Mọi Thiết Bị Đo Lường Khoa Học Tinh Xảo Đều Dựa Trên Hai Kỹ Thuỷ Thời Đá Cổ

Con người là loài vật luôn có nhu cầu đo đạc mọi thứ. Chúng ta có sự thôi thúc định lượng thế giới xung quanh và trong hàng thiên niên kỷ, chúng ta đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp mới để làm điều đó. Từ máy đo huyết áp đến máy quang phổ huỳnh quang, có một thiết bị cho mọi thứ bạn có thể nghĩ đến. Và tất nhiên, không đâu sự thật này rõ ràng hơn trong khoa học.

Các nhà vật lý xây dựng các mô hình để giải thích thế giới hoạt động như thế nào, ví dụ như định luật khí lý tưởng: PV = nRT. Để biết mô hình này có chính xác hay không, chúng ta cần thu thập các giá trị thực tế và kiểm tra xem phương trình có thỏa mãn không. Mô hình hóa và đo lường—đó chính là cốt lõi của khoa học.

Ngày nay, chúng ta có những công cụ đo lường khá tinh vi. Nhưng thực tế là, với tất cả những công cụ cool ngầu này, việc đo lường vẫn quy về hai phương pháp cơ bản: so sánh hoặc đếm. Theo nghĩa đó, điều này không thay đổi nhiều so với thời Noah đóng tàu con thoi theo kích thước "cubit" (chiều dài từ khuỷu tay đến đầu ngón tay).

Đo độ dài và Khoảng cách

Hãy bắt đầu với phép đo mà ai cũng từng dùng: độ dài hoặc khoảng cách. Có vẻ đơn giản đúng không? Nếu bạn muốn biết độ dài của một cây bút chì, bạn đặt nó cạnh một thước kẻ. Kết quả là 18,7 cm.

Đo độ dài bằng thước kẻ

Những gì bạn đang làm ở đây là so sánh độ dài của cây bút và độ dài của thước kẻ cạnh nhau. Đây là phương pháp so sánh phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị tương tự (analog).

Một ví dụ hài hước về việc so sánh diễn ra vào năm 1958, khi một nhóm sinh viên MIT quyết định tìm chiều dài của một cây cầu qua sông Charles. Họ đã dùng thành viên thấp nhất nhóm, Oliver Smoot (cao 1,7m), nằm xuống lặp đi lặp lại để đánh dấu vỉa hè. Kết quả, cây cầu dài 364,4 "smoot" (cho hoặc mất một cái tai).

Thời gian và Đồng hồ

Vậy còn thời gian thì sao? Một trong những thiết bị đo thời gian cổ xưa nhất là đồng hồ mặt trời, có dạng hình tam giác gọi là gnomon và một đĩa phẳng có đánh số các giờ.

Đồng hồ mặt trời

Khi mặt trời di chuyển trên bầu trời, cái bóng do gnomon tạo ra sẽ di chuyển. Nhưng làm thế nào để biến cái bóng đó thành thời gian? Chính xác—you đo khoảng cách của cái bóng từ vị trí 12 giờ trưa.

Dưới đây là một chiếc đồng hồ cũ khác hiển thị thời gian theo cách khác:

Đồng hồ kim

Bạn đọc thời gian từ vị trí của các kim. Đó cũng là một phép đo khoảng cách—thông tin được truyền tải bằng khoảng cách kim đã di chuyển quanh mặt số.

Nhiều thiết bị khác cũng đo bằng khoảng cách, như đồng hồ đo lực có lò xo được hiệu chuẩn bên trong. Khi treo một vật lên, lò xo giãn ra tỷ lệ thuận với lực tác dụng, và độ dài giãn cho biết lực kéo bao nhiêu Newton.

Cân đĩa và Khối lượng

Đôi khi chúng ta chỉ thực hiện so sánh mà không cần đo khoảng cách. Hãy xem cân đĩa (balance scale). Bạn đặt khối lượng chưa biết lên một bên và thêm các quả tạ đã biết vào bên kia cho đến khi chúng cân bằng.

Cân đĩa

Tại sao những người thợ mỏ thời cơn sốt vàng lại dùng cân đĩa thay vì cân lò xo nhanh hơn? Bởi vì cân lò xo đo lực hấp dẫn tác động lên vật—đó là "trọng lượng". Khối lượng là một khái niệm khác, là lượng vật chất trong vật. Vì trường hấp dẫn không đồng nhất trên toàn thế giới, phép đo trọng lượng có thể khác nhau tùy nơi. Nhưng cân đĩa sẽ cho cùng một kết quả khối lượng ở bất cứ đâu, vì trọng lực địa phương tác động đều lên cả hai bên.

Đếm và Thiết bị Kỹ thuật số

Nếu bạn muốn mô hình hóa dân số sói và thỏ, bạn sẽ đếm số lượng của chúng chứ không so sánh. Đây là nơi nguyên lý "kỹ thuật số" (digital) xuất hiện.

Dưới đây là một bộ hẹn giờ phòng thí nghiệm cũ đếm từng phần mười giây. Nó không liên tục như kim giây đồng hồ mà chỉ nhận các giá trị rời rạc nhất định. Đó là tính chất chính của thiết bị "kỹ thuật số": giống như đếm trên ngón tay (digits).

Xét một đồng hồ vôn kế kỹ thuật số. Làm thế nào để có được chỉ số điện áp kỹ thuật số? Chúng ta cần một điện áp tham chiếu để so sánh (Comparison!). Sau đó, bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử như điện trở hoặc LED, chúng ta đếm số lượng đèn sáng hoặc xung tín hiệu để xác định điện áp chưa biết.

Khi có thể đo điện áp, chúng ta có thể đo được nhiều thứ khác như nhiệt độ, từ trường hoặc nồng độ CO2. Bí quyết là tìm một thứ có tính chất điện thay đổi phụ thuộc vào môi trường, chẳng hạn như nhiệt trở (thermistor)—một bán dẫn có điện trở thay đổi chính xác theo nhiệt độ.

Tóm lại, bất kỳ ai cũng có thể làm khoa học! Mọi thứ đều quy về việc đếm hoặc so sánh—hoặc cả hai.