Charles-Augustin de Coulomb

1.1. Tuổi thơ và Giáo dục

Charles-Augustin de Coulomb sinh ngày 14 tháng 6 năm 1736 tại Angoulême, thuộc tỉnh Angoumois, Vương quốc Pháp. Cha của ông là Henri Coulomb, một thanh tra khu đất hoàng gia, có nguồn gốc từ Montpellier, và mẹ ông là Catherine Bajet, xuất thân từ một gia đình giàu có nhờ buôn bán len. Ông được rửa tội tại nhà thờ giáo xứ St. André.

Khi còn nhỏ, gia đình ông chuyển đến Paris, và ông theo học tại Collège Mazarin (còn được biết đến là Collège des Quatre-Nations), một ngôi trường danh tiếng ở Paris. Tại đây, ông được học về triết học, ngôn ngữ và văn học. Ông cũng nhận được một nền giáo dục tốt về toán học, thiên văn học, hóa học và thực vật học. Các bài giảng toán học của Pierre Charles Monnier đã khơi dậy niềm đam mê và quyết tâm theo đuổi sự nghiệp liên quan đến toán học của ông. Từ năm 1757 đến 1759, ông sống tại nhà cha mình ở Montpellier và tham gia các công việc của hội học thuật thành phố, dưới sự hướng dẫn của nhà toán học Augustin Danyzy.

Khi cha ông gặp khó khăn về tài chính, ông buộc phải rời Paris và đến Montpellier. Ông trở lại Paris vào năm 1759 và thi đậu vào École royale du génie de Mézières (Trường Kỹ thuật Hoàng gia Mézières) vào năm 1760. Ông tốt nghiệp năm 1761 và gia nhập Quân đội Hoàng gia Pháp với quân hàm thiếu úy kỹ sư.

1.2. Sự nghiệp quân sự và kỹ thuật ban đầu

Trong hai mươi năm tiếp theo, Coulomb được điều động đến nhiều địa điểm khác nhau và tham gia vào nhiều dự án kỹ thuật đa dạng, bao gồm kỹ thuật kết cấu, công trình phòng thủ, cơ học đất và các lĩnh vực kỹ thuật khác. Nhiệm sở đầu tiên của ông là tại Brest, nhưng vào tháng 2 năm 1764, ông được cử đến Martinique ở Tây Ấn, nơi ông chịu trách nhiệm xây dựng Pháo đài Bourbon mới. Nhiệm vụ này đã chiếm trọn thời gian của ông cho đến tháng 6 năm 1772, kéo dài tám năm. Sức khỏe của ông bị ảnh hưởng đáng kể trong ba năm ở Martinique, và di chứng này đã theo ông suốt đời.

Trong thời gian ở Martinique, Coulomb đã tiến hành các thí nghiệm về độ bền của kiến trúc đá và hành vi của các cấu trúc hỗ trợ. Những thí nghiệm này được lấy cảm hứng từ lý thuyết ma sát của nhà khoa học Hà Lan Pieter van Musschenbroek, người đã phát minh ra bình Leyden.

Sau khi trở về Pháp với quân hàm đội trưởng, ông được bổ nhiệm đến La Rochelle, Isle of Aix và Cherbourg. Tại đây, ông đã khám phá ra mối quan hệ nghịch đảo giữa lực tương tác giữa các điện tích và bình phương khoảng cách giữa chúng, và sau đó là mối quan hệ tương tự giữa các cực từ. Sau này, những mối quan hệ này được đặt tên là định luật Coulomb để vinh danh ông.

Năm 1773, Coulomb trình bày công trình đầu tiên của mình về cơ học ứng dụng cho Viện Hàn lâm Khoa học Pháp tại Paris. Năm 1779, ông được gửi đến Rochefort để hợp tác với Hầu tước de Montalembert trong việc xây dựng một pháo đài hoàn toàn bằng gỗ gần Île-d'Aix. Trong thời gian ở Rochefort, Coulomb tiếp tục nghiên cứu về cơ học, đặc biệt sử dụng các xưởng đóng tàu ở Rochefort làm phòng thí nghiệm cho các thí nghiệm của mình. Cũng trong năm 1779, ông xuất bản một nghiên cứu quan trọng về các định luật ma sát với tiêu đề Théorie des machines simples, en ayant regard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^French (Lý thuyết về các cỗ máy đơn giản, có xét đến ma sát của các bộ phận và độ cứng của dây thừng). Hai mươi năm sau, một chuyên luận của ông về sức cản của chất lỏng cũng được xuất bản.

