- Michael Vollmer và Klaus-Peter Möllmann (Tạp chí The Physics Teacher, số tháng 10/2013)
Trong tự nhiên, các giọt nước có thể có hình dạng và kích cỡ đa dạng. Những giọt nhỏ với đường kính vào cỡ 5 đến 10 mm có mặt trong sương mù và những đám mây. Kích cỡ này chưa đủ lớn để lực hấp dẫn át trội hành trạng của chúng. Trái lại, những giọt nước mưa thường có kích cỡ chừng 1 mm, với kích cỡ tối đa mà người ta quan sát được trong thiên nhiên là cỡ 5 mm trong những trận mưa rào nhiệt đới. Điện trường trong khí quyển dẫn tới những kích cỡ lớn nhất1. Những giọt nước mưa trong những cơn mưa thiên nhiên không thể đạt tới những kích cỡ lớn tùy ý. Vậy những yếu tố nào chi phối kích cỡ tối đa của những giọt nước?
Để kiểm tra liệu những giọt nước lớn với kích cỡ trên 10 mm cũng có thể có dạng bền hay không, chúng tôi đã tiến hành một thí nghiệm tạo ra một giọt nước cực lớn bằng cách đổ đầy một quả bong bóng với chừng 2 lít nước (đường kính theo phương ngang của quả bong bóng khoảng 15 cm). Dùng một cái kim nhọn để chọc thủng lớp da cao su. Có thể sử dụng các camera tốc độ cao2 để nghiên cứu hành trạng này trong những thí nghiệm đơn giản.3 Hình 1 là một loạt ảnh chụp nhanh. Sau khi cái kim chọc một cái lỗ trên da bóng, quá trình rách vỡ diễn ra với tốc độ âm thanh trong vật liệu, ở đây là vài lần 100 m/s.4 Lớp da cao su bị vỡ sau vài milli giây; tuy nhiên, nước ở bên trong, lúc đầu nằm yên, bây giờ rơi tự do, chỉ rơi được khoảng 8 mm trong 40 ms đầu tiên sau khi bắt đầu, mang lại tốc độ chỉ bằng 0,4 m/s. Sự chênh lệch vận tốc lớn như thế này là nguyên nhân cho cái lạ nhìn thấy ở Hình 1, nó tương tự như một giọt chất lỏng lớn, có vẻ tránh né được lực hấp dẫn và vẫn lơ lửng trong không khí.
Hình 1. Một quả bóng nước nổ tung và được ghi lại với tốc độ 2000 khung hình/giây. Quá trình rách vỡ của lớp da diễn ra rất nhanh trong vòng vài milli giây. Sự rơi tự do của giọt nước “lớn” tuân theo định luật hấp dẫn và chậm hơn nhiều.
Hình 1 cho thấy hai chi tiết thú vị: lớp da rách vỡ lùi dần dẫn tới sự phun ra những giọt nước nhỏ thoát từ giọt nước lớn. Chúng xảy ra là do lực bám dính giữa lớp da cao su và nước. Trong khi lớp da bóng lùi dần, các lớp nước liền kề tăng tốc và sự phun bụi nước hình thành. Hành trạng này dừng lại ngay khi các lực cố kết, nguyên nhân gây ra sức căng bề mặt của nước, tạo ra một bề mặt ít nhiều trơn nhẵn hơn.
