nhật Bản đã kết hợp phương pháp máy tính với phương pháp động lực học truyền thống để mô phỏng cách mà các cầu thủ sút bóng. Những mô phỏng này đã cho phép tạo nên những cầu thủ bóng đá “ảo” với nhiều loại khác nhau. Những nhà sản xuất dụng cụ thể thao, chẳng hạn như ASICS cũng rất hứng thú với nghiên cứu này và họ đang tài trợ cho đề tài của Yamagata. Họ hy vọng là sẽ sử dụng các kết quả để thiết kế những dụng cụ thể thao tiện ích hơn, an toàn hơn và kinh tế hơn.
Chuyển động của các cầu thủ được theo dõi bằng video tốc độ cao tới 4500 hình mỗi giây, và sự va chạm giữa chân và bóng được nghiên cứu bằng sự phân tích phần tử hữu hạn. Những thí nghiệm ban đầu đã chứng minh điều mà hầu hết các cầu thủ đều biết: nếu bạn dùng mu bàn chân sút vào tâm trọng lực của bóng, khi đó quả bóng sẽ bay đi theo đường thẳng. Tuy nhiên, nếu bạn sút bằng phần trước của bàn chân với một góc giữa ống chân và bàn chân là 90o, bóng sẽ đi theo đường cong. Trong trường hợp này sự va chạm là lệch tâm, nó sinh ra một lực tác động như một momen xoắn làm quay quả bóng.
Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng sự quay mà quả bóng có được là liên quan mật thiết với hệ số ma sát giữa bóng và bàn chân cũng như khoảng cách giữa bàn chân và tâm trọng lực của bóng. Mô hình phần tử hữu hạn cho sự va chạm giữa bàn chân và quả bóng được viết bằng phần mềm DYTRAN và PATRAN của tập đoàn MacNeal Schwendler đã được sử dụng để phân tích theo phương pháp số những hiện tượng này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tăng hệ số ma sát giữa bóng và bàn chân khiến quả bóng quay nhiều hơn. Nó cũng sẽ quay nhiều hơn nếu vị trí bàn chân ở càng xa tâm trọng lực. Hai hiệu ứng thú vị khác cũng được quan sát. Thứ nhất, nếu khoảng cách bàn chân-tâm trọng lực tăng thì chân sẽ chạm bóng trong thời gian ngắn hơn và trên một vùng nhỏ hơn, điều này làm giảm cả vận tốc lẫn sự quay của bóng. Như vậy có một vị trí lý tưởng để sút bóng nếu bạn muốn nó quay mạnh nhất, nếu bạn sút vào vị trí quá gần hoặc quá xa tâm trọng lực, quả bóng sẽ chẳng quay gì hết. Hiệu ứng thú vị thứ hai là, ngay cả khi hệ số ma sát bằng không, quả bóng vẫn sẽ quay ở mức độ nào đó nếu bạn sút chệch khỏi tâm trọng lực. Quả bóng chịu một sự biến dạng hướng vào tâm, điều này gây nên một lực tác dụng gần tâm trọng lực. Như vậy, các cầu thủ vẫn có thể làm quả bóng quay trong những ngày trời mưa, mặc dù nó quay kém hơn so với những điều kiện khô ráo.
Dĩ nhiên, những sự phân tích này cũng có một vài hạn chế. Không khí bên ngoài quả bóng bị bỏ qua, và giả sử rằng không khí bên trong quả bóng diễn biến tùy thuộc vào độ nén, đó là mô hình dòng chảy nhớt. Đúng ra, một cách lý tưởng, cả không khí bên trong và bên ngoài quả bóng đều cần được xét đến, và những độ nhớt được mô hình hóa bằng việc sử dụng các phương trình Navier-Stokes. Cũng phải giả thiết rằng bàn chân là đồng nhất, khi đó rõ ràng là một bàn chân trên thực tế sẽ phức tạp hơn nhiều. Mặc dù không thể tạo ra một mô hình hoàn hảo có xét đến mọi yếu tố, nhưng mô hình này cũng đã bao gồm những yếu tố quan trọng nhất.
Thay cho tiếng còi chung cuộc
Nào! Bây giờ, chúng ta có thể học được gì từ Roberto Carlos ? Nếu bạn đá quả bóng đủ mạnh để dòng khí chạy qua bề mặt của nó trở nên bị rối, khi đó lực cản sẽ nhỏ và quả bóng sẽ “bay thực sự”. Nếu bạn muốn một đường bóng cong, hãy làm nó quay thật mạnh bằng việc sút vào vị trí lệch tâm của nó. Tuy làm việc này vào ngày khô ráo sẽ dễ dàng hơn ngày ẩm ướt, nhưng về nguyên tắc vẫn có thể làm được, bất chấp mọi điều kiện. Đường bóng sẽ cong đi khi quả bóng chậm lại và hình thành các lớp không khí có trật tự, vì vậy bạn cần phải luyện tập, thử nghiệm để đảm bảo rằng sự biến chuyển này xảy ra đúng nơi, đúng lúc – chẳng hạn như ngay sau khi quả bóng vượt qua hàng rào bảo vệ. | | | | |
|
|
| |
| | |
|
Vật lý học | |
| | Thu Jan 21, 2010 3:12 pm |
| | |
| Tổng số bài gửi : 60
$$ : 126
Thanked : 6
Join date : 06/01/2010
Age : 26
Đến từ : Thanh Hoá
|
|
| |
| |
|
Vật lý học | |
| | | | | Tiêu đề: Re: Vật lý học | |
| |
|
|
| |
| Copy đường link gửi cho bạn bè, ko có virut đâu ! |
| Trang 1 trong tổng số 1 trang | |
| Sử dụng giờ GMT +8.
 |
| | |