1.3. Hoạt động tại Viện Hàn lâm Khoa học và Cách mạng Pháp

Năm 1774, Coulomb trở thành thành viên thông tấn của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Năm 1777, ông đã giành giải nhất trong một cuộc thi của Viện Hàn lâm Khoa học nhờ nghiên cứu về la bàn từ. Năm 1781, ông một lần nữa giành giải nhất nhờ nghiên cứu về ma sát, và trong cùng năm đó, ông được bầu làm thành viên chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học.

Năm 1781, ông được điều động đến Paris, đây cũng là nhiệm sở cuối cùng của ông. Năm 1787, cùng với Tenon, ông đã đến thăm Bệnh viện Hải quân Hoàng gia Stonehouse và rất ấn tượng với thiết kế "gian hàng" mang tính cách mạng tại đó, khuyến nghị chính phủ Pháp áp dụng. Khi Cách mạng Pháp bùng nổ vào năm 1789, ông đã từ chức intendant des eaux et fontaines (người quản lý nước và đài phun nước) và nghỉ hưu tại một điền trang nhỏ mà ông sở hữu ở Blois. Ông sống cùng với người bạn và cũng là nhà khoa học Jean-Charles de Borda.

Tuy nhiên, ông đã được chính phủ cách mạng triệu tập trở lại Paris một thời gian để tham gia vào việc xác định lại hệ thống trọng lượng và đo lường mới, vốn là nền tảng của hệ thống SI ngày nay. Năm 1801, ông trở thành một trong những thành viên đầu tiên của Viện Quốc gia Pháp và là chủ tịch của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Năm 1802, ông được bổ nhiệm làm thanh tra hướng dẫn công cộng (giám đốc giáo dục xã hội). Sức khỏe của ông đã rất yếu vào thời điểm đó, và bốn năm sau, ông qua đời tại Paris vào ngày 23 tháng 8 năm 1806. Coulomb để lại một di sản với tư cách là một nhà nghiên cứu khoa học tận tâm, tỉ mỉ và một nhân cách đáng kính, được xã hội thời bấy giờ ngưỡng mộ rộng rãi.

2.1. Cân xoắn

Vào năm 1784, luận văn của Coulomb với tiêu đề Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal^French (Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về lực xoắn và độ đàn hồi của dây kim loại) đã được xuất bản. Luận văn này chứa đựng kết quả các thí nghiệm của Coulomb về lực xoắn đối với các dây kim loại, đặc biệt là trong bối cảnh của một cân xoắn. Kết quả tổng quát của ông là: "Mô men xoắn, đối với các dây kim loại cùng loại, tỷ lệ thuận với góc xoắn, lũy thừa bậc bốn của đường kính và tỷ lệ nghịch với chiều dài của dây."

Ông đã phát minh cân xoắn để đo lường các vật thể rất nhẹ, và nó trở thành công cụ chủ chốt trong các thí nghiệm của ông về điện và từ. Đáng chú ý là, nhà địa chất người Anh John Michell cũng đã độc lập phát minh ra cân xoắn vào khoảng năm 1750, nhưng ông đã không thể sử dụng nó để đo trường hấp dẫn của Trái Đất.

2.2. Nghiên cứu về điện và từ: Định luật Coulomb

Từ năm 1784 đến 1789, trong khi làm việc tại nhiều cơ quan chính phủ khác nhau, Coulomb tiếp tục nghiên cứu về tĩnh điện và từ học. Năm 1785, ông trình bày ba báo cáo đầu tiên của mình về điện và từ:

• "Premier Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme" (Luận văn đầu tiên về Điện và Từ): Trong ấn phẩm này, Coulomb mô tả "Cách xây dựng và sử dụng cân điện (cân xoắn) dựa trên tính chất của dây kim loại có lực xoắn phản ứng tỷ lệ thuận với góc xoắn." Coulomb cũng đã xác định bằng thực nghiệm định luật giải thích "hai vật nhiễm điện cùng loại Điện tác dụng lên nhau như thế nào." Ông nêu rõ: "Từ ba thí nghiệm này, kết luận rằng lực đẩy mà hai quả cầu nhiễm điện cùng loại điện tích tác dụng lên nhau, tuân theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách."
• "Second Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme" (Luận văn thứ hai về Điện và Từ): Trong ấn phẩm này, Coulomb thực hiện "xác định theo những định luật nào mà cả chất lỏng từ và chất lỏng điện tác dụng, dù là bằng lực đẩy hay lực hút." Ông đã tuyên bố rằng lực hút giữa hai quả cầu nhiễm điện trái dấu tỷ lệ thuận với tích của lượng điện tích trên các quả cầu và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các quả cầu.
• "Troisième Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme" (Luận văn thứ ba về Điện và Từ): "Về lượng Điện mà một vật thể cô lập mất đi trong một khoảng thời gian nhất định, hoặc do tiếp xúc với không khí ẩm hơn hoặc trong các vật hỗ trợ ít nhiều là điện môi."

