Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 12)

NGUỒN GỐC VÀ CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA CUNG DÀI

Cung dài được phát triển một cách độc lập ở một vài quốc gia. Ở Liên hiệp Anh, nó được phát triển đầu tiên bởi người Welsh. Và không nghi ngờ gì nữa, họ đã thực hiện những cải tiến đáng kể trên cấu trúc của nó, không phải từ việc hiểu rõ bất cứ cơ sở khoa học nào phía sau nó, mà chủ yếu từ thử sai.8

Người Anh nhìn thấy tác dụng của cung dài Welsh từ rất sớm. Nó được sử dụng để chống lại họ, ban đầu chủ yếu trong các trận phục kích và đụng độ nhỏ, nhưng cuối cùng trong những trận chiến lớn hơn, ví dụ như trận chiến năm 1402 trong đó người Welsh đã sử dụng nó khá hiệu quả chống lại người Anh. Tất nhiên, đây được xem là một mối quan ngại cho người Anh, và nó cũng khêu gợi sự hiếu kì của họ. Họ sớm sát nhập các cung thủ Welsh vào quân mình và học hỏi kĩ thuật của họ.

Cung dài đầu tiên của Anh được làm từ một mẩu gỗ - thường là gỗ thủy tùng vì nó đặc biệt cứng và đàn hồi. Trở ngại chính là thủy tùng chẳng phải cây gỗ phổ biến và tương đối hiếm ở nước Anh. Do vậy, thỉnh thoảng chúng được làm bằng gỗ đu hoặc gỗ tần bì.

Cán cung được chọn lựa cẩn thận và trải qua một quá trình chế tạo tương đối dài. Người ta bôi dầu và sáp vào cán cung để làm nó chống thấm nước và giúp bảo quản nó. Nó phải tương đối mảnh, và độ dài thì tùy lựa theo cung thủ. Cán cung dài nhất đo được khoảng sáu feet bốn inch, cán cung ngắn hơn thì đo chừng năm feet. Vì có một tương quan trực tiếp giữa độ dài cung và sức mạnh mà cung sinh ra, cung càng dài thì sức mạnh càng lớn. Tại chỗ dày nhất của nó, cán cung có bề dày khoảng hai inch. Lực cần thiết để kéo cung dài ngược đến độ dãn cực đại của nó biến thiên từ khoảng tám mươi đến một trăm hai mươi pound. Độ biến dạng là từ hai mươi chín đến ba mươi hai inch, và người ta sớm rút kinh nghiệm được rằng cung hoạt động tốt nhất khi dây cung được kéo ngược cho đến mắt cung thủ.

 

Một cái cung dài tiêu biểu được sử dụng tại trận Agincourt

 

Một cái cung dài tiêu biểu được sử dụng tại trận Agincourt.

Các mũi tên được làm bằng nhiều loại gỗ đa dạng. Gỗ dương, gỗ dương lá rung, gỗ cơm cháy, gỗ cây liễu, và gỗ bu-lô đều được sử dụng, với độ dài trung bình của mũi tên là khoảng ba feet. Người ta nhanh chóng biết rằng gắn lông chim cặp bên mũi tên giúp mũi tên cân bằng trong khi bay, và lông chim gắn vào thường dài từ bảy đến chín inch, và được dán chặt với mũi tên. Dây cung thường được làm từ sợi gai dầu, nhưng về sau người ta dùng vải lanh và tơ lụa.

Một trong những trở ngại chính đối với cung dài là việc huấn luyện để làm chủ nó. Do cần lực kéo mạnh để kéo nó ngược ra sau, nên cung thủ phải qua huấn luyện khổ nhọc mới sử dụng nó hiệu quả, nhất là trên chiến trường. Do vậy, thanh niên người Anh thường bắt đầu quá trình huấn luyện từ lúc khoảng bảy tuổi. Họ được huấn luyện rộng rãi, và các cuộc thi được tổ chức ở khắp các thôn làng, với những cung thủ giỏi nhất được tuyển cho quân đội. Được làm cung thủ phục vụ quân đội là một đặc lợi, vì cung thủ thường được xem là thuộc tầng lớp quý tộc.

