Khi bạn cầm hai đầu một sợi mỳ Ý (spaghetti) khô và từ từ uốn cong cho đến khi gãy, nó gần như không bao giờ tách thành hai nửa nguyên vẹn. Thay vào đó, thanh mỳ giòn tan ấy sẽ vỡ vụn thành ba, bốn, thậm chí là nhiều mảnh nhỏ bắn tung tóe ra xung quanh. Hiện tượng bếp núc tưởng chừng tầm thường này từng khiến nhà vật lý đoạt giải Nobel Richard Feynman mất cả một buổi tối mày mò bất lực và trở thành câu đố cơ học gãy kinh điển suốt nhiều thập kỷ.
Ngày nay, các nhà vật lý không chỉ giải mã được nguồn gốc của phản ứng gãy dây chuyền này, mà còn tìm ra công thức toán học giúp chúng ta bẻ đôi sợi mỳ một cách hoàn hảo.
Cơn Đau Đầu Trong Gian Bếp Của Feynman
Vào một đêm thập niên 1950, Richard Feynman cùng nhà tiên phong siêu máy tính Danny Hillis đã ngồi hàng giờ trong bếp để thử bẻ gãy từng sợi mỳ khô. Feynman tin rằng phải có một quy luật vật lý sâu sắc nào đó chi phối việc sợi mỳ kiên quyết từ chối tách đôi. Dù thử đi thử lại bằng nhiều lực và tư thế khác nhau, kết quả duy nhất họ nhận được là sàn nhà vương vãi các mẩu mỳ vụn, còn câu hỏi thì vẫn bỏ ngỏ.
Theo trực giác thông thường, một thanh vật liệu đồng nhất và giòn sẽ gãy tại điểm chịu lực lớn nhất hoặc có khuyết tật vi mô lớn nhất. Khi ta uốn cong một sợi mỳ, ứng suất uốn tăng dần và đạt đỉnh ở vùng có độ cong lớn nhất, thường nằm sát tâm. Lý trí mách bảo rằng ngay khoảnh khắc vết nứt đầu tiên xuất hiện và thanh mỳ tách ra, toàn bộ năng lượng biến dạng đàn hồi tích tụ bên trong sẽ lập tức được giải phóng, đưa hai nửa còn lại trở về trạng thái thả lỏng an toàn.
Thế nhưng sợi mỳ khô lại hành xử hoàn toàn trái ngược: vết gãy đầu tiên không hề dập tắt nguy cơ, mà lại là ngòi nổ châm ngòi cho hàng loạt vết gãy tiếp theo.
Hiệu Ứng Bật Ngược: Sóng Uốn Lan Truyền Dây Chuyền
Mãi đến năm 2005, hai nhà vật lý người Pháp là Basile Audoly và Sébastien Neukirch mới chính thức phá giải bí ẩn này trong một công trình xuất sắc trên tạp chí Physical Review Letters. Bằng việc sử dụng máy quay tốc độ cao kết hợp với phương trình đàn hồi Kirchhoff cho thanh mỏng, họ đã ghi lại được phản ứng dây chuyền vô hình mang tên "hiệu ứng bật ngược" (snap-back effect).
Khi sợi mỳ bị bẻ gãy ở chính giữa, hai đầu mút vừa đứt không đơn thuần thẳng lại một cách êm ái. Do đang chịu sức căng cực lớn, việc đứt gãy đột ngột giống như buông tay khỏi một dây cung đang kéo căng hết cỡ. Cú bật này kích hoạt một đợt sóng uốn (flexural wave) tần số cao chạy dọc theo thân mỳ hướng về phía hai đầu ngón tay đang giữ chặt.