Bốn báo cáo tiếp theo đã được xuất bản trong những năm sau đó:

• "Quatrième Mémoire" (Luận văn thứ tư) (1786): "Ở đây, hai tính chất chính của chất lỏng điện được chứng minh: thứ nhất, chất lỏng này không lan truyền vào bất kỳ vật thể nào theo ái lực hóa học hoặc do hút chọn lọc, mà nó tự phân chia giữa các vật thể khác nhau được đưa vào tiếp xúc; thứ hai, trong các vật dẫn điện, chất lỏng, khi đạt đến trạng thái ổn định, lan rộng trên bề mặt của vật thể và không xâm nhập vào bên trong."
• "Cinquième Mémoire" (Luận văn thứ năm) (1787): "Về cách thức chất lỏng điện tự phân chia giữa các vật dẫn được đưa vào tiếp xúc và sự phân bố của chất lỏng này trên các phần khác nhau của bề mặt vật thể."
• "Sixième Mémoire" (Luận văn thứ sáu) (1788): "Tiếp tục nghiên cứu về sự phân bố của chất lỏng điện giữa nhiều vật dẫn. Xác định mật độ điện tại các điểm khác nhau trên bề mặt của các vật thể này."
• "Septième Mémoire" (Luận văn thứ bảy) (1789): "Về từ tính."

Coulomb đã giải thích các định luật về lực hút và lực đẩy giữa các điện tích và các cực từ. Tuy nhiên, ông đã không tìm thấy bất kỳ mối quan hệ nào giữa hai hiện tượng này. Ông tin rằng lực hút và lực đẩy là do các loại "chất lỏng" khác nhau gây ra. Mặc dù lý thuyết "chất lỏng" của ông có những hạn chế, nhưng những nghiên cứu của ông về điện và từ đã đặt nền móng vững chắc cho sự phát triển của điện động lực học sau này bởi các nhà khoa học như Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère và Siméon Poisson.

2.3. Nghiên cứu về ma sát và bôi trơn

Coulomb cũng có đóng góp đáng kể vào lĩnh vực ma sát học (tribology). Các phát hiện của ông, cùng với Guillaume Amontons, được biết đến rộng rãi là định luật ma sát Amontons-Coulomb. Ông đã hoàn thành nghiên cứu toàn diện nhất về ma sát được thực hiện trong thế kỷ 18 và được Duncan Dowson vinh danh là một trong 23 "Người đàn ông của Ma sát học". Hai mươi năm sau, ông cũng xuất bản một chuyên luận về sức cản của chất lỏng.

2.4. Lý thuyết áp lực đất

Coulomb đã có những đóng góp đột phá vào sự hiểu biết về áp lực đất, trở thành nền tảng trong kỹ thuật địa chất. Năm 1776, ông trình bày tác phẩm Essai sur une application des règles de Maximis et Minimis à quelques Problèmes de Statique, relatifs à l'Architecture^French (Khảo luận về việc áp dụng các quy tắc cực đại và cực tiểu vào một số vấn đề tĩnh học liên quan đến kiến trúc) cho Viện Hàn lâm Khoa học. Công trình này đã giới thiệu điều mà ngày nay được gọi là lý thuyết nêm về áp lực đất và thiết lập một số nguyên tắc quan trọng để phân tích sự ổn định của khối đất, bao gồm:

