Trong khi loài người đã biết viết ít nhất là 5000 năm rồi, nhưng chúng ta vẫn có ít kiến thức đến khó ngờ về cơ sở vật lí làm thế nào mực di chuyển từ bút sang giấy. Nay các nhà vật lí ở Hàn Quốc và Mĩ vừa nêu ra một lí thuyết – được thí nghiệm hậu thuẫn – đề xuất rằng tốc độ chảy của mực phụ thuộc vào sự kéo co giữa tính chất mao dẫn của bút và của giấy.
Đội nghiên cứu, đứng đầu là Ho-Young Kim thuộc trường Đại học quốc gia Seoul, xét hai kịch bản: vết bôi và đường kẻ. Với cái bút đứng yên, các nhà nghiên cứu nhận ra bốn yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng mực: lực hút mao dẫn của cái bút; lực mao dẫn của các lỗ nhỏ trong giấy; suất căng bề mặt của mực; và độ nhớt của mực. Khi cái bút đang di chuyển thì tốc độ của cái bút là một yếu tố thứ năm.
Lí thuyết của đội nghiên cứu trên định nghĩa một cái bút nhỏ là một ống mao dẫn đơn giản, không khác gì với những cọng rơm rỗng mà người Ai Cập cổ đại đã dùng để tạo ra những bản ghi chép trên giấy cói. Các nhà nghiên cứu xem tờ giấy là một ma trận gồm nhiều ống trụ. Tờ giấy thô ráp được mô phỏng dưới dạng những cột hẹp, xếp sít nhau, còn những cột ngắn hơn, rộng hơn, cách đều nhau hơn được dùng để mô tả gần đúng tờ giấy nhẵn. Trong khi tờ giấy thật ra là một ma trận gồm những sợi cellulose phức tạp hơn nhiều, đội nghiên cứu cho rằng những ma trận như vậy lái chất lỏng qua những cơ chế tương tự cho phép tờ giấy hút mực từ cây bút.
Viết lại các định luật vật lí. (Ảnh: iStockphoto.com/pavila)
Sức hút
Những cái hốc nhỏ trong tờ giấy có sức hút mao dẫn lớn hơn lực hút của cái ống rộng hơn của cái bút, nhưng những cái lỗ rất nhỏ cũng cản trở dòng chảy của mực. Miễn là các lỗ nhỏ trong chất liệu không rộng hơn khe hở ở ngòi bút, thì chất liệu thô sẽ hút mực nhanh hơn. Điều này cũng giải thích tại sao người ta khó dùng bút viết lên một miếng thủy tinh – không có những lỗ nhỏ, bề mặt thủy tinh không thể hút lấy mực. Trái lại, ngòi bút rộng hơn có mực mao dẫn nhỏ hơn, nên chúng cho mực thoát ra dễ dàng hơn. Đối với bản thân mực viết, suất căng bề mặt lớn cho phép nó làm ẩm tờ giấy hoặc ma trận cột rỗng một cách hiệu quả hơn, còn độ nhớt cao làm cho nó chuyển động chậm lại. Đội nghiên cứu đã đúc kết những mối liên hệ này, cộng với thời gian cái bút tiếp xúc với giấy, thành những định luật định lượng.
Nhóm của Kim đã xác nhận những mô hình trên bằng cách tạo ra cái bút và tờ giấy lí tưởng hóa trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu khắc miếng bánh xốp silicon thành những tập hợp cột dọc có đường kính, chiều cao và khoảng cách từ 10 đến 20 µm. Các ống mao dẫn đường kính 0,5-1 mm đóng vai trò ngòi bút, chứa đầy dung dịch glycerine với nồng độ khác nhau dùng làm mực giả. Đội nghiên cứu quay phim lại sự vẫy mực thành đốm và vẽ các đường nét, tìm thấy dữ liệu phù hợp với mô hình của họ.
Sau cả thiên niên kỉ ghi ghép, có lẽ bạn nghĩ sẽ chẳng có gì bất ngờ trong những kết quả này, nhưng Kim cho biết hình dạng của mực ở phía trước ngòi bút đang di chuyển là một bất ngờ. “Chúng tôi đã chứng minh thật ra đó là hình parabol – đẹp một cách đơn giản nhưng chẳng ai dự đoán trước cả”, ông lí giải. Nguyên nhân có hình parabol là vì các lỗ nhỏ ở phía trước ngòi bút đang di chuyển hút lấy khối mực, còn những lỗ nhỏ ở phía sau thì đã mao dẫn đầy ống.
Đặt bút lên giấy
Kiểm tra những định luật định lượng của họ với một cái bút và tờ giấy thật, các nhà nghiên cứu giữ một ngòi bút đường kính 0,1 mm trên tờ giấy bình thường trong 2 s. Họ dự đoán một vết đốm bán kính 3 mm, trông đợi bề rộng đường kẻ 0,82 mm với cái bút đang di chuyển 5 mm s-1. Bề rộng đường kẻ thật sự khá gần, 0,7 mm, còn vết đốm thì chưa bằng một nửa kích cỡ dự đoán, nó chỉ1,3 mm. Đội nghiên cứu giải thích sự khác biệt là do sự phồng giấy. Không giống như silicon rắn chắc, các sợi cellulose biến dạng khi chúng thấm chất lỏng, do đó làm tăng kích cỡ của các lỗ nhỏ.
Laurent Courbin thuộc trường Đại học Rennes, Pháp, mô tả nghiên cứu trên là thú vui đã đánh vào trái tim của ngành vật lí học. “Mục tiêu của một nhà vật lí nhà nhận ra những bài toán thú vị cho đến nay chưa được hiểu rõ và làm cho những bài toán đó có thể hiểu được bằng cách sử dụng những mô hình lí thuyết đơn giản nhất có thể có,” ông nói. “Khi những nghiên cứu như thế động đến những hiện tượng vật lí mà chúng ta gặp hàng ngày trong cuộc sống, thì công việc của chúng tôi còn đáng giá hơn nữa!”
Nghiên cứu sẽ công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