Một cung thủ người Anh được huấn luyện trung bình có thể bắn ra ít nhất mười hai mũi tên mỗi phút và nhắm trúng mục tiêu ở cự li hai trăm yard. Thật vậy, nếu bạn bắn tên ở tốc độ chỉ mười mũi tên mỗi phút, thì bạn bị xem là cung thủ dở.

Ta vừa mới nhìn vào cơ sở vật lí của cung tên ở phần trước, và phần nhiều cái ta đã nói cũng áp dụng được cho cung dài. Tuy nhiên, ta hãy xem xét nó một cách chi tiết hơn. Cơ sở vật lí có liên quan bao gồm cơ học của dây cung và chuyển động bay của mũi tên. Như ta đã thấy, khi cung thủ kéo ngược dây cung là anh ta thực hiện công được dự trữ dưới dạng thế năng. Khi sợi dây được buông ra, thì thế năng này biến đổi thành động năng của mũi tên. Thật ra, một phần thế năng biến đổi thành chuyển động sau cùng của dây cung (một dao động nhỏ), nhưng thường phần này là nhỏ. Cái quan trọng cần lưu ý là đối với một cái cung cho trước, dây bị kéo ngược ra sau càng nhiều, thì thế năng càng lớn. Đây là lí do cung dài có khả năng truyền nhiều động năng hơn cho mũi tên. Nó dài hơn và do đó có khả năng bị kéo ngược ra sau nhiều hơn.9

Tầm xa, hay quãng đường, mà mũi tên đi được, phụ thuộc vào những yếu tố sau đây:

  • Vận tốc ban đầu
  • Trọng lượng của mũi tên
  • Góc mà mũi tên được bắn ra
  • Sức cản của không khí
  • Tác dụng của gió

Ta có thể xác định vận tốc ban đầu của mũi tên bằng cách cân bằng thế năng (F ´ d) của cái cung (với dây cung kéo ngược ra sau) và động năng của mũi tên (½ mv2, trong đó m là khối lượng của mũi tên). Góc ngắm cung có ảnh hưởng mạnh đối với đường đi, hay quỹ đạo, của nó và tầm xa nó đi được. Không khó chứng minh ta thu được tầm xa lớn nhất ứng với góc ngắm bốn mươi lăm độ, nếu bỏ qua sức cản không khí và sức gió. Nhưng như chúng ta sẽ thấy sau này, các biến này cũng quan trọng, và chúng thật sự làm hạn chế tầm bay xa.

Đường đi của mũi tên là một parabol. Đây là đường cong nhìn thấy trong đèn pha xe hơi. Nhưng do bởi sức cản không khí, nó có thể là một parabol hơi méo. Sức cản không khí tác dụng một lực lên mũi tên làm nó chậm dần; đây là kết quả của sự truyền một phần động lượng của mũi tên cho không khí. Có hai loại lực cản tác dụng lên mũi tên: lực cản nhớt và lực cản áp suất. Lực cản nhớt xảy ra vì mũi tên kéo không khí liền kề với nó chuyển động cùng với nó. Thật vậy, nếu bạn có thể khảo sát chặt chẽ mũi tên đang bay, bạn sẽ thấy có một dải lớp không khí xung quanh nó, với lớp gần mũi tên nhất bị kéo theo mạnh nhất, lớp thứ hai bị kéo theo nhẹ hơn một chút, và cứ thế. Lực cản nhớt tỉ lệ với vận tốc của không khí chuyển động ra phía sau mũi tên.10

Lực cản áp suất xảy ra do lực cản nhớt tạo ra các dòng xoáy phía sau nó. Các dòng xoáy này tạo ra một mớ hỗn độn phía sau mũi tên theo cách giống như một con thuyền tạo ra lằn sóng khi nó chuyển động trên nước ở tốc độ cao. Và mũi tên bay càng nhanh, thì hỗn độn càng mạnh và lực cản áp suất càng lớn. Về mặt toán học, lực cản áp suất tỉ lệ với bình phương của vận tốc (v2). Nó tác dụng theo phương vuông góc, đẩy mũi tên sang bên và tạo ra các dao động tần số trong chuyển động bay của nó.

