Tại sao cứ hè đến, Tháp Eiffel lại cao lên?

Tòa tháp cao nhất thế giới trong 42 năm

Khi được khánh thành nhân Triển lãm Thế giới Paris vào ngày 31/3/1889, Tháp Eiffel, ban đầu được gọi là Tour de 300m, tức Tháp 300m với tổng chiều cao 312m, trở thành tòa tháp cao nhất thế giới. Theo báo chí Pháp thời điểm đó, hai kỹ sư Maurice Koechlin và Émile Nougier đề xuất gọi tên tháp như vậy với Gustave Eiffel, người giám sát việc xây dựng tòa tháp vì muốn thể hiện ý chí, khát vọng xây dựng một điều gì đó phi thường, một công trình xây dựng lập kỷ lục mới về chiều cao. Và tháp Eiffel đã tự hào giữ vững danh hiệu đó cho đến năm 1931 khi tòa nhà Empire State cao 381m được hoàn thành.

Một trong những lý do khiến Tháp Eiffel luôn luôn lộng lẫy là vì nó thích nghi với môi trường và mọi loại điều kiện thời tiết: gió, lạnh, mưa, tuyết, sương giá, nhiệt độ thay đổi... Giống như bất kỳ kim loại nào, sắt rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và do đó phản ứng với nhiệt độ cao vào mùa hè và nhiệt độ thấp hoặc thậm chí âm vào mùa đông. Từ năm 1889 đến nay, Tháp Eiffel liên tục phát triển và hiện cao 330m, bao gồm cả các ăng-ten được lắp đặt lần lượt trên đỉnh tháp vào các năm 1957, 2000 và 2022 để phát sóng radio và truyền hình.

Nhưng mọi chuyện chưa dừng lại ở đó. Khi nhiệt độ tăng cao trong những tháng mùa hè, Tháp Eiffel thậm chí còn cao hơn. Đây là một hiện tượng vật lý tự nhiên gọi là sự giãn nở nhiệt. Sự giãn nở này cũng khiến tháp nghiêng nhẹ về phía Mặt Trời. Mặt Trời chỉ chiếu vào một trong 4 mặt của tháp, tạo ra sự mất cân bằng với 3 mặt còn lại, vốn vẫn ổn định, do đó khiến Tháp Eiffel bị nghiêng.

Theo cách này, chuyển động của Mặt Trời trong một ngày trời quang có thể khiến đỉnh tháp chuyển động theo một đường cong tròn, đường kính khoảng 15cm. Ngược lại, khi thời tiết mùa đông lạnh giá đến, kết cấu kim loại co lại và tháp cũng có thể mất đi vài milimét!

Có thể nói rằng, những thay đổi này là tự nhiên và cực kỳ nhỏ, không ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu và các du khách cũng hoàn toàn không thể nhận thấy điều này. Mặt khác, gió lớn có thể khiến tháp lắc lư hoặc rung lắc phần nào mà không làm hỏng kết cấu. Vì các kỹ sư tham gia xây dựng Tháp Eiffel đã có 20 năm kinh nghiệm thiết kế cầu cạn kim loại, nên tháp (với hình dạng và các cạnh cong) thực sự được thiết kế để giảm thiểu sức cản của gió…

Vật liệu nở ra và co lại trong gang tấc

Sắt dùng để xây dựng Tháp Eiffel được lấy từ Forges de Pompey. Gustave Eiffel và các kỹ sư của mình đã chọn sắt nung bởi đây là loại vật liệu ông rất am hiểu và đã sử dụng trong các dự án trước đó với kết quả tốt. Vật liệu sắt này có thể chịu được ứng suất cao, cho phép xây dựng một tòa tháp lớn, rất nhẹ và an toàn trước lực gió ngang.

Trọng lượng của tháp là 7.300 tấn, gần bằng trọng lượng của khối lượng không khí chứa bên trong nó - khoảng 6.300 tấn. Tháp Eiffel được thiết kế để trở thành một điểm quan sát chính, đồng thời là cơ sở cho trụ phát thanh, vô tuyến. Bản thân tòa tháp là một cấu trúc lưới tam giác khổng lồ, rất giống với cầu cạn Garabit (cũng do văn phòng của Gustave Eiffel thiết kế) và cầu Forth ở Scotland, cả hai đều cùng thời kỳ.

Tất cả các cấu trúc này đều nở ra khi nhiệt độ vật liệu tăng. Tuy nhiên, không giống như cầu, vốn hoạt động theo cách phức tạp hơn, Tháp Eiffel chủ yếu nở ra và co lại theo chiều thẳng đứng do sự thay đổi nhiệt độ. Hiện tượng này được gọi là sự giãn nở vì nhiệt. Chúng ta biết rằng, hầu hết các chất rắn đều nở ra khi nhiệt độ tăng và co lại khi nhiệt độ giảm.

