Vương miện Vàng

Archimedes có thể đã sử dụng nguyên lý sức nổi này để xác định liệu chiếc vương miện có mật độ nhỏ hơn vàng đặc không.

Giai thoại được biết đến nhiều nhất về Archimedes tường thuật cách ông phát minh ra phương pháp xác định thể tích của một vật thể với hình dạng không bình thường. Theo Vitruvius, một vương miện mới với hình dáng một vòng nguyệt quế đã được chế tạo cho Vua Hiero II, và Archimedes được yêu cầu xác định liệu nó có phải được sử dụng vàng thuần túy, hay đã được cho thêm bạc bởi một người thợ bất lương.[13] Archimedes phải giải quyết vấn đề mà không được làm hư hại chiếc vương miện, vì thế ông không thể đúc chảy nó ra thành một hình dạng thông thường để tính thể tích.Khi đang tắm trong bồn tắm, ông nhận thấy rằng mức nước trong bồn tăng lên khi ông bước vào, và nhận ra rằng hiệu ứng này có thể được sử dụng để xác định thể tích của vương miện. Vì trên thực tế nước không nén được,[14] vì thế chiếc vương miện bị nhúng chìm trong nước sẽ làm tràn ra một khối lượng nước tương đương thể tích của nó. Bằng cách chia khối lượng của vương miện với thể tích nước bị chiếm chỗ, có thể xác định khối lượng riêng của vương miện và so sánh nó với khối lượng riêng của vàng. Sau đó Archimedes nhảy ra ngoài phố khi vẫn đang trần truồng(!), quá kích động với khám phá của mình, kêu lên "Ơ-rê-ca!(Eureka!)" (tiếng Hy Lạp: "εὕρηκα!," có nghĩa "Tôi tìm ra rồi!")[15]

Câu chuyện về chiếc vương miện vàng không xuất hiện trong các tác phẩm đã được biết của Archimedes. Hơn nữa, tính thực tiễn của phương pháp nó miêu tả đã bị nghi vấn, vì sự vô cùng chính xác phải có để xác định lượng nước bị chiếm chỗ.[16] Archimedes thay vào đó có thể đã tìm kiếm một giải pháp sử dụng nguyên lý đã được biết trong thủy tĩnh học như Nguyên lý Archimedes, mà ông miêu tả trong chuyên luận Về các vật thể nổi của mình. Nguyên lý này nói rằng một vật thể bị nhúng trong một chất lỏng sẽ bị một lực đẩy lên tương đương trọng lượng chất lỏng bị nó chiếm chỗ.[17] Sử dụng nguyên lý này, có thể so sánh mật độ của chiếc vương miện vàng với mật độ của vàng khối bằng cách cân chiếc vương miện cùng với một khối vàng chuẩn, sau đó nhúng chúng vào trong nước. Nếu chiếc vương miện có mật độ nhỏ hơn vàng, nó sẽ chiếm chỗ nhiều nước hơn vì có thể tích lớn hơn, và vì thế sẽ gặp lực đẩy lên lớn hơn mẫu chuẩn. Sự khác biệt này trong lực đẩy sẽ khiến chiếc cân mất thăng bằng. Galileo coi nó "có thể là phương pháp này giống phương pháp Archimedes đã sử dụng, bởi, ngoài việc rất chính xác, nó dựa trên những bằng chứng do chính Archimedes đã khám phá."[18]

Vít Archimedes

Vít Archimedes có thể bơm nước lên rất hiệu quả.

Một phần lớn công việc kỹ thuật của Archimedes xuất hiện từ các nhu cầu thực tế của thành phố Syracuse. Tác giả người Hy Lạp Athenaeus của Naucratis đã miêu tả việc Vua Hieron II đặt hàng Archimedes thiết kế một con tàu lớn, chiếc Syracusia, có thể được sử dụng làm phương tiện vận tải xa hoa, mang theo đồ hậu cần, và như một tàu chiến. Chiếc Syracusia được cho là con tàu lớn nhất được chế tạo trong thời cổ đại.[19] Theo Athenaeus, nó có thể chở 600 người gồm cả những đồ trang trí trong vườn, một phòng thể dục và một ngôi đền cho nữ thần Aphrodite cùng các trang bị khác. Bởi chiếc tàu với kích cỡ này có thể sẽ bị rò rỉ một lượng nước lớn qua vỏ, đinh ốc Archimedes đã được chế tạo để loại bỏ nước ở đáy tàu. Cỗ máy của Archimedes là một thiết bị với những lá hình đinh ốc xoay bên trong một hình trụ. Nó hoạt động bằng tay, và cũng có thể được dùng để chuyển nước từ nơi thấp tới các kênh thuỷ lợi. Đinh ốc Archimedes ngày nay vẫn được sử dụng để bơm chất lỏng và chất rắn nhỏ như than và ngũ cốc. Đinh ốc Archimedes đã được miêu tả ở thời La Mã cổ đại bởi Vitruvius có thể là một sự cải tiến của bơm đinh ốc từng được dùng để tưới tiêu cho Vườn treo Babylon.[20][21][22]