Thứ hai, lúc bắt đầu rơi xuống, giọt nước thật sự có hình dạng giống như cái mà nhiều họa sĩ nghĩ nhầm là hình dạng của một giọt nước đang rơi. Tuy nhiên, hình dạng này chỉ tồn tại trong một khoảnh khắc ngắn và do thực tế nó là hình dạng khối nước ban đầu do hình dạng của quả bóng cao su. Giọt nước lớn rơi ra khỏi tầm nhìn của camera trước khi người ta có thể xác thực liệu nó có còn nguyên vẹn không và liệu cuối cùng nó có đạt tới một dạng hình cầu hay không. Vì thế, chúng tôi lặp lại thí nghiệm này bằng cách cho giọt nước rơi từ tầng hai của tòa nhà trường đại học của chúng tôi từ độ cao khoảng 9 m. Hình 2 cho thấy hai ảnh chộp nhanh của kết quả. Giọt nước 10 đến 15 cm vẫn ít nhiều còn nguyên vẹn trong quãng đường rơi 5 đến 7 m trước khi bị vỡ thành những giọt nhỏ hơn. Với những giọt nước lớn của chúng tôi có thể tích ban đầu chừng 1 lít, người ta có thể dễ dàng ước tính rằng có khoảng 1 triệu giọt nước với đường kính khoảng 1 đến 2 mm được hình thành (ít nhiều phụ thuộc vào sự phân bố kích cỡ đang phát triển).
Hình 2. (a) Quả bóng nước rơi từ độ cao khoảng 8,8 m. Do độ phân giải không gian hạn chế của camera tốc độ cao (512 x 512 pixel) nên hình ảnh được ghi lại với một camera kĩ thuật số bình thường sau lúc bắt đầu khoảng 0,5 s và (b) 1,1 s.
Hình 3. Sơ đồ cơ chế tan vỡ của những giọt nước lớn.
Tại sao những giọt nước lớn rốt cuộc lại vỡ tan? Nói ngắn gọn thì nó tùy thuộc vào sự tác động qua lại giữa lực hấp dẫn, lực “nhớt” khí động học trong lúc rơi, và sức căng bề mặt. Những giọt lớn nhất được quan sát thấy trong những cơn mưa có đường kính khoảng 5 mm và những lớn nhất trong phòng thí nghiệm thì khoảng 9 mm. Tuy nhiên, cơ chế tan vỡ trong hai trường hợp là khác nhau: trong những cơn mưa thiên nhiên có sự vỡ tan do va chạm và tan rã trong lúc rơi,5 trong khi những giọt nước lớn được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thì tan rã do cơ chế phá vỡ khí động học6. Một cách định tính, ta có thể hiểu như sau (Hình 3): trong lúc chúng rơi, những giọt nước lớn bị dẹt ra sao cho có dạng lòng chão ở phía dưới. Ngoài ra, các dao động hình dạng7-9 thường có nguyên nhân do các lực ngoài tác dụng. Với một kích cỡ tới hạn (ví dụ, 9-10 mm), một giọt nước lớn khi đó có thể vỡ tan thành hai giọt nhỏ hơn có kích cỡ bằng nhau. Cơ chế vỡ giọt này rất giống với sự phân hạch của những hạt nhân lớn được xét với mô hình giọt chất lỏng cho hạt nhân nguyên tử.
Những thí nghiệm đầu tiên trên ISS chỉ chứng minh nhà du hành uống nước như thế nào trong tình trạng không trọng lượng. Nước từ từ bò ra khỏi vòi bình chứa. Từ đây có thể đưa đến những giọt nước đường kính vài centi mét, chúng ổn định và có thể tồn tại trong một thời gian dài – cho đến khi chúng bị thu giữ bởi miệng của nhà du hành vũ trụ.10,11 Nhiều thí nghiệm khác với những giọt nước lớn đã được thực hiện trên ISS bởi nhà du hành vũ trụ Don Pettit, bao gồm cả sự truyền sóng, sóng xung kích, và các bọt khí bên trong các quả cầu nước.12
Hình 4. Các thí nghiệm với những giọt nước lớn trong điều kiện trọng lượng suy yếu trong các chuyến bay quỹ đạo parabol. (a) Sự phun tơi trực tiếp sau khi lớp da bóng bị rách, (b) giọt nước đang dao động được duy trì bởi sức căng bề mặt (ảnh của Seth Lichter và Mark Weislogel).
