Nếu đã từng thử uống một ly sinh tố đặc qua chiếc ống hút thật dài, bạn sẽ biết phổi của mình phải làm việc vất vả thế nào. Thực tế, nếu bạn nối một chiếc ống hút dài hơn 10 mét, các quy luật vật lý cơ bản sẽ ngăn bạn hút được dù chỉ một giọt nước, cho dù bạn có dồn hết sức lực ra sao. Thế nhưng, những cây bách gỗ đỏ khổng lồ vẫn hằng ngày kéo hàng trăm lít nước lên chiều cao hơn 100 mét giữa không trung một cách nhẹ nhàng.
Làm thế nào mà những "tòa nhà Landmark xanh" này có thể thực hiện một kỳ tích thủy lực đồ sộ như vậy mà không cần tới bất kỳ máy cơ khí, nguồn điện hay linh kiện chuyển động nào? Câu trả lời nằm ở một hiện tượng vật lý kỳ diệu: cây xanh hút nước bằng cách kéo giãn dòng nước thành những sợi dây cáp lỏng chịu áp suất âm.
Giới hạn 10 mét của chiếc ống hút
Để thấy sự phi thường của cây xanh, trước hết chúng ta cần hiểu tại sao việc hút nước qua ống hút lại có một giới hạn cứng. Khi bạn dùng miệng hút nước, bạn không thực sự "kéo" chất lỏng lên. Thay vào đó, bạn đang rút bớt không khí bên trong ống hút để tạo ra một vùng áp suất thấp. Chính áp suất khí quyển xung quanh đang đè lên mặt nước trong ly sẽ đẩy chất lỏng chui vào ống hút và đi lên miệng bạn.
Vì áp suất khí quyển ở mực nước biển vào khoảng 1 atmosphere (101,3 kPa), nó chỉ đủ sức nâng một cột nước cao tối đa khoảng 10,3 mét. Nếu bạn làm một chiếc ống hút cao 15 mét và tạo ra môi trường chân không hoàn hảo ở đỉnh ống, cột nước vẫn sẽ dừng lại ở mốc 10,3 mét. Nếu cố tình hút mạnh hơn, nước ở phần đỉnh ống hút sẽ tự động sôi và biến thành hơi ngay ở nhiệt độ phòng do áp suất tại đó đã giảm về 0.
Theo đúng mọi quy tắc thủy lực thông thường, không một cái cây nào trên Trái Đất có thể cao quá 10 mét mà vẫn vận chuyển được nước lên ngọn. Vậy làm sao những cây bách gỗ đỏ lại có thể vươn tới chiều cao 115 mét?
Khi nước biến thành sợi cáp thép
Cây xanh không dùng lực đẩy từ rễ, cũng không dùng lực hút chân không từ bầu khí quyển. Thay vào đó, chúng khai thác hai đặc tính hóa học độc đáo của phân tử nước: lực liên kết đồng thể (cohesion) và lực liên kết dị thể (adhesion).
Phân tử nước ($H_2O$) có tính phân cực, nghĩa là một đầu mang điện tích âm nhẹ và đầu kia mang điện tích dương. Điều này khiến các phân tử nước cực kỳ "hút" nhau thông qua các liên kết hydro mạnh mẽ. Sự hấp dẫn lẫn nhau này gọi là lực liên kết đồng thể. Đồng thời, phân tử nước cũng bám rất chặt vào thành xenluloza của hệ thống ống dẫn bên trong cây—một mạng lưới các tế bào chết siêu nhỏ gọi là mạch gỗ (xylem). Đây là lực liên kết dị thể.
Bên trong các vi ống mạch gỗ có kích thước nhỏ hơn cả sợi tóc người, các phân tử nước nối đuôi nhau chặt chẽ. Thay vì hoạt động như những viên bi rời rạc trôi trong ống, các phân tử nước liên kết lại thành những sợi dây chuyền lỏng liên tục, kéo dài từ đầu rễ sâu nhất cho tới tận chiếc lá trên đỉnh ngọn. Về bản chất, nước bên trong thân cây lúc này hoạt động giống như một sợi dây cáp thép hơn là một chất lỏng thông thường.