Móng vuốt Archimedes

Móng vuốt Archimedes là một vũ khí được cho là do ông thiết kế ra để bảo vệ thành phố Syracuse. Cũng được gọi là "kẻ làm đắm tàu," móng vuốt gồm một cánh tay kiểu cần cẩu với một móc tóm lớn bằng kim loại treo ở đầu. Khi móng được ném vào tàu địch cánh tay sẽ đưa lên, nhấc tàu khỏi nước và có thể làm đắm nó. Đã có những thực nghiệm thời hiện đại để thử tính năng của móng vuốt, và một bộ phim tài liệu năm 2005 với tựa đề Siêu vũ khí ở thế giới cổ đại đã chế tạo một phiên bản của móng vuốt và kết luận rằng nó là một thiết bị có thể hoạt động.[23][24]

Tia chiếu của Archimedes

Archimedes có thể đã sử dụng những chiếc gương hoạt động như một thiết bị phản xạ parabol để đốt cháy những con tàu tấn công Syracuse.

Vào Thế kỷ II tác gia Lucian đã viết rằng trong cuộc Bao vây Syracuse (khoảng 214–212 trước Công Nguyên), Archimedes đã dùng lửa đốt cháy các tàu chiến địch. Nhiều thế kỷ sau, Anthemius của Tralles đã đề cập tới những gương đốt cháy như vũ khí của Archimedes.[25] Thiết bị này, thỉnh thoảng được gọi là "tia chiếu của Archimedes", đã được dùng để hội tụ ánh mặt trời vào những con tàu đang tiếp cận, khiến chúng bắt lửa.

Vũ khí nổi tiếng này đã là chủ đề của những cuộc tranh luận về khả năng của nó từ thời Phục Hưng. René Descartes coi đây là một sai lầm, trong khi những nhà nghiên cứu hiện đại đã tìm cách tái tạo hiệu ứng này bằng những phương tiện có sẵn trong thời Archimedes.[26] Mọi người cho rằng một mạng lưới các tấm đồng hay đồng thau được đánh bóng đã được sử dụng để hội tụ ánh mặt trời vào một con tàu. Cách này sử dụng nguyên lý hội tụ parabol theo một cách tương tự với lò mặt trời.

Một cuộc thử nghiệm tia chiếu của Archimedes đã được tiến hành năm 1973 bởi nhà khoa học Hy Lạp Ioannis Sakkas. Cuộc thử nghiệm diễn ra tại căn cứ hải quân Skaramagas bên ngoài Athens. Lần này 70 chiếc gương đã được sử dụng, mỗi chiếc có một lớp phủ đồng với kích thước khoảng 5x3 feet (1.5 x 1 m). Những chiếc gương hướng vào một miếng gỗ dán giả làm một tàu chiến La Mã ở khoảng cách khoảng 160 feet (50 m). Khi những chiếc gương được đặt chính xác, con tàu bốc cháy chỉ sau vài giây. Con tàu gỗ dán có một lớp sơn phủ nhựa đường, có thể đã góp phần vào sự cháy.[27]

Tháng 10 năm 2005 một nhóm sinh viên từ Viện Công nghệ Massachusetts đã tiến hành một thực nghiệm với những 127 chiếc gương vuông 1 foot vuông (30 cm), chiếu vào một con tàu gỗ ở khoảng cách khoàng 100 feet (30 m). Lửa bốc lên ở một phía của con tàu, nhưng chỉ khi trời không có mây và con tàu đứng yên trong khoảng 10 phút. Mọi người kết luận rằng đó có thể là một loại vũ khí ở những điều kiện như vậy. Nhóm MIT đã lặp lại thực nghiệm cho chương trình TV MythBusters, sử dụng một chiếc tàu câu cá bằng gỗ tại San Francisco làm mục tiêu. Một lần nữa một số điểm cháy than xuất hiện, cùng với một ít lửa. Để có thể bắt lửa, gỗ cần đạt tới điểm cháy, khoảng 300 độ Celsius (570 °F).[28]

