Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 36)

Chương 10

CUỘC NỘI CHIẾN NƯỚC MĨ

Các nhà sử học thường xem Nội Chiến Mĩ là cuộc chiến tranh hiện đại thật sự đầu tiên vì nó sử dụng khá nhiều phương pháp và vũ khí mới và được cải tiến đáng kể. Nhiều phát triển quan trọng về vật lí học và vũ khí học đã xảy ra ngay trước và trong cuộc chiến. Mặc dù vũ khí đã được sản xuất với số lượng lớn ở châu Âu trước đó, nhưng việc sản xuất hàng loạt đầu tiên một số vũ khí gây thương vong nhất từng được sử dụng trong chiến tranh diễn ra trong những năm này. Ngoài ra, các phát triển vật lí học và các khoa học khác đã đưa đến công dụng thời chiến của điện báo, máy phát điện, khí cầu trinh thám, các tàu chiếu tốt hơn và to hơn, ngư lôi, và các kính viễn vọng được cải tiến đáng kể.

PHÁT TRIỂN NGÒI NỔ

Súng kíp vẫn được sử dụng bởi nhiều người vào lúc khai màn cuộc chiến. Thế nhưng có một phát minh mới sẽ thay thế nó. Vào năm 1800, Edward Howard, nhà hóa học người Anh, tìm thấy một vật liệu có tính nổ cao gọi là thủy ngân fulminate. Ông hi vọng nó có thể thay thế thuốc súng, nhưng trước sự thất vọng của ông, khi ông thử dùng nó ở súng trường, nó thổi bay nòng súng ra ngoài. Nó nổ quá mạnh.1

Alexander John Forsyth đáng kính xứ Scotland đã tiếp bước khám phá này vào năm 1807. Giống như Howard, ông nghĩ hẳn phải có nhu cầu đối với thuốc nổ mới dùng cho súng. Song ông quan tâm hơn với cơ chế dùng để tống đạn ra, đó là kíp nạp đạn lò xo. Cần một tia lửa để kích hoạt mồi, và mọi thứ không hoạt động tốt trong thời tiết ẩm ướt hoặc những ngày mưa. Ông quyết định thử dùng thủy ngân fulminate là thuốc mồi. Nó có một ưu điểm lớn: nó không cần diêm lửa để làm nó nổ. Thật vậy, nó có thể dễ dàng được làm cho nổ chỉ bằng cách đập một cái búa nhỏ lên nó. Vì thế ông phát triển một dụng cụ nạp đạn lò xo sẽ đập thủy ngân fulminate trong một hộp giấy nhỏ. Hộp giấy được gắn với một cái ống dẫn vào nòng súng. Ngọn lửa từ vụ nổ đi vào ống và đánh lửa thuốc súng thúc đạn vọt ra. Ông cảm thấy hài lòng vì nó vận hành suôn sẻ.

Forsyth và những người khác tiếp tục nghiên cứu hệ thống mới trong vài năm tiếp theo. Trước tiên họ dùng một hộp giấy với thủy ngân fulminate hàn kín giữa hai tờ giấy. Vào năm 1814, những cái ngòi sắt nhỏ được dùng để chứa fulminate, và về sau ngòi sắt được đổi thành đồng. Cuối cùng, một hộp đồng hoặc đồng thau được dùng để chứa cả đạn và thuốc súng.

Hệ thống gõ mới có nhiều ưu điểm: thời tiết không còn là trở ngại nữa, và nó nạp đạn nhanh hơn nhiều và tiện lợi hơn. Thật vậy, chúng ta có thể nói rằng ngòi nổ đã cách mạng hóa súng trường và súng lục. Các kho vũ khí trên khắp thế giới nhanh chóng bắt đầu chuyển từ vũ khí flintlock sang đốt fulminate. Và thật vậy điều này cũng xảy ra ở Mĩ, nhưng mãi cho đến Nội Chiến mới được triển khai.2

Một đột phá quan trọng đã xảy ra, song vẫn còn các vướng mắc. Và một trong các vướng mắc chính liên quan đến việc nạp đạn lại cho súng. Đa số súng trường là đơn nòng và phải nạp đạn lại sau mỗi lần đạn bắn ra. Một số nhà phát minh đã thử dùng các rãnh liền kề nhau, mỗi rãnh một viên đạn, nhưng kiểu này không hoạt động tốt trên chiến trận. Cần thứ gì đó tốt hơn. Và một trong những người đầu tiên thử làm cái gì đó với nó với Samuel Colt.

