Động lực học vật rắn

       Bài tập

       Để quật ngã một đối thủ 80kg bằng động tác Judo cơ bản quăng qua hông, bạn dự định kéo áo anh ta bằng một lực và một cánh tay đòn d1 = 0,30m, từ một điểm tựa (trục quay) trên hông phải của bạn, và bạn mong quay anh tròn anh ta quanh trục đó với gia tốc góc bằng – 12rad/s2 nghĩa là theo chiều kim đồng hồ (ngược chiều dương lượng giác). Giả sử rằng quán tính quay I của của anh ta đối với điểm tựa là 15kg.m2.

       a. Cường độ của lực phải bao nhiêu, nếu đầu tiên, bạn kéo gập anh ta về trước để đặt khối tâm của anh ta trên hông bạn?

       b. Cường độ lực phải bao nhiêu nếu anh ta vẫn đứng thẳng và véctơ trọng lực của anh ta có cánh tay đòn d2 = 0,12m, tính từ điểm tựa?

Rắn không tiêm chất độc, sức căng bề mặt mới là thủ phạm

Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử của răng nanh của hai loài rắn khác nhau. Răng nanh của rắn sọc vằn (trái) có một rãnh lớn để giúp phân phối chất độc. Ảnh bên phải cho thấy răng nanh của rắn đước một phần cắn ngập trong thịt. Mũi tên màu vàng ở phía dưới chỉ rõ tuyến ống hình thành khi răng nanh bị ngập trong thịt. (Ảnh: Bruce Young/Hội Vật lí Hoa Kì)

Nếu bạn từng xui xẻo đến mức bị rắn cứa răng nanh của nó vào chân bạn, thì có lẽ bạn đã từng mất một giây đồng hồ bỡ ngỡ trước cơ chế khéo léo ẩn sau sự phân bố nọc độc của nó. Thật vậy, theo các nhà sinh lí học ở Đức và ở Mĩ, nhiều loài bò sát có độc không tiêm chất độc của chúng, như có lẽ bạn đã nghĩ như thế. Thay vào đó, chúng hoạt động dựa trên một hỗn hợp độc gồm sức căng bề mặt và cơ sở vật lí “nước sốt cà chua”. “Cho đến lúc chúng tôi nghiên cứu, chưa có ai từng quan tâm đến câu hỏi xem vì sao sự nhiễm độc do rắn cắn lại xảy ra như vậy”, phát biểu của thành viên đội nghiên cứu Leo van Hemmen thuộc trường Đại học Kĩ thuật Munich.

Một vài loài rắn thật sự tiêm chất độc của chúng, loài rắn chuông là một thí dụ nổi tiếng. Răng nọc của rắn chuông giống như những mũi tiêm dưới da, bơm chất độc vào con mồi ở áp suất cao từ tuyến độc nằm trên đầu rắn. Nhưng nhiều loài rắn và loài bò sát có độc khác không có các tuyến ống trong răng nọc của chúng, và vì thế không thể phân phối chất độc kiểu áp lực được. Thường thì răng nọc của chúng có một cái đường rãnh, chạy từ trên xuống dưới.

Thủy động lực học

Van Hemmen và các đồng nghiệp của ông tại Munich, cùng Bruce Young tại trường Đại học Massachusetts muốn tìm hiểu xem những cái rãnh này đã giúp phân phối độc chất như thế nào. Để tiến hành, các nhà nghiên cứu đã vắt một số nọc độc từ một cặp rắn, sau đó trộn nó với những phần nước bọt bằng nhau, như hiện tượng vẫn thường xảy ra. Tiếp theo, họ đo độ nhớt của hỗn hợp nọc độc-nước bọt với những giá trị khác nhau của tốc độ cứa – nghĩa là độ nhớt của chất độc khi nó nằm giữa hai bề mặt đang chuyển động tương đối so với nhau ở một tốc độ nhất định.

Quá trình này làm sáng tỏ một thực tế thú vị về nọc rắn: nó hơi giống với nước sốt cà chua. Không giống như nước, chất chảy đi bất kể lực tác dụng lên nó, nước sốt có độ nhớt kém hơn – hay dễ chảy đi hơn – khi lực kéo tác dụng lên nó tăng lên. Đặc điểm này biến nước sốt thành một chất lỏng “phi Newton tính”.

Nhóm của van Hemmen tin rằng hành trạng phi Newton tính của nọc rắn là cái thiết yếu đối với sự phân phối của nó. Khi chất độc ở trong rãnh răng nanh, chỉ lộ ra trước không khí, sự thiếu lực kéo có nghĩa là nó có độ nhớt cao. Tuy nhiên, khi răng nanh cắn xuyên qua da, thì lực kéo tăng lên, độ nhớt giảm đi, và chất độc có thể chảy tự do.

