Lon nước ngọt có đáy lõm hình vòm vì hình vòm chịu được áp suất khí ga bên trong tốt hơn một mặt phẳng, cho phép dùng lớp nhôm mỏng hơn, và còn giúp những chiếc lon xếp chồng lên nhau khít hơn. Chai nhựa đựng nước có ga thì có đáy năm cánh như bông hoa, để vừa chịu được áp suất vừa đứng vững trên mặt bàn.
Chào bạn, đây là Nhà Phát Minh. Chuyên mục đọc ngược một vật hôm nay mình lật ngược hai thứ bạn cầm trong tay gần như mỗi tuần, chiếc lon và chiếc chai, để xem những người thiết kế bao bì đã giải bài toán gì mà không ai nhìn thấy.
Bài toán: nhốt khí ga trong một vỏ thật mỏng
Nước ngọt có ga được nạp khí dưới áp suất. Khí đó muốn thoát ra, đẩy mạnh vào mọi mặt của vỏ đựng. Bạn nghe tiếng xì khi mở nắp, đó là khí đang được giải phóng.
Người thiết kế lon và chai đứng trước hai đòi hỏi kéo ngược nhau. Vỏ phải đủ chắc để giữ áp suất, không phồng, không nổ, kể cả khi để ngoài nắng hay rơi xuống đất. Nhưng vỏ cũng phải mỏng nhất có thể, vì mỗi chút vật liệu nhân với một con số khổng lồ lon chai sản xuất ra là một khoản tiền và một lượng tài nguyên rất lớn.
Lời giải không nằm ở vật liệu đắt hơn, mà nằm ở hình dạng. Cùng một lượng vật liệu, hình dạng khác nhau chịu lực rất khác nhau.
Nếu bạn có một lon nước bên cạnh, hãy lật ngược nó lên trong lúc nghe tập này.
Đáy vòm: bài học từ những mái vòm cổ
Đáy lon không phẳng mà lõm vào trong thành hình vòm. Nếu đáy phẳng, áp suất bên trong sẽ đẩy nó phồng ra ngoài, làm lon không đứng vững, và muốn chống lại thì phải làm đáy rất dày.
Hình vòm chịu lực theo một cách khác. Áp lực tác động lên vòm được phân tán dọc theo đường cong ra mép, thay vì dồn vào giữa. Đó cũng là lý do những mái vòm và cây cầu vòm bằng đá đứng vững hàng trăm năm mà không cần cốt thép.
Nhờ đáy vòm, lớp nhôm ở đáy lon có thể mỏng hơn nhiều so với một đáy phẳng chịu cùng áp suất. Và vòm lõm vào trong, nên lon đứng trên một vành tròn ở mép, vững vàng trên bàn.
Còn một cái lợi nhỏ: vành đáy của lon trên vừa khít với phần miệng thu nhỏ của lon dưới, giúp những chồng lon trong kho và trên kệ xếp gọn, ít trượt.
Vì sao lon chưa mở cứng mà lon rỗng bóp méo dễ
Bạn có bao giờ để ý: một lon nước có ga chưa mở cầm rất cứng, bóp không lún. Nhưng uống hết rồi, bạn bóp nhẹ là méo. Lớp nhôm vẫn vậy, thứ thay đổi là áp suất bên trong.
Khi lon còn đầy và kín, khí ga đẩy căng thành lon từ bên trong, giống như không khí làm căng một quả bóng. Chính áp suất đó làm lon cứng cáp. Thành lon thật ra mỏng tới mức nếu không có áp suất bên trong, nó rất dễ bị móp.
Người thiết kế đã dùng chính kẻ thù làm đồng minh. Áp suất khí ga, thứ đòi hỏi vỏ phải chắc, lại cũng là thứ giúp vỏ mỏng trở nên chắc khi đang chứa nước.
Phần cổ lon cũng có một chi tiết thông minh. Nó thu nhỏ lại ở trên cùng, nên chiếc nắp nhỏ hơn thân lon. Nắp lon phải dày và chắc hơn thân để chịu lực khi mở, nên làm nắp nhỏ đi là tiết kiệm được vật liệu đáng kể.