Điều này là do nhiệt độ tăng làm tăng sự dao động trong các nguyên tử, dẫn đến khoảng cách trung bình giữa chúng tăng lên. Tùy thuộc vào bản chất của liên kết, các loại vật liệu rắn khác nhau sẽ có sự tăng trưởng lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Gốm, sứ và thủy tinh, với liên kết bền hơn, giãn nở ít hơn kim loại và kim loại lại giãn nở ít hơn polyme.

Vậy, làm thế nào để có thể ước tính mức độ chuyển động trong một vật rắn như Tháp Eiffel, nhất là khi các phần tử thẳng  (như trong hầu hết các công trình công cộng và kiến trúc, nơi dầm và thanh chiếm ưu thế) chuyển động tỷ lệ thuận với ba thông số: chiều dài của phần tử, sự thay đổi nhiệt độ của nó và hệ số giãn nở của vật liệu.

Trên thực tế, nhiều vật liệu gốm thường có hệ số giãn nở dao động từ 0,5x10-6 đến 1,5x10-6 (°C)-1, trong khi kim loại dao động từ 5x10-6 đến 30x10-6 (°C)-1, và polyme dao động từ 50x10-6 đến 300x10-6 (°C)-1. Những con số này (có vẻ kỳ lạ, biểu thị sự tăng trưởng của một đơn vị chiều dài chuẩn khi nhiệt độ tăng thêm một độ C.

Các vật liệu giãn nở nhiều nhất là polyme, chúng giãn nở gấp khoảng mười lần so với kim loại, và kim loại giãn nở gấp mười lần so với gốm. Sắt được sử dụng trong Tháp Eiffel và các thành phần thép của nó có hệ số khoảng 12x10-6 (°C)-1, nghĩa là một thanh sắt dài 1m sẽ giãn nở thêm 12x10-6 m khi nhiệt độ tăng thêm một độ. Con số này chỉ là một chục micron, nhỏ hơn độ dày của một sợi tóc người.

Vậy nhiệt có ảnh hưởng đáng kể nào tới công trình không? Chắc chắn là có, nếu chúng ta tính đến hai thông số khác cần xem xét: chiều dài của thanh sắt và phạm vi nhiệt độ tại nơi nó tọa lạc. Chiều dài có thể rất lớn. Tháp Eiffel cao 300m, nhưng cầu cạn Garabit dài 565m và cầu Forth dài hơn 2,5km. Ngày nay, có rất nhiều công trình tuyến tính lớn hơn và sự giãn nở nhiệt cũng ảnh hưởng đến đường ray xe lửa mà nhiều cây cầu được xây dựng để vận chuyển.

Chưa hết, phạm vi thay đổi của nhiệt độ trong lịch sử cũng cần được phân tích. Thủ đô Paris đã ghi nhận nhiệt độ trong hơn hai thế kỷ, với nhiệt độ tối thiểu vào mùa đông dưới -20#C và nhiệt độ tối đa vào mùa hè khoảng 40#C. Chúng ta cũng nên tính đến ảnh hưởng của bức xạ mặt trời bởi kim loại có thể đạt nhiệt độ cao hơn nhiều dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp, thường vượt quá 60#C hoặc 70#C.

Vậy một thanh kim loại đơn giản dài 100m sẽ giãn nở bao nhiêu khi nhiệt độ dao động 100°C  (đây là khoảng nhiệt độ gần đúng mà Tháp Eiffel đã trải qua)? Rất đơn giản, nếu một thanh kim loại dài 1m giãn nở thêm 0,000012m khi nhiệt độ tăng một độ, thì một thanh dài 100m sẽ giãn nở thêm 0,12m khi nhiệt độ tăng 100 độ. Và một thanh dài 300m sẽ giãn nở gấp ba lần: 0,36m, tức 36cm.

Nhưng rõ ràng, một thanh sắt đơn giản không thể vận hành giống như một tòa tháp được làm từ hơn 18.000 thanh sắt và được gắn đinh tán theo mọi hướng. Hơn nữa, mặt trời luôn chiếu sáng một mặt của nó. Điều này có nghĩa là, một mặt của nó nhô ra nhiều hơn các mặt khác, tạo ra một đường cong nhẹ trên tòa tháp, như thể nó đang nghiêng ra xa mặt trời.

Các chuyên gia đã ước tính rằng, Tháp Eiffel thực sự cao thêm từ 12 - 15cm khi so sánh kích thước của nó vào những ngày đông lạnh giá với những ngày hè nóng nực. Và, ngoài việc là một địa danh, địa điểm tham quan nổi tiếng, một tháp truyền thông và một biểu tượng của Paris, Tháp Eiffel còn thực sự là một nhiệt kế khổng lồ.