VÌ SAO MŨI TÊN BAY ĐƯỢC?
Bài toán phức tạp nhất đối với động lực học Aristotle là chuyển động của một vật bị ném đi. ''Khi một vật không tự mình chuyển động mà bị đưa vào trạng thái chuyển động bởi tác động của vật khác thì một câu hỏi được đặt ra là làm thế nào mà một số vật, như vật bị ném đi, lại có thể chuyển động liên tục khi không còn sự tiếp xúc với vật gây chuyển động? Ví dụ hòn đá đã rời khỏi tay ném, mũi tên đã rời dây cung... Aristotle giải thích: đó là nhờ không khí. Không khí cũng chuyển sang trạng thái chuyển động vì nhận tác động của dây cung và của bản thân mũi tên''. Lối giải thích này đã trở thành chỗ yếu nhất trong lý thuyết của ông. Ngay từ thế kỉ VI Simplicius đã vặn lại:
“Nếu ta nói rằng người xạ thủ bắn quả đạn đã truyền cho không khí một chuyển động không đổi thì tại sao không thể nói rằng chuyển động đó được truyền cho chính quả đạn, viện dẫn đến không khí nữa mà làm gì? Nhà triết học và thần học Hi Lạp John Philoponus (thế kỉ V - VI), khi bình luận cuốn ''Vật lý học'' của Aristotle còn vạch ra những sai lầm rõ rệt hơn ''Nếu như vật chuyển động là nhỏ có sức đẩy của không khí từ phía sau, thì mũi tên có đuôi vót nhọn phải chuyển động chậm hơn so cái có đuôi tù. Thế nhưng thực tế thì ngược lại. Vì sao vậy? Và tại sao hòn đá lại ném đi xa hơn cái lông chim?''. Ông nhận xét tiếp: “Lại nữa, nếu dây cung với mũi tên, bàn tay với hòn đá... tiếp xúc trực tiếp nhau thì hỏi còn chỗ nào cho luồng không khí len vào mà đẩy vật? Nếu luồng khí đi tới từ hai bên xung quanh mà không phải là nằm ngay trên đường chuyển động của vật thì nó liên quan gì tới vật được ném đi? Từ các lý lẽ như vậy, người ta thấy rõ rằng các vật bị dẫn động bởi lực không thể tiếp tục chuyển động theo cách Aristotle mô tả, mà đúng hơn có thể quan niệm rằng: người ném đã truyền cho vật một động lực phi vật thể nào đó, còn không khí mà vật xô đẩy đã chẳng thêm thắt được gì (hay nếu có chỉ rất ít) vào chuyển động của vật”.
Trong thư tịch Trung thế kỉ, cái ''động lực phi vật thể'' mà Philoponus đề cập có tên là ''impetus'' (tiếng Latinh có nghĩa là ''sức ép'', ''cú thúc tiến về trước''... ở đây ta dịch là xung lực hoặc nội lực). Khái niệm này trở nên phổ biến nhờ các công trình của nhà bác học Pháp Jean Buridan (khoảng 1300 - khoảng 1358) hiệu trưởng trường Đại học tổng hợp Paris. Trong chuyên luận ''Các câu hỏi xung quanh tám cuốn sách “Vật lý học” của Aristotle'', phần về chuyển động của các vật bị ném đi, Buridan khẳng định: ''Tôi có cảm tưởng Aristotle đã sai lầm''. Ông dẫn lại, các luận cứ của Philoponus và bổ sung những nhận xét mới (như việc con quay hay hòn đá quay mà vẫn không rời vị trí do đó chuyển động của chúng không thể giải thích bằng tác động của không khí). Buridan kết luận: ''Theo quan điểm của tôi, vật phát động khi làm cho một vật nào đó chuyển động, đã đưa vào nó một xung lực nhất định tác dụng cùng chiều với hướng di chuyển của vật theo Buridan xung lực này trong vật sẽ liên tục suy giảm bởi sức cản của không khí và chuyển động của hòn đá sẽ chậm dần...''Rốt cuộc sức nặng của hòn đá sẽ thắng thế và sẽ định hướng cho hòn dá trỏ về vị trí tự nhiên của nó''.
Khái niệm xung lực từng đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển các khái niệm vật lý, trong đó có sự ra đời các khái niệm nền tảng của vật lý hiện đại như xung lượng và động năng.
Giữa lúc ấy sự phát triển của kĩ thuật quân sự đòi hỏi phải biết tính toán đường bay của viên đạn pháo. Trong vấn đề này vật lý học Aristotle tỏ ra bất lực. Cũng thời ấy bức tranh thế giới nhật tâm của Copernic đã hạ bệ lý thuyết địa tâm. Toàn bộ vật lý học Aristotle bị lật đổ tận gốc rễ. Thời đại mới đòi hỏi một bước nhảy vọt về chất trong hệ thống các quan niệm về động lực học và các phương pháp mô tả chuyển động. Cần phải hiểu rằng không có thực nghiệm cũng như không sử dụng công cụ toán học thì không thể nào tiếp tục phát triển vật lý học. Người đầu tiên ý thức được đầy đủ điều này là nhà bác học Italia Galileo Galllei (1564 - 1642). Ông từng viết: ''Cuốn sách Tự nhiên được viết bằng ngôn ngữ của toán học'' và theo lời ông trong cơ học cũng như các bộ môn khoa học khác, ở đâu mà các chứng minh toán học được vận dụng để lý giải các định luật của Tự nhiên thì những nguyên lý cơ bản cần phải được xác nhận bằng thực nghiệm mà các giác quan cảm thụ được''.
