Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 51)

RADAR

Radar là một công nghệ khác sử dụng bức xạ điện từ, và, như chúng ta sẽ thấy trong chương 16, nó giữ một vai trò lớn trong Thế chiến II, và nó giữ một vai trò quan trọng trong quân sự kể từ đó. Từ radar thật ra là viết tắt cho Radio Detection và Ranging (Dò tầm bằng sóng vô tuyến). Nói chung, nó được sử dụng vì một hoặc nhiều điều sau đây:

  • Phát hiện vị trí của một vật ở một cự li xa mà không thể nhìn thấy trực tiếp.
  • Phát hiện tốc độ của vật đó.
  • Tạo ra một bản đồ tô-pô của một khu vực mặt đất.

Radar hoạt động nhờ tiếng vọng và cái gọi là Hiệu ứng Doppler.5 Mặc dù đa số mọi người đều quen thuộc với tiếng vọng, nhưng Hiệu ứng Doppler thì ít người biết tới hơn, vì thế tôi sẽ giải thích nó. Mặc dù radar thường sử dụng vi sóng, nhưng khái niệm này dễ hiểu nhất nếu giải thích chúng theo sóng âm. Các hiện tượng liên quan về cơ bản là giống nhau. Và quả thật sóng âm được sử dụng theo cách y như vi sóng cho cái gọi là sonar. Sonar quan trọng đối với tàu ngầm, và chúng ta sẽ bàn cụ thể về nó ở chương tiếp theo.

Bây giờ trở lại với Hiệu ứng Doppler. Như bạn đã biết rõ, sóng âm có một bước sóng, hay tần số, nhất định, y hệt như sóng điện từ. Với điều này trong đầu, bây giờ hãy xét một ô tô đang chạy đến gần bạn với còi xe đang réo. Sóng âm từ ô tô truyền ra xa ở tốc độ âm thanh, nhưng ô tô đang chuyển động, thành ra nó “đuổi kịp” sóng âm đó. Do vậy, sóng âm bị nén lại một chút, và điều này có nghĩa là bước sóng của nó thu ngắn lại (xem hình). Tuy nhiên, khi ô tô chạy qua, bạn trải nghiệm một hiệu ứng ngược lại do bởi hai vận tốc lúc này ngược chiều nhau. Trong trường hợp này bước sóng dài ra do sóng bị kéo dãn. Bởi vậy, bạn để ý thấy khi ô tô đang tiến đến gần, độ cao, hay tần số của nó cao hơn so với khi ô tô đậu tại chỗ, và nó trở nên thấp hơn khi ô tô tiến ra xa bạn. Hiệu ứng được khám phá bởi nhà vật lí Áo Christian Doppler (1803–1853). Nó không chỉ xảy ra với sóng âm, mà với mọi sóng, trong đó có sóng vô tuyến.

Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler. Sóng âm bị nén theo chiều chuyển động và dãn ra theo chiều ngược lại.

Cách chúng ta dùng tiếng vọng để xác định khoảng cách đến một vật thì cũng dễ hiểu thôi. Giả sử bạn biết tốc độ âm thanh trong không khí (xấp xỉ 1.126 foot trên giây), và giả sử bạn đo được thời gian để âm thanh đi tới một vật và dội trở lại, thì khoảng cách đến vật đó có thể được xác định bằng cách chia thời gian bạn đo được cho hai rồi sau đó nhân kết quả với vận tốc âm thanh. Vì thế tiếng vọng cho bạn biết khoảng cách. Song bạn cũng có thể kết hợp thời gian của tiếng vọng với Hiệu ứng Doppler để tính tốc độ của một vật, ví dụ như chiếc ô tô trong ví dụ trước. Trong trường hợp này, giả sử bạn gửi một tín hiệu âm thanh về phía ô tô đang tiến về phía bạn. Một phần sóng âm đó sẽ bị phản xạ bởi ô tô và cuối cùng tạo ra tiếng vọng, nhưng phần lớn sóng âm sẽ tán xạ theo những hướng khác. Sóng âm tán xạ theo những hướng khác có thể bỏ qua. Vậy nên ta sẽ có một tiếng vọng, nhưng đồng thời, vì ô tô đang tiến về phía chúng ta, nên sóng âm sẽ bị nén. Các sóng của tiếng vọng dội lại do đó sẽ có độ cao lớn hơn so với các sóng ban đầu. Nếu bạn đo được sự chênh lệch độ cao của các sóng phản hồi, khi so với các sóng mà bạn gửi đi, thì bạn sẽ có thể xác định chiếc ô tô đang chạy bao nhanh. Và do thời gian của tiếng vọng cho bạn biết khoảng cách, nên bạn có cả tốc độ của ô tô và khoảng cách của nó.