Chai có ga đáy năm cánh, chai không ga đáy phẳng
Giờ lật chiếc chai nhựa đựng nước có ga lên. Đáy của nó không tròn trơn, mà có năm múi lồi ra như năm cánh hoa, với những rãnh lõm vào giữa các cánh.
Nhựa mềm hơn nhôm nhiều. Nếu chỉ làm đáy chai thành một vòm tròn lồi ra ngoài để chịu áp suất, chai sẽ không đứng được, lăn lóc như quả trứng. Nếu làm vòm lõm vào trong như lon nhôm, nhựa mềm dễ bị áp suất đẩy phồng ra.
Đáy năm cánh là một lời giải ở giữa. Mỗi múi là một vòm nhỏ lồi ra, chịu áp suất tốt. Đầu năm múi tạo thành năm chân đứng vững trên mặt bàn. Những rãnh giữa các múi giúp phân tán lực và giữ hình dáng đáy.
So với chai nước khoáng không có ga, bạn sẽ thấy khác biệt ngay. Chai không ga thường có đáy gần phẳng và thành mỏng có những đường gân vòng quanh. Không có áp suất để chống lại, những đường gân đó chủ yếu giúp chai cứng hơn khi cầm, không bị bóp méo dễ dàng, dù dùng rất ít nhựa.
Bài học: hình dạng rẻ hơn vật liệu
Chiếc lon và chiếc chai dạy một bài học mà người làm sản phẩm nào cũng nên nhớ: trước khi làm dày hơn, làm chắc hơn bằng vật liệu tốt hơn, hãy thử đổi hình dạng.
Một tờ giấy phẳng không đứng được. Gấp thành nếp như chiếc quạt, nó đỡ được cả một quyển sách nhỏ. Cùng tờ giấy đó, chỉ khác hình dạng.
Những thứ quanh ta được sản xuất với số lượng khổng lồ, như lon, chai, hộp, khay, thường là nơi hình dạng được tối ưu kỹ nhất, vì mỗi chút vật liệu tiết kiệm được nhân lên rất nhiều lần. Chúng là những bài giảng miễn phí về kỹ thuật, nằm ngay trong tủ lạnh nhà bạn.
Lần tới cầm một lon nước, hãy lật nó lên nhìn đáy một chút trước khi uống. Bạn đang cầm trong tay kết quả của rất nhiều lần tính toán để một lớp kim loại mỏng hơn tờ giấy bìa giữ được cả một cơn bão khí ga nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đáy lon nước ngọt lõm vào trong?
Đáy hình vòm lõm chịu áp suất khí ga tốt hơn đáy phẳng, cho phép dùng lớp nhôm mỏng hơn, giúp lon đứng vững trên vành đáy và xếp chồng khít hơn.
Vì sao lon nước chưa mở cứng hơn lon đã uống hết?
Khí ga bên trong lon kín đẩy căng thành lon từ bên trong, làm lớp nhôm mỏng trở nên cứng. Khi mở và uống hết, không còn áp suất nên lon dễ bị bóp méo.
Đáy chai nước có ga hình cánh hoa để làm gì?
Các múi lồi như những vòm nhỏ chịu áp suất khí ga, đầu các múi làm chân để chai đứng vững. Đây là lời giải cho vật liệu nhựa mềm hơn nhôm.
Vì sao chai nước khoáng không ga có nhiều đường gân?
Không có áp suất bên trong để làm cứng, các đường gân giúp thành chai mỏng cứng hơn khi cầm, không bị bóp méo dễ, trong khi vẫn dùng rất ít nhựa.
Vì sao miệng lon nhỏ hơn thân lon?
Nắp lon cần dày và chắc hơn thân để chịu lực khi mở. Thu nhỏ cổ lon giúp nắp nhỏ đi, tiết kiệm được đáng kể vật liệu làm nắp.