Các thí nghiệm tương tự như thí nghiệm Hình 1 với việc chọc thủng lớp da của quả bóng nước đã được tiến hành trên tàu NASA DC-9 trong những chuyến bay quỹ đạo parabol trong điều kiện trọng lượng bị giảm mạnh.13 Tương tự như thí nghiệm trọng lực [Hình 1(b)], ban đầu người ta có thể quan sát thấy sự phun tơi những giọt nước sau khi lớp da bị rách [Hình 4(a)]. Tuy nhiên, sau pha phun tơi này, một giọt nước lớn với thể tích khoảng một lít lơ lửng trong không gian, được liên kết chỉ bởi sức căng bề mặt [Hình 4(b)]. Các dao động tắt dần yếu được kích thích bên trong giọt nước lớn này,mang lại hình ảnh nhìn đẹp và lạ mắt. Chúng có nguyên nhân là do sự bất đối xứng gây ra bởi lớp da bóng bị rách. Những dao động này có thể quan sát thấy trong bao lâu? Trong môi trường không trọng lượng, không có chuyển động tương đối giữa giọt nước và không khí xung quanh, điều kiện tiên tuyết cho bất kì lực khí động học nào dẫn tới sự tan vỡ của giọt nước. Do đó, giọt nước có thể tồn tại lâu chừng nào không có nhiễu loạn bên ngoài nào xảy ra. Trong các thí nghiệm trên DC-9, các giọt nước tồn tại nhiều giây cho đến khi lực hấp dẫn chắc chắn xuất hiện trở lại vào lúc cuối pha quỹ đạo parabol.
Những thí nghiệm này chứng minh không chỉ trẻ em mà cả các nhà khoa học và nhà du hành vũ trụ cũng có nhiều hứng thú với những giọt nước trên Trái đất và trong không gian. Và, câu trả lời cho câu hỏi đặt ra ban đầu là: trong tình trạng không trọng lượng, dường như không có giới hạn nào đối với kích cỡ của những giọt nước.
Tài liệu tham khảo
1. K. Jermacans và K. Laws, “Coalescence of raindrops in an electrostatic field,” Phys. Teach. 37, 208–211 (4/1999).
2. M.Vollmer và K.-P. Möllmann, “High speed—slow motion: Technology of modern high speed cameras,” Phys. Educ. 46 (2), 191–202 (2011).
3. M. Vollmer và K.-P. Möllmann, “Oscillating droplets and incompressible liquids: Slow motion visualization of experiments with fluids,” Phys. Educ. 47 (6), 664–679 (2012).
4. M.Vollmer và K.-P. Möllmann, “Exploding balloons, deformed balls, strange reflections, and breaking rods: Slow motion analysis of selected hands-on experiments,” Phys. Educ. 46 (4), 472–485 (2011).
5. H. R. Pruppacher và J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation (Kluwer Academic, 1997).
6. V. O’Brien, “Why raindrops break up— Vortex instability,” J. Meteorol. 18, 549–552 (1961).
7. K.V. Beard, H. T. Ochs III, và R. J. Kubesh, “Natural oscillations of raindrops,” Nature 342, 408–410 (1989).
8. B. J. Mason, “Physics of a raindrop,” Phys. Educ. 13, 414–419 (1978).
9. James E. McDonald, “The shape of raindrops,” Sci. Am. 190, 64–68 (2/1954).
10. esamultimedia.esa.int/docs/issedukit/en/html/t030405r1.html, www.youtube.com/watch?v=Fg1RMEIP6i4, Nhà du hành vũ trụ Greg Olsen uống nước trên ISS.
11. www.youtube.com/watch?v=s63JXdsL5LU, Nhà du hành vũ trụ Michael Fincke trên sứ mệnh STS-134 đang nô đùa với giọt nước.
12. physicscentral.com/explore/sots/index.cfm, Khoa học trên ISS từ nhà du hành vũ trụ Don Pettit; đặc biệt xem video tập 13: nô đùa với những quả cầu nước lớn, tập 11: chọc thủng những quả bóng nước nhỏ, quan sát sóng xung kích, và tập 5: bơm bọt khí vào trong các quả cầu nước.
13. G. M. M. Weislogel và S. Lichter, Phys. Fluid. 10 (9), S4 (1998); www.youtube.com/watch?v=gTqLQO3L4Ko.
Trần Nghiêm dịch ♦
