Mỗi lần bạn mở vòi nước trong bồn rửa, một hiện tượng vật lý kỳ thú diễn ra ngay dưới đáy chậu mà hầu như chúng ta đều lướt qua. Dòng nước khi chạm mặt phẳng không hề lan đều ra xung quanh; nó trải rộng thành một màng nước mỏng tang, phẳng lì như mặt gương, rồi đột ngột khựng lại trước một ranh giới vô hình và dựng đứng lên thành một bờ gờ tròn đầy bọt sóng.
Hiện tượng này được giới cơ học chất lưu gọi là "bước nhảy thủy lực hình tròn" (circular hydraulic jump). Tưởng chừng chỉ là một chi tiết vụn vặt trong căn bếp, chiếc vòng nước quen thuộc này từng khiến danh họa kiêm học giả Leonardo da Vinci băn khoăn suốt nhiều năm, lật ngược một định kiến vật lý kéo dài hai thế kỷ và thậm chí còn trở thành mô hình thu nhỏ giúp các nhà thiên văn học khảo sát chân trời sự kiện của vũ trụ.
Bức tường âm thanh của dòng nước
Để lý giải vì sao nước lại đột ngột dâng cao thành một bờ thành tròn, hãy hình dung một chiếc xe hơi đang chạy nhanh hơn cả tốc độ của tiếng còi do chính nó phát ra. Khi cột nước từ vòi dội xuống đáy chậu, động năng ép nước bắn tản ra mọi hướng thành một màng cực mỏng với vận tốc rất lớn. Trong thủy động lực học, trạng thái này được gọi là dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).
Ở trạng thái siêu tới hạn, dòng nước di chuyển nhanh hơn tốc độ truyền đi của các gợn sóng lăn tăn (sóng trọng lực và sóng mao dẫn) trên bề mặt của chính nó. Nếu bạn dùng đầu tăm chọc nhẹ vào khoảng đĩa nước phẳng bên trong, vết gợn tạo ra sẽ ngay lập tức bị cuốn phăng ra ngoài chứ không thể lan ngược về phía vòi nước. Dòng nước tại đây đang di chuyển vượt qua "tốc độ âm thanh" cục bộ của môi trường chất lỏng.
Thế nhưng, khi màng nước càng mở rộng diện tích, lực ma sát với đáy bồn rửa sẽ hãm dần tốc độ của nó lại. Đến một khoảng cách nhất định, dòng chảy giảm tốc xuống dưới ngưỡng tới hạn. Khi vận tốc dòng nước không còn đủ để duy trì trạng thái siêu tốc, toàn bộ động năng đột ngột bị dồn ứ lại, tạo ra một sóng xung kích thủy lực: nước dựng đứng lên, biến đổi động năng thành thế năng và xoáy động hỗn loạn. Khu vực dày và chậm bên ngoài chính là dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow).
Cú lật ngược lý thuyết kéo dài năm thế kỷ
Leonardo da Vinci là người đầu tiên phác thảo và ghi chép tỉ mỉ về bước nhảy thủy lực này vào đầu thế kỷ 16. Đến thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý lừng danh như Lord Rayleigh đã xây dựng các mô hình toán học giải thích hiện tượng dựa trên trọng lực. Suốt hơn một trăm năm, các cuốn giáo trình vật lý đều khẳng định rằng trọng lực kéo khối nước dày bên ngoài đè ngược lại dòng nước mỏng bên trong, tạo ra bờ gờ hình tròn.
Tuy nhiên, vào năm 2018, nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge do Rajesh Bhagat dẫn đầu đã quyết định kiểm chứng lại niềm tin tưởng như hiển nhiên này. Họ đặt ra một câu hỏi sắc bén: nếu trọng lực là nguyên nhân chính định hình bán kính vòng nước, thì việc bắn tia nước theo các góc nghiêng khác nhau chắc chắn sẽ làm biến dạng chiếc vòng.
Họ tiến hành thí nghiệm bắn tia nước ngang vào vách kính thẳng đứng, và thậm chí bắn ngược tia nước từ dưới lên trần nhà nằm ngang. Kết quả thật kinh ngạc: dù quay theo bất kỳ hướng nào ngược lại trọng lực Trái Đất, đĩa nước mỏng và bờ bước nhảy tròn vẫn hình thành với bán kính y hệt như khi chảy xuống đáy bồn. Trọng lực hoàn toàn không đóng vai trò quyết định ở quy mô này.
Thủ phạm thực sự định đoạt kích thước vòng nước chính là lực căng bề mặt và độ nhớt của chất lỏng. Trên màng nước mỏng, sức căng bề mặt tạo ra một lực kéo mao dẫn hướng vào tâm để chống lại lực đẩy văng ra ngoài của dòng nước. Khi các nhà khoa học pha thêm chất hoạt động bề mặt (xà phòng hoặc cồn) để làm giảm sức căng, vòng đĩa nước ngay lập tức nở rộng ra đáng kể. "Bí mật trọng lực" hóa ra lại là một hiện tượng tương tác bề mặt phân tử.
Từ đập thủy điện đến lỗ trắng ngoài vũ trụ
Khám phá này không chỉ giải tỏa một thắc mắc trong gian bếp mà còn mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Ở quy mô công trình khổng lồ như các đập xả lũ thủy điện, trọng lực mới là yếu tố áp đảo. Các kỹ sư cố tình thiết kế bậc tiêu năng để tạo ra bước nhảy thủy lực nhân tạo, biến dòng nước xả cuồn cuộn có sức tàn phá dữ dội thành dòng nước chảy êm, triệt tiêu năng lượng trước khi xói mòn chân đập và lòng sông.
Ở quy mô vi mô, hiểu rõ vai trò của sức căng bề mặt giúp ngành công nghiệp tối ưu hóa đầu phun làm mát vi mạch, tẩy rửa bảng mạch điện tử và tiết kiệm hàng triệu lít nước trong quy trình vệ sinh công nghiệp áp lực cao.
Chưa dừng lại ở đó, các nhà vật lý lý thuyết còn sử dụng bước nhảy thủy lực hình tròn như một mô hình tương tự (analogue gravity) để nghiên cứu "lỗ trắng" vũ trụ ngay trên mặt bàn thí nghiệm. Nếu lỗ đen hút mọi vật chất và ánh sáng qua chân trời sự kiện mà không gì thoát ra được, thì lỗ trắng là phiên bản đảo ngược thời gian: vật chất chỉ có thể tuôn ra ngoài mà sóng từ bên ngoài tuyệt đối không thể thâm nhập vào trong. Vòng biên giới của đĩa nước trong bồn rửa hoạt động y hệt một chân trời sự kiện một chiều như vậy.
Lần tới khi đứng trước bồn rửa chén, hãy dành vài giây ngắm nhìn đĩa nước phẳng lặng kỳ lạ ấy. Ngay trước mắt bạn là một bài toán hóc búa từng thách thức Leonardo da Vinci, một minh chứng tuyệt đẹp cho sức mạnh của liên kết phân tử, và là một vũ trụ thu nhỏ đang nhảy múa ngay dưới vòi nước hằng ngày.
Đang tải bình luận…