TẠI SAO HÒN ĐÁ BAY XA HƠN CHIẾC LÔNG CHIM?
Nếu như có ai đó hỏi rằng tại sao khi ném đi, hòn đá lại bay xa hơn chiếc lông chim, và cục sắt, hòn chỉ lại bay xa hơn mẩu gỗ,... có kích thước tương tự, tôi sẽ trả lời rằng nguyên do là ở chỗ lượng vật chất chứa trong vật ném càng lớn thì xung lực (impetus) mà vật nhận được cũng càng lớn. Mà lượng vật chất nguyên thuỷ chứa trong một vật đặc và nặng với những điều kiện còn lại đều giống nhau thì nhiều hơn ở vật xốp và nhẹ. Vật đặc và nặng nhận được nhiều xung lực hơn, giống như trường hợp sắt có thể thu được nhiều nhiệt hơn so với mẩu gỗ tương đương. Đây cũng là lý do vì sao khó hãm dừng một hòn đá mài to và đang quay nhanh so với hãm hòn nhỏ hơn: rõ ràng là với những điều kiện khác giống nhau, trong hòn đá lớn chứa nhiều xung lực hơn.
J. Buridan
XUNG LỰC VÀ QUẢ ĐẠN ĐẠI BÁC
Thời Trung thế kỉ thuyết xung lực (nội lực) được sử dụng rộng rãi trong bài toán chuyển động của đạn thần công đá. Nhà triết học, nhà bách khoa, kiêm bác sĩ và nhà văn Ba Tư và Trung Á là Abu Ali ibn Sina (hay tên Latinh hoá là Avicenna) (khoảng 980 - 1037) cho rằng: quả đạn sau khi nhận được xung lực từ máy phóng sẽ chuyển động, lúc đầu theo đường thẳng. Chuyển động này sẽ còn tiếp tục đến khi xung lực mà nó nhận được bị tiêu tán hết. Quả đạn sẽ dừng lại trong khoảnh khắc và sau đó sức nặng tự nhiên của quả đạn sẽ buộc nó rơi tự do xuống phía dưới theo chiều thẳng đứng.
Vào thế kỉ XIV, học trò của Jean Buridan là Albert xứ Saxony đã đề xuất lý thuyết cho phép mô tả chính xác hơn chuyển động của các viên đạn thần công. Theo đó đường bay của viên đạn bao gồm ba giai đoạn: Thoạt tiên xung lựa nhận được sẽ buộc quả đạn chuyển động theo hướng bắn (giai đoạn một). Tiếp đó xung lực yếu dần và sức nặng tự nhiên khiến quả đạn ngày một đi chệch dần về phía dưới so với phương bắn ban đầu, quỹ đạo có dạng đường cong (giai đoạn hai). Cuối cùng khi xung lực ban đầu đã tiêu hết, quả đạn sẽ rơi thẳng từ trên xuống dưới (giai đoạn ba). Mỗi pha hay giai đoạn chuyển động kể trên đã từng được khắc trên một bức phù điêu theo sự hình dung của các kĩ sư vũ khí thời Trung thế kỉ.
Bước tiếp theo trong việc phát triển lý thuyết bay của đạn pháo được thực hiện bởi nhà bác học và cơ học Italia Niccolo Tartaglia (khoảng 1499 - 1557). Một người bạn là sĩ quan pháo binh đặt cho ông bài toán: ''Phải đặt nòng súng chếch bao nhiêu để đạn đi xa nhất?''.
Tartagli xác định được đó là góc 45o tuy chưa bắn bao giờ và cũng không đưa ra bất cứ chứng minh nào, nhưng có ''làm một số thí nghiệm riêng lẻ để bạn tôi tin tưởng sự việc diễn ra đúng như thế''.
Năm 1537 cuốn sách ''Môn khoa học mới'' của Tartaglia ra đời, mà hai phần đầu dành cho nghiên cứu chuyển động của các quả đạn. Nhưng các kết luận quan trọng hơn dựa trên các quan trắc kĩ lưỡng hơn, được ông trình bày trong cuốn sách khác vào 9 năm sau: ''Các vấn đề đặt ra và những sáng chế phát minh''. Trong đó ông đã hoàn toàn bác bỏ đoạn đường thẳng trên quỹ đạo hòn đạn mà các lý luận gia về xung lực đều nói đến. ''Chuyển động cưỡng bức của một vật có trọng lượng không đổi được ném đi theo hướng không vuông góc với phương nằm ngang, không bao giờ có trên quỹ đạo của mình một đoạn thẳng hoàn toàn''. Đó là kết luận của Tartaglia. Tuy nhiên cũng phải mất thêm 100 năm nữa người ta mới xác lập được dạng của quỹ đạo này trên cơ sở những khái niệm về động lực học do Galilei phát triển.