Mối bận tâm chính của Colt lúc đầu là súng lục. Làm thế nào để có thể bắn ra vài viên đạn nối tiếp nhau? Ông bắt đầu bằng cách chế tạo một mô hình gỗ. Ý tưởng của ông là có một ống trụ xoay vòng với một vài lỗ đạn. Các viên đạn có thể được đặt vào các lỗ ấy, với một trong các viên đạn canh thẳng với nòng, và khi kéo cò thì ống trụ sẽ quay và rồi một lỗ đạn khác, với một viên đạn khác sẵn sàng khai hảo, sẽ canh thẳng với nòng. Cái ông có được là một vài viên đạn trong một ống trụ quay tròn; khẩu súng nổi tiếng nhất của ông có sáu viên đạn.3

Colt trình phát minh mới của ông cho quân đội vào đầu thập niên 1840, ngay trước Nội Chiến, nhưng quân đội chẳng mấy quan tâm đến nó. Dù vậy, ông vẫn xoay xở đủ tiền để lập một nhà xưởng ở Patterson, New Jersey. Song ở giai đoạn này, “súng sáu viên” của ông hãy còn thô sơ, và nó không thành công lắm. Tuy nhiên, ông tiếp tục nghiên cứu về nó, và dần dần giảm số bộ phận trong nó xuống còn bảy.

Cuối cùng, khẩu súng bắt đầu thu hút sự chú ý của những người khác – nhất là biệt đội Texas Rangers. Phát minh của Colt là vũ khí lí tưởng cho những ai trên lưng ngựa. Vào năm 1847, Colt thiết lập một nhà máy nữa cho kiểu súng cầm tay cải tiến mới của ông tại Hartford, Connecticut. Nó là một món vũ khí khẩu độ a.31 tương đối nhẹ so với các kiểu súng lục khác. Chẳng mấy chốc các khẩu súng lục ổ quay mới được xây dựng hàng loạt. Sử dụng các hệ thống phát triển trong thời kì Cách mạng Công nghiệp, ông đã tiêu chuẩn hóa toàn bộ các bộ phận bên trong khẩu súng để các bộ phận từ khẩu này sẽ khớp với mọi khẩu khác, và trong các năm sau đó ông đã sản xuất 325.000 khẩu cả thảy.

Thế nhưng quân đội, dù là về cuối Nội Chiến, chậm khai thác kiểu súng của ông.

ĐẠN CẦU MINIÉ

Ngòi nổ là một bước tiến bộ rất lớn, nhưng trong một khoảng thời gian ngắn sau khi phát triển nó, một phát minh còn quan trọng hơn nữa đã biến súng trường thành một vũ khí gây thương vong hơn nhiều với tầm xa và độ chuẩn xác lớn hơn, và nó khai tử mãi mãi đối với súng trường nòng nhẵn.

Phát triển mới ấy bắt đầu vào năm 1823 ở Ấn Độ khi một viên sĩ quan người Anh, Đại tá John Norton, để ý thấy điều kì lạ. Người Ấn bản xứ sử dụng một cái ống để phóng phi tiêu về phía kẻ địch của họ, và khi họ bắt đầu sẵn sàng phóng, họ bắt đầu bằng cách thổi vào nòng ống. Ông phát hiện thấy họ làm như vậy là để tạo ra một cái bọt sẽ choán đầy nòng ống và làm kín nó, thành ra khi phi tiêu bay ra, lực tác dụng lên nó lớn hơn nhiều.