• Định luật kháng cắt: Coulomb đã công thức hóa kháng cắt của đất là $s\; =\; c\; +\; \backslash sigma\; \backslash tan\; \backslash phi$, trong đó $c$ là lực liên kết, $\backslash sigma$ là ứng suất pháp, và $\backslash phi$ là góc ma sát trong.
• Áp lực đất chủ động và bị động: Ông đã giới thiệu các khái niệm về giới hạn áp lực đất chủ động và bị động, mô tả các điều kiện mà đất tác dụng lực lên một cấu trúc chắn hoặc chống lại chuyển động.
• Mặt trượt: Coulomb xác định rằng mặt trượt trong đất xảy ra ở một góc $45\; độ\; +\; \backslash phi/2$ so với phương ngang.
• Ma sát tường: Ông là một trong những người đầu tiên xem xét ảnh hưởng của ma sát tường-đất trong việc giảm áp lực đất ngang.
• Chiều cao tới hạn: Coulomb cung cấp một phương pháp để tính toán chiều cao tới hạn của các bờ đất thẳng đứng có thể duy trì ổn định nhờ lực liên kết.
• Thoát nước: Ông nhấn mạnh vai trò của việc thoát nước thích hợp trong việc ngăn chặn các lực bổ sung tác động lên các cấu trúc chắn do sự tích tụ nước.
• Kiểm chứng thực nghiệm: Coulomb đã xác nhận các lý thuyết của mình bằng cách sử dụng các phương pháp xây dựng đương thời, chẳng hạn như những phương pháp được áp dụng trong các tường chắn của Thống chế Vauban.

Phân tích của Coulomb đã vượt ra ngoài các giải pháp kỹ thuật thực tế của thời đại ông bằng cách áp dụng một cách có hệ thống các nguyên tắc tĩnh học và cơ học vào các vấn đề ổn định đất. Các phương pháp của ông, mặc dù được các nhà nghiên cứu sau này tinh chỉnh, đã đặt nền móng cho cơ học đất hiện đại và thiết kế tường chắn, và vẫn còn liên quan trong kỹ thuật địa chất. Những đóng góp của ông không chỉ thúc đẩy lý thuyết cơ học đất mà còn ảnh hưởng đến các công trình sau này, bao gồm cả những công trình của Rankine, người đã tinh chỉnh thêm các lý thuyết cho đất dính và đất hạt. Biểu tượng được sử dụng trong bài báo năm 1776 của Coulomb được tái tạo trên bìa mỗi ấn bản của tạp chí kỹ thuật địa chất có bình duyệt Géotechnique.

3.1. Tầm ảnh hưởng đến cộng đồng khoa học

Tầm ảnh hưởng của Coulomb đối với cộng đồng khoa học là rất lớn. Tên ông được đặt cho đơn vị SI của điện tích, Coulomb, vào năm 1880, và chính thức được thông qua vào Hệ đo lường quốc tế năm 1948, minh chứng cho tầm quan trọng của những khám phá của ông trong lĩnh vực điện học. Ông được công nhận là người tiên phong trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là kỹ thuật địa chất, với những đóng góp cơ bản cho thiết kế tường chắn vẫn còn giá trị đến ngày nay. Công trình của ông về điện và từ, dù còn những hạn chế ban đầu, đã tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của điện động lực học sau này. Tất cả các công trình của ông đều thể hiện sự độc đáo và nghiên cứu tỉ mỉ, kiên trì, làm nổi bật tư duy khoa học nghiêm túc của ông.

3.2. Phê bình và Hạn chế

Mặc dù những đóng góp của Coulomb là vô cùng quan trọng, một số khía cạnh trong công trình của ông cũng nhận được những đánh giá khách quan hoặc có những hạn chế nhất định. Chẳng hạn, "thuyết chất lỏng" của ông về điện và từ, dù giúp ông phát triển các định luật cơ bản, sau này đã bị thay thế bởi các lý thuyết hiện đại hơn về bản chất của điện tích và từ trường. Ngoài ra, một số khám phá của ông, như định luật nghịch đảo bình phương đối với các điện tích, đã được nhà khoa học người Anh Henry Cavendish tìm ra một cách độc lập vào khoảng năm 1773. Tuy nhiên, Cavendish đã không công bố những phát hiện này trong suốt cuộc đời mình, mãi đến năm 1879 chúng mới được công bố, do đó vinh dự của việc khám phá và công bố vẫn thuộc về Coulomb.

3.3. Tưởng niệm và Vinh danh

Để tưởng nhớ và vinh danh những đóng góp to lớn của Charles-Augustin de Coulomb, tên ông đã được khắc trên Tháp Eiffel ở Paris, là một trong 72 tên các nhà khoa học, kỹ sư và nhà toán học người Pháp đã có những đóng góp quan trọng cho khoa học và kỹ thuật. Điều này khẳng định vị trí của ông trong lịch sử khoa học Pháp và thế giới.