Bí ẩn của bánh xe

Dán vào vành bánh xe bò một mẩu giấy màu rồi quan sát nó chuyển động, bạn sẽ thấy một hiện tượng kỳ dị: Khi mẩu giấy chạy xuống phần dưới của bánh xe thì ta trông thấy nó khá rõ rệt, còn khi ở phần trên thì nó quay nhanh đến nỗi ta không thể nhận ra nó nữa.

Khi bánh xe chuyển động tịnh tiến về phía trước, ta có đoạn: AA'->BB'

Thành thử, dường như phần trên của bánh xe chuyển động nhanh hơn phần dưới. Tương tự, quan sát một bánh xe đạp đang chạy, ta cũng thấy những nan hoa ở phía trên hòa lẫn vào với nhau thành một dải liền, còn những nan hoa ở phía dưới thì tách riêng biệt từng cái.

Vậy bí ẩn của hiện tượng này là thế nào? Câu trả lời là, phần trên của bánh xe đang lăn quả thật chuyển động nhanh hơn phần dưới. Tại sao? Mỗi điểm của bánh xe đang lăn đều thực hiện cùng một lúc hai chuyển động: quay quanh trục và tịnh tiến về phía trước. Vì thế, ở đây có sự tổng hợp chuyển động. Kết quả tổng hợp này đối với phần trên và phần dưới của bánh xe không giống nhau. Ở trên thì chuyển động quay thêm vào chuyển động tịnh tiến, trong khi ở dưới thì ngược lại. Chính vì thế, đối với người quan sát thì phần trên của bánh xe chuyển động nhanh hơn phần dưới.            

Để chứng minh điều đó, ta có thể làm một thí nghiệm đơn giản như sau: Cắm một cái gậy xuống đất ngang hàng với trục của một bánh xe đứng yên. Dùng phấn đánh dấu vào mép cao nhất (A) và thấp nhất (B) của bánh xe. Bây giờ, đẩy bánh xe về phía phải một chút để cho trục xe cách cái gậy chừng 20-30 cm và chú ý xem các vết đánh dấu đã di chuyển thế nào. Bạn sẽ thấy dấu A ở trên di chuyển nhiều hơn hẳn dấu B ở dưới (xem hình trên: đoạn AA' > đoạn BB').