Khi chương trình MythBusters phát sóng kết quả cuộc thực nghiệm ở San Francisco tháng 1 năm 2006, kết luận được đưa ra là "busted" (không đúng) bởi độ dài thời gian và các điều kiện thời tiết lý tưởng cần có để sự cháy xảy ra. Họ cũng chỉ ra rằng bởi Syracuse hướng mặt phía đông ra biển, hạm đội La Mã sẽ phải bị tấn công vào buổi sáng để những chiếc gương có được độ hội tụ ánh sáng cao nhất. MythBusters cũng chỉ ra rằng các loại vũ khí quy ước, như tên lửa hay bát lửa từ máy phóng, có thể dễ dàng hơn nhiều để đốt cháy một con tàu ở những khoảng cách gần.[29]

Các phát minh và sáng tạo khác

Tuy Archimedes không phát minh ra đòn bẩy, ông đã đưa ra một giải thích về nguyên lý trong tác phẩm Về sự cân bằng của các hành tinh của mình. Những miêu tả trước đó về đòn bẩy có trong trường phái Peripatetic của những học trò của Aristotle, và thỉnh thoảng được gán cho Archytas.[30][31] Theo Pappus của Alexandria, những công việc của Archimedes về đòn bẩy khiến ông phát biểu: "Hãy cho tôi một điểm tựa và tôi sẽ nhấc bổng cả Trái Đất." (tiếng Hy Lạp: δῶς μοι πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω)[32] Plutarch đã miêu tả cách Archimedes thiết kế các hệ thống puli khối và dây cho phép các thuỷ thủ sử dụng nguyên lý đòn bẩy để nhấc những vật bình thường là quá nặng để di chuyển với họ.[33] Archimedes cũng được gán thành tích cải thiện công suất và độ chính xác của máy bắn đá, và với việc phát minh ra đồng hồ đo trong Chiến tranh Punic lần thứ nhất. Đồng hồ đo được miêu tả như một chiếc xe với cơ cấu bánh xe nhả một quả bóng vào trong một thùng chứa sau mỗi dặm đi được.[34]

Cicero (106–43 trước Công Nguyên) đã miêu tả Archimedes trong một đoạn ngắn trong cuốn đối thoại De re publica của mình, thể hiện một cuộc đối thoại tưởng tượng diễn ra năm 129 trước Công Nguyên. Sau khi Syracuse bị chiếm khoảng 212 trước Công Nguyên, Tướng Marcus Claudius Marcellus được cho là đã mang về thành Roma hai cơ cấu được dùng trong thiên văn học, thể hiện sự chuyển động của Mặt trời, Mặt Trăng và năm hành tinh. Cicero đã đề cập tới những cơ cấu tương tự do Thales của Miletus và Eudoxus của Cnidus thiết kế. Đối thoại nói rằng Marcellus giữ một trong hai thiết bị như của cải duy nhất của mình ở Syracuse, và hiến chiếc kia cho Đền Đức hạnh tại Roma. Cỗ máy của Marcellus, theo Cicero, đã được Gaius Sulpicius Gallus giới thiệu với Lucius Furius Philus, người miêu tả nó:

Hanc sphaeram Gallus cum moveret, fiebat ut soli luna totidem conversionibus in aere illo quot diebus in ipso caelo succederet, ex quo et in caelo sphaera solis fieret eadem illa defectio, et incideret luna tum in eam metam quae esset umbra terrae, cum sol e regione. — Khi Gallus làm chuyển động quả địa cầu, Mặt Trăng đi theo Mặt trời bằng nhiều vòng xoay trên thiết bị bằng đồng đó như nó đang ở trên bầu trời, trên đó Trái Đất của Mặt trời cũng có cùng kiểu nhật thực và Mặt Trăng đi vào điểm nơi nó phủ bóng lên Trái Đất, khi Mặt trời thẳng hàng.[35][36]

Đây là một đoạn miêu tả một mô hình vũ trụ hay cung thiên văn. Pappus của Alexandria nói rằng Archimedes đã có một bản viết tay (hiện đã mất) về việc chế tạo các cơ cấu đó với tựa đề Về việc chế tạo các Mặt cầu. Nghiên cứu hiện đại trong lĩnh vực này đã tập trung vào cơ cấu Antikythera, một thiết bị khác từ thời cổ đại có lẽ đã được thiết kế với cùng mục đích. Việc chế tạo các cơ cấu kiểu này đòi hỏi một sự hiểu biết tinh vi về bánh răng vi sai. Thiết bị này từng được cho là vượt khỏi phạm vi kỹ thuật của các thời cổ đại, nhưng việc phát hiện ra cơ cấu Antikythera năm 1902 đã xác nhận rằng các thiết bị kiểu đó đã được người Hy Lạp cổ đại biết tới.[37][38]