Tuy nhiên, trên thực tế, sóng âm không vận hành tốt lắm. Trước hết, trong đa số trường hợp tiếng vọng sẽ khó phát hiện và đo được. Nó sẽ mờ nhạt và sẽ có rất nhiều nhiễu. Hơn nữa, âm thanh không truyền đi xa lắm trước khi nó tắt mất. Tuy nhiên, vi sóng không gặp vấn đề này, và đây là lí do vì sao chúng được sử dụng trong radar.

Thế nên hãy bố trí một hệ thống radar đơn giản sử dụng vi sóng và nhìn vào nó. Giả sử chúng tôi muốn dùng nó để dò tìm máy bay địch bị ẩn khuất tầm nhìn do sương mù hay mây che. Trước tiên chúng ta phải gửi đi một tín hiệu vi sóng. Hình thức tốt nhất cho tín hiệu này, như chúng ta sẽ thấy, là một xung sóng thật nhanh. Giả sử xung đó kéo dài một micro giây (một phần triệu của một giây); nói cách khác, chúng ta chỉ bật máy phát trong một micro giây. Xung này sẽ rời máy phát và truyền về phía mục tiêu; khi đi tới mục tiêu, nó sẽ va vào mục tiêu, và phần lớn nó sẽ bị phản xạ. Thật vậy, phần lớn xung sẽ bị phản xạ theo những hướng ngẫu nhiên, nhưng một phần nó sẽ phản hồi thẳng về máy phát, và xung phản hồi có thể được dò tìm và khuếch đại. Do vậy, tất nhiên, chúng ta sẽ cần một máy thu, và máy thu này thông thường (không phải luôn luôn) đặt cùng chỗ với máy phát. Vì thế ngay khi máy phát radar gửi đi tín hiệu của nó, nó được tắt đi, và máy thu được bật lên để lắng nghe tiếng vọng. Vì sóng radar truyền đi ở tốc độ ánh sáng, nên chẳng mất bao lâu cho tiếng vọng quay về máy thu. Ngay sau khi thu nhận được, các linh kiện điện tử đo lấy thời gian cần thiết cho chuyển động của nó, và chúng còn đo được độ lệch bước sóng của nó, nói cách khác là độ lệch Doppler của nó. Thông tin này được gửi đến một máy vi tính trong hệ thống tính ra khoảng cách và tốc độ của máy bay đang đến, hoặc bất kì thứ gì đang được dò tìm.6

Một hệ thống radar thật sự có thể dò tìm được nhiều thứ hơn chứ không riêng tốc độ và khoảng cách đến máy bay địch. Nó còn có thể phát hiện cao độ của máy bay và hướng mà nó đang bay. Và máy bay không phải là mục tiêu duy nhất của nó. Người ta có thể sử dụng nó để dò tìm tàu thuyền trên biển, phi thuyền vũ trụ, tên lửa đạn đạo đến từ nước khác (đang bắn vào chúng ta), sự hình thành thời tiết như bão và các hiện tượng khác, và lập bản đồ địa hình. Và bất kể mục tiêu có bị che khuất bởi mây mù hay đa số hiện tượng thời tiết khác. Vì thế radar hiển nhiên là một bộ phận sống còn của bất kì hệ thống phòng thủ nào.

Hãy nhìn kĩ hơn vào dụng cụ, bắt đầu với máy phát. Nó gửi đi các tín hiệu radar vi sóng theo hướng của mục tiêu. Tín hiệu radar bị phản xạ bởi đa số kim loại và sợi carbon; đây là lí do vì sao radar lí tưởng cho việc dò tìm máy bay, tàu thuyền, xe cộ, tên lửa, và vân vân. Tuy nhiên, tín hiệu radar không được phản xạ tốt lắm từ các vật liệu hấp thu radar như các vật liệu chịu lực cao và vật liệu từ tính nhất định, và do vậy, các vật liệu này được sử dụng cho các loại máy bay và xe quân sự để chúng có thể tránh được radar.

Một hệ thống radar đơn giản

Một hệ thống radar đơn giản.