Động cơ mặt trời và áp suất âm diệu kỳ
Nếu nước đã tạo thành một sợi dây cáp liên tục, thì lực nào đang kéo sợi dây đó lên cao? Động cơ vận hành toàn bộ hệ thống này chính là ánh mặt trời.
Bề mặt các chiếc lá được bao phủ bởi hàng triệu lỗ nhỏ liti gọi là khí khổng. Vào ban ngày, các khí khổng này mở ra để hấp thụ khí CO2 cho quá trình quang hợp. Khi khí khổng mở, nước bên trong các tế bào lá sẽ bốc hơi vào không khí khô ráo—quá trình này gọi là sự thoát hơi nước.
Ngay khi một phân tử nước bốc hơi khỏi khí khổng, sự ra đi của nó tạo ra một lực kéo siêu nhỏ lên phân tử nước ngay phía sau. Nhờ lực liên kết đồng thể, phân tử đó lại kéo phân tử tiếp theo, tạo thành một hiệu ứng dây chuyền kéo dài suốt từ cành, thân xuống tới tận rễ.
Quá trình này tạo ra hiện tượng mà các nhà vật lý gọi là áp suất âm hay lực căng cơ học. Trong khi áp suất dương đẩy ra ngoài và áp suất bằng 0 đại diện cho chân không, thì áp suất âm có nghĩa là chất lỏng đang thực sự bị kéo giãn dưới một lực căng khủng khiếp. Bên trong một cây cao 100 mét, nước trong mạch gỗ có thể chịu áp suất âm từ -15 đến -20 atmosphere. Chất lỏng bên trong thân cây bị căng đến mức nếu bạn đâm một kim nhỏ vào ống mạch gỗ đang hoạt động, không khí bên ngoài sẽ bị hút mạnh vào trong chứ nước không hề trào ra ngoài.
Cuộc chiến chống lại bọt khí tử thần
Vận hành dưới áp suất âm cực lớn mang lại hiệu quả kinh ngạc, nhưng cũng đi kèm với một hiểm họa vật lý chết người: hiện tượng tắc mạch (cavitation).
Nếu lực căng trong cột nước trở nên quá lớn—như trong các đợt hạn hán khốc liệt hoặc khi thân cây bị đóng băng—một bong bóng không khí siêu nhỏ có thể bị hút vào trong ống mạch gỗ. Dưới áp suất âm, bong bóng này sẽ giãn nở tức thì trong một vụ nổ vi mô, làm đứt gãy sợi dây cáp lỏng. Đoạn ống mạch gỗ đó sẽ ngay lập tức bị vô hiệu hóa và không thể dẫn nước được nữa.
Để ngăn một bọt khí phá hủy toàn bộ hệ thống vận chuyển, tiến hóa đã trang bị cho cây một giải pháp kiến trúc thiên tài. Các ống mạch gỗ được chia thành nhiều ngăn nhỏ kết nối với nhau qua các màng vách có lỗ siêu vi. Những màng lọc này đóng vai trò như van an toàn: chúng cho phép nước lỏng chảy tự do giữa các ống liền kề, nhưng kích thước lỗ siêu nhỏ lại tạo ra sức căng bề mặt đủ lớn để chặn đứng các bọt khí. Nếu một cột nước bị gãy, cây đơn giản sẽ dẫn nước đi vòng qua các kênh lân cận.
Kiệt tác kỹ thuật thầm lặng của tự nhiên
Khi đứng dưới bóng râm của một cây bách gỗ đỏ đại thụ, bạn đang chiêm ngưỡng một kiệt tác của kỹ thuật thụ động. Không cần một trái tim để bơm máu, không cần điện năng và không có bất kỳ van cơ khí chuyển động nào, cây xanh vẫn hàng ngày nâng hàng tấn nước ngược chiều trọng lực Trái Đất.
Bằng cách biến nước lỏng thành những sợi dây cáp chịu lực căng nhờ sự bốc hơi mặt trời, tự nhiên đã giải quyết một bài toán thủy lực vốn làm bó tay các công nghệ chân không hiện đại của con người. Đó là lời nhắc nhở tuyệt vời rằng đôi khi, những thí nghiệm vật lý sâu sắc nhất lại đang diễn ra một cách thầm lặng ngay trên đầu chúng ta trong những vòm lá rừng xanh.
Phản hồi
Đang tải bình luận…