Thang máy chở 8 người lên tầng 30 — nghe như bài toán nâng 1,6 tấn lên 100 mét, đáng một động cơ khổng lồ. Mở vách giếng thang ra thì thấy mưu mẹo đã 150 năm tuổi: cabin không leo một mình.
Bập bênh dựng đứng
Cabin treo một đầu cáp; vắt qua puli đỉnh giếng, đầu kia đeo khối đối trọng — chồng gang hay bê tông nặng đúng bằng cabin cộng nửa tải tối đa (ở đây: 1 000 + 300 = 1 300 kg). Đây là chiếc ròng rọc đổi hướng dựng thành bập bênh: cabin đi lên thì đối trọng đi xuống, thế năng không bị tạo ra hay tiêu huỷ — nó chỉ đổi chủ. Động cơ đứng giữa làm trọng tài, chỉ phải bù phần chênh lệch: cabin vắng khách nhẹ hơn đối trọng 300 kg — động cơ ghìm 300; đầy 8 khách nặng hơn 300 — động cơ kéo giúp 300. Chở đúng 4 người: hai bên cân khít, động cơ gần như chỉ thắng ma sát — chuyến đi 30 tầng tốn điện cỡ… vài phút của một chiếc quạt. So với thiết kế ngây thơ không đối trọng phải kéo sống 1 600 kg: nhẹ việc năm lần ngay cả lúc tệ nhất, và động cơ lắp thực tế nhỏ hơn tưởng tượng cả chục lần.
Cái giá của mưu này là một sự thật ngược trực giác về an toàn: sợ “đứt cáp rơi tự do”? Với cabin vắng khách, đứt cáp nghĩa là đối trọng nặng hơn kéo cabin vọt lên — tai nạn thang máy kiểu “bay lên nóc” có thật trong hồ sơ kỹ thuật, và phanh khẩn của thang phải chặn được cả hai chiều. (Cabin hiện đại treo trên 4–8 sợi cáp, mỗi sợi một mình đủ giữ toàn tải — kịch bản Hollywood đứt-sạch gần như không tồn tại.)
Từ chuông nhà thờ đến pin trọng lực
Nguyên lý “đổi chủ thế năng” già hơn cả điện: đồng hồ quả lắc treo tường chạy cả tuần bằng quả tạ tụt chậm; giếng nước có đối trọng; và phễu leo núi (funicular) hai toa nối chung cáp — toa xuống kéo toa lên, có tuyến chỉ cần bơm nước vào toa trên đỉnh làm “hành khách nặng” rồi xả ra ở chân: vận hành không cần một watt động cơ nào. Phiên bản thế kỷ 21 đang được xây nghiêm túc: pin trọng lực — cần cẩu xếp khối bê tông lên cao lúc thừa điện gió, thả xuống phát điện lúc thiếu — chính là cái đối trọng thang máy phóng to thành nhà máy điện, với hiệu suất khứ hồi 80–85% ngang thuỷ điện tích năng.
Trường hợp biên: khi thang máy phát điện
Nhìn lại demo lần cuối với câu hỏi: 8 khách đi xuống thì sao? Cabin nặng hơn đối trọng 300 kg tự tụt — động cơ phải ghìm, tức nhận công cơ học. Thang cũ nướng khoản đó thành nhiệt trên điện trở hãm; thang hiện đại gắn bộ hãm tái sinh: động cơ chạy chế độ máy phát Faraday, đẩy điện ngược về lưới toà nhà. Giờ cao điểm sáng ở chung cư — người người đổ xuống đi làm, cabin nặng chiều xuống liên tục — dàn thang máy thành cụm máy phát nhỏ, gặt lại 20–30% điện tiêu thụ. Chuyến thang bạn đi sáng nay, rất có thể, vừa thắp đèn hành lang cho người hàng xóm: thế năng của bạn không mất đi — nó chỉ đổi chủ thêm một lần nữa.