Sức căng bề mặt giải phóng chất độc

Nhưng không chỉ có thế. Nhóm của van Hemmen còn đo được sức căng bề mặt của hỗn hợp chất độc, một tính chất có tác dụng làm giảm thiểu diện tích và năng lượng bề mặt – bằng cách tạo chất lỏng thành giọt chẳng hạn. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phần mềm máy tính để phân tích năng lượng bề mặt sẽ giảm thiểu như thế nào với những hình dạng răng nọc khác nhau. Nói chung, các nhà nghiên cứu nhận thấy khi răng nọc ở trong không khí, thì sức căng bề mặt giữ chất độc ở trong rãnh. Tuy nhiên, khi răng nọc cắn xuyên qua da thịt, thì các rãnh và mô hình thành nên một dạng hình ống làm tăng diện tích bề mặt và giảm thiểu năng lượng bề mặt, do đó làm giải phóng chất độc.

“Tôi thấy đây là một nghiên cứu rất thú vị”, phát biểu của Wolfgang Wüster thuộc trường Đại học Bangor ở Wales, ông là nhà sinh vật học và là chuyên gia về rắn độc. “Trong nhiều năm qua, các nhà sinh học đã thắc mắc trước chức năng của răng nanh sau có rãnh của nhiều loài rắn. Là một hệ thống phân phối, nó thường bị xem là không hiệu quả... Nghiên cứu mới này cho thấy rằng một cái răng nanh có rãnh thật ra là một hệ thống phân phối chất độc hiệu quả có thể đưa vào chất độc vào vết cắn một cách khá nhanh và hiệu quả”.

Tuy nhiên, Kenneth Kardong, một nhà sinh học người loài bò sát tại trường Đại học Bang Washington ở Pullman, Mĩ, thì không bị thuyết phục rằng các rãnh là nơi phân phối chất độc. Ông cho biết chất bài tiết của loài bò sát là “hỗn hợp hóa chất” có chức năng đa dạng, trong đó có sự tiêu hóa nữa. Mặc dù “cơ sở vật lí trên là thú vị”, ông nói, nhưng các răng nanh có rãnh có lẽ chỉ làm dịch chất lỏng đó đến da của con mồi, và không đưa nó xuống thêm, trực tiếp vào dòng máu trong cơ thể con mồi, nơi nó sẽ phát huy độc tính mạnh mẽ nhất. “Mọi con đường đều dẫn tới La Mã, nhưng không phải mọi chất bài tiết của loài bò sát đều là chất độc”, ông nói.

Cho dù các răng nanh có rãnh có là một hệ phân phối độc chất hiệu quả đi nữa, thì sự tiến hóa cho thấy chúng có lẽ không hiệu quả bằng các răng nanh có tuyến ống của rắn chuông. Hans Sues, một nhà cổ sinh vật học tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên quốc gia Smithsonian ở thủ đô Washington, đã tiến hành những nghiên cứu cho thấy những tuyến ống khép kín đã phát triển từ những răng nanh rãnh hở ở loài bò sát trong kỉ Triass cách đây 200 triệu năm trước. “Một sự chuyển tiếp như vậy đã được nêu giả thuyết từ lâu là những chiếc răng nanh có tuyến ống ở loài rắn phát triển bởi sự gấp nếp trong sự phát triển phôi”, ông nói. “Như vậy, bất kể tính hiệu quả của những rãnh hở, vẫn có sự phát triển những tuyến ống khép kính hoàn toàn”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 106 198103.

Nguồn: http://physicsworld.com/

Nguồn: http://thuvienvatly.com/

Một hành tinh ngoại có thể có sự sống

Một hành tinh đang quay xung quanh một ngôi sao ở cách trái đất 20 năm ánh sáng có thể có những điều kiện thích hợp để dung dưỡng sự sống. Các mô phỏng do một đội nhà khoa học ở Pháp thực hiện cho thấy hành tinh trên, tên gọi là Gliese 581d, có thể chứa nước ở thể lỏng, có những đám mây và mưa rào, ngoài ra còn có gió làm phân bố nhiệt mà nó hấp thụ từ ngôi sao của nó. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận rằng các mô phỏng đó có thể là không đúng và hành tinh trên có ít hoặc không có khí quyển – hoặc thậm chí nó bị tẩm liệm trong một lớp dày hydrogen và helium.

Được quan sát lần đầu tiên hồi năm 2007, một số nhà thiên văn nghĩ Gliese 581d là một hành tinh đá với khối lượng ít nhất bằng bảy lần khối lượng của trái đất, đưa nó vào hàng ngũ “siêu Trái đất”. Nó là một trong 500 hành tinh ngoài hệ mặt trời (hành tinh ngoại) mà các nhà thiên văn đã tìm thấy đang quay xung quanh những ngôi sao khác ngoài Mặt trời của chúng ta. Tuy nhiên, không có hành tinh ngoại nào trong số này tỏ ra vừa giống Trái đất vừa quay bên trong “vùng ở được” của ngôi sao của nó, nơi những điều kiện trên hành tinh vừa đủ thích hợp cho sự sống xuất hiện.