Vào năm 1836, một thợ rèn súng ở London đã cải tiến ý tưởng của Norton bằng cách chèn một chốt gỗ vào đế viên đạn để nó sẽ dãn ra khi bị bắn. Điều này giúp phần nào, nhưng tiến bộ thật sự xảy đến khi một đại úy quân đội Pháp, Claude Minié, cải tiến thiết kế trên bằng cách sử dụng một đế trụ rỗng. Viên đạn lúc này có hình nón, giống với các viên đạn hiện đại của chúng ta. Mặc dù nó được gọi là đạn tròn Minié, nhưng nó không có hình dạng giống quả cầu. Thoạt đầu, đạn cầu Minié có một đài tròn ở đế, nhưng khi thuốc súng nổ cái đài ép chì ra ngoài lấp đầy nòng súng. Cái đặc biệt quan trọng ở đây là viên đạn bây giờ khớp khít vào các rãnh xoắn trong nòng.4

Các rãnh khoan xoắn ốc đã được sử dụng trong nhiều năm, nhưng để cho khớp khít, đó là yêu cầu cần thiết, viên đạn phải hơi lớn hơn phần bên trong của nòng súng, và nó phải được nạp vào vị trí ngay phía trên bột thuốc súng, và đây là một quá trình chậm chạp. Mặt khác, đạn cầu Minié có thể được nhả vào nòng, và quá trình này diễn ra nhanh hơn nhiều. Và vì đạn Minié bắt khớp với các rãnh buộc nó chuyển động xoáy ốc, và do đó, nó rời nòng súng với tốc độ quay rất cao.

Để thấy vì sao viên đạn xoáy tròn lại mang tính cách mạng như thế, chúng ta phải nhìn vào vật lí học của các vật chuyển động quay. Khi một vật chuyển động quay theo kiểu bất kì, nó quay xung quanh một trục, và trục quay này đòi hỏi một vị thế đặc biệt. Trong trường hợp viên đạn đang bay (bắn ra từ nòng xoắn) có hai chuyển động chúng ta phải xét đến: chuyển động tịnh tiến của nó (cái đem lại cho nó quỹ đạo) và chuyển động quay của nó. Nó có hai chuyển động đồng thời, giống hệt như một quả bóng chày bị đập bay theo đường cong. Cầu thủ giao bóng cố ý cấp cho quả bóng chày một chuyển động quay nhằm làm cong quỹ đạo của nó để nó khó bị đập trúng bởi gậy của đội bạn.

Chúng ta đối phó với một vấn đề chuyển động quay như thế nào? Trước hết, dễ dàng thấy rằng nó quay xung quanh một đường tưởng tượng gọi là trục quay của nó, và chúng ta gọi tốc độ quay tròn của nó là tốc độ góc (hay vận tốc góc, đối với một hướng nhất định). Tốc độ quay thường được đo bằng số vòng trên phút (rpm). Các nhà khoa học còn sử dụng đơn vị khác nữa, nó đặc biệt tiện lợi trong vật lí học. Để định nghĩa, trước tiên chúng ta phải định nghĩa radian là gì; nó bằng 360°/2π, tức là xấp xỉ 57o. Đơn vị radian trên giây được sử dụng phổ biến trong vật lí học.

Vậy làm thế nào để đưa một vật vào chuyển động quay – nói cách khác, làm cho nó quay tròn? Rõ ràng cần một lực tác dụng. Điều này đưa chúng ta trở lại khái niệm quán tính. Hãy nhớ rằng theo định luật Newton thứ nhất, một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều trừ khi bị tác dụng bởi một lực nào đó. Tóm lại, một vật đang chuyển động có quán tính, và nó cần một lực để vượt qua quán tính này. Do đó, quán tính là một loại “sức ì” trước thay đổi. Tương tự như vậy, một vật chuyển động quay có quán tính quay, và nó ưu tiên giữ nguyên quán tính này. Nói chung, nó cần một lực để thay đổi chuyển động. Tuy nhiên, trong trường hợp trên, chúng ta đang giải quyết một chuyển động quay, nên lực là lực chuyển động quay, và chúng ta gọi lực này là moment quay. (Bạn tác dụng moment quay mỗi khi bạn xoay nắm cửa hay mở một nắp chai.)

Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn vào một cái đĩa đang quay tròn, ta dễ dàng thấy rằng “tốc độ thẳng” (ví dụ, feet trên giây) trên các điểm của đĩa không giống nhau. Tốc độ của điểm gần ngoài rìa rõ ràng lớn hơn tốc độ tại một điểm ở gần tâm. Điều này có nghĩa là đối với một vật đang quay tròn tốc độ tại các điểm khác nhau ở trên vật tăng khi khoảng cách đến trục quay tăng lên. Do vậy, lực f bình thường (thẳng), và lực chuyển động quay, hay moment lực, chúng ta kí hiệu nó là τ, có liên quan nhau. Liên hệ này có thể biểu diễn như sau: τ = f × r.