Và còn có những vấn đề liên quan đến máy thu. Chùm tia vi sóng phản xạ thường rất yếu, thế nên máy thu phải khuếch đại nó. Thật vậy, các chùm radar bị tán xạ khỏi mục tiêu theo kiểu giống như ánh sáng bị phản xạ khỏi gương, nhưng có một khác biệt quan trọng. Ánh sáng bình thường có bước sóng rất ngắn, còn vi sóng có bước sóng tương đối dài. Và nếu máy thu radar “nhìn thấy” đúng mục tiêu, thì bước sóng của tín hiệu radar phải ngắn hơn nhiều so với kích cỡ mục tiêu. Các radar lúc mới ra đời sử dụng các tín hiệu bước sóng tương đối dài (trong vùng vô tuyến) và do đó gặp khó khăn trong việc phiên dịch tín hiệu phản xạ. Tuy nhiên, các đơn vị radar hiện đại hơn ngày nay sử dụng các bước sóng vi sóng tương đối ngắn.

Một vấn đề nữa với radar là vi sóng trong khí quyển và cả bên trong dụng cụ có thể tự nhiễu với tín hiệu. Sự nhiễu này lấn át lên tín hiệu radar và phải được làm giảm hay “làm sạch” trước khi tín hiệu phản hồi được phân tích đúng. Các sóng nhiễu có thể đến từ nhà cửa, núi non, và các vật thể khác phản xạ vi sóng.

MỘT KHÁM PHÁ LI KÌ

Vào cuối thập niên 1930, có một điều trở nên hiển hiện là nước Đức đang xây dựng quân đội và có khả năng sẽ mở một cuộc tấn công toàn diện vào nước Anh trong tương lai gần. Và người ta cũng biết rằng người Đức có gần ba nghìn máy bay so với nước Anh chỉ có tám trăm. Bởi lẽ đó, người Anh cho thiết lập một hệ thống rộng khắp gồm các trạm radar, song radar lúc ấy vẫn còn có những trục trặc nghiêm trọng. Nó có công suất thấp và sử dụng sóng vô tuyến không cho ảnh rõ nét. Người Anh cần thứ gì đó tốt hơn, và họ cần có nhanh. Những bước sóng ngắn nhất sẵn có là khoảng 150 centi mét (59 inch) với công suất khoảng 10 watt.7

Nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm. Chẳng mấy chốc người ta để ý rằng một nhà vật lí General Electric, Albert Hall, tại Schenectady, New York, đã phát minh ra một dụng cụ đơn giản ông gọi là magnetron vào năm 1920. Trông nó có vẻ hứa hẹn, song lúc ấy ông không nghĩ ra cho nó được bất kì công dụng nào. Dụng cụ của Hall không phát ra vi sóng, nhưng người ta sớm phát hiện rằng với một chút cải tiến, nó có khả năng tạo ra vi sóng, và, bởi thế, nó thu hút một sự chú ý nhất định. Tuy nhiên, mãi đến cuối thập niên 1930, khi hai kĩ sư ở Anh, Harry Boot và John Randall, quyết định khảo sát thêm về dụng cụ ấy thì người ta mới thật sự thấy kích thích. Dụng cụ trước đó của Hall gồm một cathode (điện cực âm) và một anode (điện cực dương) trong một ống thủy tinh, khá giống với một ống chân không bình thường. Boot và Randall cải tiến nó; họ dùng một thân đồng, nó tác dụng như anode. Nó có hình trụ, cùng với một số khoang hình trụ xung quanh thành trong của nó. Các khoang này mở vào một buồng chân không ở giữa chứa anode. Một nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường chạy song song với trục hình trụ. Cathode được câu với một nguồn cấp cao áp. Nguồn này sản sinh các electron chạy về phía các thành trụ. Tuy nhiên, các electron này bị từ trường làm lệch hướng thành quỹ đạo cong, và điều này làm cho chúng tạo nên những dòng điện tròn nhỏ bên trong các khoang. Các dòng điện này tạo ra bức xạ vi sóng có thể chiếu vào một dụng cụ gọi là bộ dẫn sóng phân kênh nó sang một dụng cụ bên ngoài nơi nó được sử dụng. Điều đặc biệt hay là bước sóng của bức xạ vi sóng liên quan đến kích cỡ của khoang, và do đó có thể điều chỉnh được.

Khi Boot và Randall hoàn thành dụng cụ của họ vào tháng Hai 1940, họ kiểm tra nó và ngạc nhiên thấy nó tạo ra vi sóng với công suất tới gần năm trăm watt – gấp năm mươi lần công suất của các dụng cụ trước đó. Thêm nữa, bước sóng của bức xạ vi sóng đó chỉ là 10 centi mét (3,93 inch), đem lại hình ảnh sắc nét hơn nhiều về các mục tiêu địch. Ngoài ra, dụng cụ cũng đủ nhỏ để cầm vừa trong tay. Họ cảm thấy hả dạ, và trong vài tháng sau đó họ hoàn thiện dụng cụ của mình.

Magnetron hộp cộng hưởng

Magnetron hộp cộng hưởng.