Nay các mô phỏng khí hậu trên Gliese 581d, thực hiện bởi Robin Wordsworth, François Forget cùng các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Động lực Khí tượng học và trường Đại học Bordeaux, cho thấy hành tinh ngoại trên có khả năng có sự sống. Thật vậy, đội nghiên cứu mô tả Gliese 581d là “hành tinh ngoại cỡ địa cầu đầu tiên được phát hiện nằm trong vùng ở được”.

Gliese 581d là một trong sáu hành tinh ngoại được cho là quay xung quanh ngôi sao lùn đỏ Gliese 581. Nó nhận khoảng một phần ba năng lượng mà Trái đất nhận từ Mặt trời và còn có một phía nóng luôn luôn hướng mặt về ngôi sao của nó và một phía tối, lạnh lẽo. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa hai bán cầu gây khó khăn cho hành tinh duy trì bầu khí quyển dày cần thiết cho sự sống.

Các mô hình khí quyển

Wordsworth và đồng nghiệp đã mô phỏng các điều kiện trên Gliese 581d bằng một mô hình khí quyển 3D tương tự như mô hình dùng để nghiên cứu khí hậu của Trái đất. Nghiên cứu này dựa trên cơ sở là hành tinh có khí hậu bị chi phối bởi hiệu ứng nhà kính của carbon dioxide và nước, cái các nhà nghiên cứu nghĩ là một giả thuyết hợp lí vì rằng khí hậu của Kim tinh, Trái đất và Hỏa tinh được xác định bởi những chất khí này. Những mô phỏng thu được cho thấy Gliese 581d có thể có một bầu khí quyển dày – và nó có thể đủ ấm để có các đại dương, các đám mây (cả nước và carbon dioxide) và mưa rào.

Theo các nhà nghiên cứu, một yếu tố then chốt hướng đến sự ở được là màu đỏ của ngôi sao bố mẹ của hành tinh trên. Sự tán xạ Rayleigh trong khí quyển của một hành tinh thường có xu hướng làm phản xạ ánh sáng tới màu xanh trở vào trong không gian. Tuy nhiên, Gliese 581 phát ra ít ánh sáng màu xanh và vì thế hành tinh ngoại trên hấp thụ tỉ lệ phần trăm ánh sáng của ngôi sao của nó nhiều hơn so với Trái đất và Mặt trời. Các mô phỏng của sự đối lưu bên trong khí quyển cho thấy phần lớn lượng nhiệt này có thể được vận chuyển đến phía tối của hành tinh ngoại, có lẽ ngăn không cho khí quyển ở đó hoàn toàn đông đặc.

Nếu những mô phỏng trên là đúng, thì các điều kiện trên Gliese 581d sẽ rất khác với các điều kiện trên Trái đất chúng ta. Bầu khí quyển dày đặc sẽ cho ít ánh sáng đi tới mặt đất, cho nên theo các nhà nghiên cứu, có lẽ hành tinh trên sẽ luôn nhuốm trong ánh đỏ hoàng hôn nhập nhoạng.

Hoặc có lẽ không thích hợp cho sự sống

Tuy nhiên, đội nghiên cứu thừa nhận, các điều kiện trên Gliese 581d có thể rất khác với các điều kiện mô tả trong chương trình mô phỏng. Hành tinh ngoại trên có thể có ít hoặc không có khí quyển, nhờ một cơn gió sao dữ dội từ Gliese 581 thổi đến trong những năm tháng đầu đời của nó. Hoặc Gliese 581d có thể có một lớp dày hydrogen và helium trong khí quyển của nó, đưa đến một bầu khí hậu kém thích hợp cho sự sống hơn nhiều.

Để hiểu rõ hơn khí quyển của hành tinh ngoại trên, đội nghiên cứu lập ra một danh sách những phép đo quang phổ của khí quyển của hành tinh ngoại trên mà họ hi vọng sẽ được thực hiện bởi các nhà thiên văn học trong tương lai. Mặc dù các nhà nghiên cứu tin rừng những phép đo đó nằm ngoài khả năng của những kính thiên văn mặt đất và kính thiên văn vũ trụ ngày nay, nhưng sự gần gũi của hành tinh ngoại trên với Trái đất có nghĩa là những thế hệ thiết bị tiếp theo có thể làm sáng tỏ thêm về Gliese 581d.

Ảnh lớn bên trái là sơ đồ mô hình khí hậu toàn cầu dùng để nghiên cứu Gliese 581d. Vùng tô màu đỏ/xanh thể hiện nhiệt độ bề mặt nóng/lạnh, còn những mũi tên thể hiện tốc độ gió ở độ cao 2 km trong khí quyển. Ảnh bên phải là hình minh họa hành tinh ngoại đang quay xung quanh ngôi sao lùn đỏ của nó. (Ảnh: LMD/CNRS)

Nguồn: http://physicsworld.com/

Nguồn: http://360.thuvienvatly.com/

Triều cường

Bước nhảy

Thư giãn

Hiện tượng thủy triều