Trở lại với quán tính quay, ta dễ dàng chỉ ra được rằng một vật đang quay tròn ưu tiên duy trì chuyển động quay theo một hướng nhất định. Giả sử bạn có một bánh xe đạp với một tay cầm trên tục của nó sao cho bạn có thể dùng tay mình giữ lên nó. Nếu bạn làm cho bánh xe quay, sau đó bạn cố xoắn ngược nó, bạn sẽ thấy rằng rất khó làm vậy. Tóm lại, bánh xe muốn tiếp tục quay theo chiều cũ. Điều này có nghĩa là một viên đạn quay tròn xung quanh một trục dọc theo hình dạng thuôn dài của nó, và chuyển động theo một hướng nhất định, ưu tiên duy trì hướng chuyển động này. Do đó, chuyển động quay “làm cân bằng” viên đạn trong khi bay. Và đúng vậy, nó còn làm giảm tác dụng của không khí xung quanh lên nó (tức là sức cản của không khí). Do vậy, đạn cầu Minié chuẩn xác hơn nhiều và có tầm xa lớn hơn.

Điều quan trọng nên lưu ý là tác dụng moment lực lên một vật không quay tròn cấp cho nó một gia tốc gốc, trong đó đơn vị của gia tốc góc là radian/s2. Và một lần nữa, mối liên hệ giữa gia tốc thẳng và gia tốc góc được cho bởi công thức α = a/r, trong đó α là gia tốc góc và a là gia tốc thẳng. Cuối cùng, theo kiểu giống vậy, chúng ta có động lượng thẳng, chúng ta còn có moment động lượng, và nguyên lí bảo toàn: tổng moment động lượng của một hệ cô lập giữ nguyên không đổi.

Với một súng trường có bốn đến tám vòng xoắn ốc ở phần trong nòng của nó, mỗi viên đạn Minié sẽ vọt ra với chuyển động quay lên tới hai mươi nghìn vòng trên giây, đem lại cho sự ổn định cực kì trong khi bay so với một viên đạn cầu không quay tròn dùng trong súng hỏa mai.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< 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
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Chốt đáp số cho bài toán bán kính proton
20/09/2019
Vào năm 2010, các nhà vật lí ở Đức báo cáo rằng họ đã thực hiện được phép đo đặc biệt chính xác về kích cỡ proton,
Tranh cãi vẫn chưa dứt về chuyện tìm thấy sóng hấp dẫn
18/09/2019
Nhóm hợp tác giành giải Nobel LIGO vừa công bố một bài báo mô tả chi tiết hơn bao giờ hết về cách nhóm này phân tích các tín
Lần đầu tiên nghe được ‘tiếng khóc chào đời’ của một lỗ đen mới sinh
17/09/2019
Nếu thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vẫn đúng, thì một lỗ đen ra đời từ sự va chạm chấn động vũ trụ của hai
Tìm hiểu nhanh vật lí hạt (Phần 7)
16/09/2019
Nhà nguyên tử luận đầu tiên Cuộc hành trình của chúng ta đã xuất phát từ đâu? Tôi cho rằng “vật lí hạt” đã khởi
Tìm hiểu nhanh vật lí hạt (Phần 6)
16/09/2019
Tìm kiếm mã code Richard Feynman vĩ đại (1918-88), người cùng nhận Giải Nobel Vật lí cho những đóng góp của ông cho triết học
Giải được bí ẩn nhiễm điện do cọ xát
15/09/2019
Đa số mọi người đều từng trải nghiệm cảm giác tóc dựng đứng sau khi cọ xát bong bóng lên đầu mình hay tia lửa xoẹt
Các nguyên tử tăng tốc đến 5000 km/s khi chúng rơi vào siêu lỗ đen
15/09/2019
Các quan sát về chất khí đang bị nuốt vào siêu lỗ đen tại tâm của các quasar đã làm sáng tỏ thêm về cách những vật thể
Phát hiện hơi nước trên một hành tinh đá ở xa
14/09/2019
Các nhà khoa học vừa phát hiện thấy hơi nước trong khí quyển của một hành tinh đá ở cách Trái Đất 110 năm ánh sáng. Tên

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

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