Hơn nữa, khi mũi tên được buông, nó tạo ra một động năng vuông góc. Với cung thủ thuận tay phải, khi mũi tên được buông dây cung hơi dịch chuyển sang trái, làm cho mũi tên uốn cong sang phải. Rồi dây cung bật trở lại sang phải, làm mũi tên chuyển động sang trái. Toàn bộ quá trình này xảy ra trong khoảng thời gian ngắn mà mũi tên vẫn còn gắn với dây cung. Nhưng khi mũi tên rời khỏi cung, dao động nhỏ phải-trái này vẫn tiếp tục diễn ra trên hành trình bay. Nếu cung thủ thuận tay trái, thì dao động có chiều ngược lại.

Lượng dao động phụ thuộc vào độ cứng của mũi tên. Nếu nó khá mềm thì nó sẽ dao động quá mức, thành ra sẽ làm giảm tốc độ của nó và do đó làm giảm sức đâm xuyên. Mặt khác, nếu nó quá cứng thì mũi tên sẽ không dao động, và điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của nó. Vì vậy, mũi tên cần cứng vừa đủ.

Tầm tác dụng của cung dài trong tay của các cung thủ ngày xưa thường vào khoảng hai trăm yard, và ở cự li đó nó dễ dàng đâm xuyên qua áo giáp chuỗi xích mà đa số kị binh sử dụng. Cuối cùng, các tấm chắn thép được áp lên trên chuỗi xích để bảo vệ tốt hơn. Nhưng các mũi tên từ cung dài có thể đâm xuyên qua tấm chắn thép nếu tầm bắn dưới một trăm yard. Tầm xa cực đại của cung dài vào khoảng bốn trăm yard. Lúc bắt đầu trận chiến, các cung thủ thường bắn ra lượng lớn tên lên cao để toán kị binh tiên phong gặp phải hàng nghìn mũi tên từ trên trời rơi thẳng xuống. Sau đó, khi các kị binh tiên phong đến gần hơn, các cung thủ sẽ chọn bắn hạ từng mục tiêu một.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Trần Nghiêm dịch
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Sinh viên Mĩ giải được bài toán electron 60 năm tuổi
14/12/2017
Trong sáu thập niên qua, các nhà khoa học vẫn hằng tìm kiếm một luồng electron ẩn náu ở gần Trái Đất nhưng chưa hề tìm
10 đột phá vật lí của năm 2017
13/12/2017
Tạp chí Physics World của Anh bình chọn các thành tựu quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn là Đột phá của năm
Trump lệnh cho NASA trở lại Mặt Trăng
12/12/2017
Lần cuối các nhà du hành vũ trụ người Mĩ đặt chân lên Mặt Trăng là hồi những năm 1970. Tổng thống Mĩ Donald Trump muốn
Top 10 khám phá thiên văn học (Phần 2)
07/12/2017
6. Sự át trội của vật chất tối Hồi thập niên 1970, Vera Rubin không những đã có một khám phá vũ trụ học đồ sộ, mà trong
Top 10 khám phá thiên văn học (Phần 1)
05/12/2017
Những phát hiện không những làm thay đổi thế giới, mà còn thách thức cách chúng ta nhìn nhận sự tồn tại của mình và vị
Moment từ proton được đo chính xác nhất từ trước đến nay
26/11/2017
Các nhà vật lí ở Đức vừa đo được moment từ của proton đến sai số 0,3 phần tỉ. Giá trị này tốt gấp 11 bậc so với phép
Kiểm tra bản chất lượng tử của lực hấp dẫn
26/11/2017
Bất chấp hàng thập kỉ nỗ lực phấn đấu, một lí thuyết về lực hấp dẫn lượng tử vẫn nằm ngoài tầm với của chúng
Lỗ đen ăn thịt sao và ợ ra tia vũ trụ
26/11/2017
Kịch bản sao lùn trắng bị lỗ đen xé xác có thể giải thích được những cơn mưa tia vũ trụ và neutrino mà chúng ta thấy trên
Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com