Tuy nhiên, lúc này, chiến tranh đã nổ ra, và nước Anh đang kẹt tiền. Nhưng người Anh cần dụng cụ mới ấy; thật vậy, họ cần một số lượng lớn cho hệ thống phòng thủ radar của họ chống máy bay Đức. Churchill biết rằng nước Anh không thể sản xuất số lượng lớn theo nhu cầu, nhưng nước Mĩ có thể, và ông biết rằng nước Mĩ đang nghiên cứu hệ thống radar của riêng họ và sẽ ngạc nhiên trước dụng cụ mà Boot và Randall nghĩ ra. Vì thế, ông đề nghị Henry Tizard, chủ tịch Ủy ban Nghiên cứu Hàng không, mang magnetron sang Mĩ trao đổi tìm sự hỗ trợ sản xuất nó hàng loạt.

Trong một sứ mệnh bí mật diễn ra vào tháng Chín 1940, Tizard đi Mĩ. Trong một chiếc hộp nhỏ ông mang theo một magnetron có khả năng sinh 500 watt (trong khi magnetron mạnh nhất ở Mĩ khi ấy chỉ có thể tạo ra khoảng 10 watt). Và quả vậy, trong một thời gian ngắn, hai bên đạt được một thỏa thuận. Các viên chức Mĩ sau này mô tả dụng cụ là “kiện hàng có giá trị nhất từng được mang đến bờ biển của chúng tôi.”8

Các nhà khoa học tại Bell Labs đã chế một bản sao của dụng cụ thích hợp cho sản xuất hàng loạt trước khi kết thúc năm 1940, và một phòng thí nghiệm được thành lập tại MIT (Viện Công nghệ Massachusetts) để phát triển một hệ thống radar mạnh hơn sử dụng nó. Trở lại nước Anh, các nhà khoa học tại TRE (Lực lượng Nghiên cứu Viễn thông) đã phát triển một hệ thống radar mới mang tính cách mạng có thể dùng cho máy bay lập bản đồ mặt đất.

Thường được gọi là magnetron hộp cộng hưởng do các khoang cộng hưởng nhỏ bên trong nó, magnetron cho phép dò tìm các vật rất nhỏ, ví dụ như kính tiềm vọng của tàu ngầm. Và vì magneton lúc này đã đủ nhỏ để lắp đặt trên máy bay, nên một đội máy bay có thể dễ dàng phát hiện tàu ngầm địch và phá hủy chúng. Dụng cụ mới còn tỏ ra có giá trị trong việc dò tìm máy bay ném bom Đức đang tiến đến trước khi chúng đến Anh, để Không quân Hoàng gia có thể nghênh đón chúng. Và nó cũng đã cải tiến độ chuẩn xác của những trận đột kích ném bom của phe Đồng Minh lên nước Đức. Điều này sẽ được thảo luận cụ thể hơn nhiều trong chương 16.

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


Mở rộng săn tìm neutrino tại Nam Cực
14/01/2020
Đợt nâng cấp sắp tới cho detector IceCube sẽ đem lại những nhận thức sâu sắc hơn về các neutrino. Nằm sâu dưới lòng đất
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 82)
14/01/2020
Thallium Thành viên bền nặng nhất của nhóm 13 là một nguyên tố hóa học nữa được đặt tên theo màu sắc quang phổ nổi bật
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 81)
14/01/2020
Vàng Mặc dù vàng không phải nguyên tố hiếm nhất hay đắt nhất, nhưng giá trị của nó ít ba chìm bảy nổi hơn các kim loại
Toán học cấp tốc (Phần 6)
11/01/2020
Số hữu tỉ Số hữu tỉ là các số có thể biểu diễn bằng cách chia một số nguyên cho một số nguyên khác khác không. Như
Toán học cấp tốc (Phần 5)
11/01/2020
Các kiểu số Các con số có thể được chia loại thành các kiểu số có chung những tính chất nhất định. Có nhiều cách đưa
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 56)
09/01/2020
NHỮNG TÊN LỬA ĐẦU TIÊN TRONG CHIẾN TRANH Thế chiến II không những chứng kiến động cơ phản lực đầu tiên, mà tên lửa
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 55)
09/01/2020
KHÔNG CHIẾN TẠI ANH QUỐC Không bao lâu sau khi Pháp bị bao vây, Đức chuyển sự chú ý sang Anh, và xảy ra hai tháng sau đó là một
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 76)
06/01/2020
Hiệu ứng Nhà kính 1824 Joseph Fourier (1768–1830), Svante August Arrhenius (1859–1927), John Tyndall (1820–1893) “Bất chấp mọi tin tức

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