Khi sóng uốn này di chuyển và dội ngược lại từ điểm tựa cố định, chúng giao thoa và khuếch đại lẫn nhau. Tại một số vị trí cụ thể trên thân mỳ, độ cong cục bộ bị đẩy lên gấp gần ba lần so với độ cong ban đầu ngay trước khi gãy. Vì toàn bộ sợi mỳ vốn đã ở sát ngưỡng chịu đựng tối đa, đợt sóng xung kích này lập tức bẻ gãy thân mỳ thêm lần thứ hai và thứ ba trong chớp mắt.
Nói cách khác, sự giải phóng lực ở trung tâm đã vô tình tạo ra một cơn địa chấn mini phá hủy phần còn lại của cấu trúc.
Đột Phá MIT: Bẻ Đôi Mỳ Bằng Thao Tác Xoắn
Khám phá của Audoly và Neukirch đã mang về cho họ giải Ig Nobel Vật lý năm 2006. Tuy nhiên, công trình ấy chỉ mới giải thích vì sao mỳ bị nát, chứ chưa trả lời được: liệu con người có thể kiểm soát để bẻ đôi sợi mỳ hay không?
Năm 2018, nhóm nghiên cứu toán học ứng dụng tại MIT do Giáo sư Jörn Dunkel dẫn đầu, cùng hai nghiên cứu sinh Ronald Heisser và Vishal Patil, đã công bố lời giải trọn vẹn trên tạp chí PNAS. Họ chế tạo một cỗ máy bẻ mỳ chuyên dụng và ghi hình hàng trăm lần nứt gãy ở tốc độ lên tới một triệu khung hình mỗi giây. Bí quyết nằm ở một thao tác: xoắn sợi mỳ trước khi uốn.
Khi sợi mỳ được vặn xoắn một góc từ 270 đến gần 360 độ rồi mới từ từ uốn cong hai đầu, động học đứt gãy biến đổi hoàn toàn:
- Vận tốc sóng xoắn vượt trội: Sóng xoắn (torsional wave) lan truyền dọc theo trục vật liệu với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với sóng uốn ngang (flexural wave).
- Tiêu tán năng lượng nhờ mở xoắn: Ngay khi vết nứt chính giữa hình thành, sợi mỳ lập tức bung xoắn với tốc độ cực nhanh, giải phóng phần lớn cơ năng tích tụ thành sóng xoắn.
- Triệt tiêu sóng uốn thứ cấp: Khi các sóng uốn chậm chạp hơn truyền tới, sợi mỳ đã không còn đủ năng lượng dư thừa để vượt qua ngưỡng gãy cục bộ.
Nhờ cơ chế này, vết nứt dừng lại ngay sau lần đứt đầu tiên, chia sợi mỳ thành đúng hai nửa đều đặn mà không tạo ra bất kỳ mảnh vỡ nào.
Từ Sợi Mỳ Bếp Đến Vật Liệu Cường Lực
Thí nghiệm bẻ mỳ Ý nghe như một trò đùa khoa học, nhưng bản chất của nó là cơ học nứt gãy trên các thanh giòn dài (brittle rods). Những ống nano carbon, sợi composite carbon trên cánh quạt trực thăng, sào thi đấu thể thao, hay thậm chí vi ống (microtubules) trong tế bào sống đều tuân theo cùng một hệ phương trình động lực học đàn hồi.
Hiện tượng gãy dây chuyền do sóng xung kích uốn là nguyên nhân hàng đầu khiến các kết cấu vật liệu composite giòn sụp đổ thảm khốc sau một vết nứt ban đầu. Hiểu rõ cách sóng xoắn hóa giải sóng uốn mở ra hướng thiết kế thông minh cho các cấu trúc chịu lực cao, giúp vật liệu tự tiêu tán năng lượng phá hủy mà không bị vỡ vụn.
Khoa học đôi khi bắt đầu từ những thắc mắc ngây thơ nhất trong gian bếp, nhưng khi được đào sâu bằng sự tò mò chân chính, nó hé lộ những quy luật nền tảng kiến tạo nên thế giới vật chất quanh ta.
Đang tải bình luận…