Vì sao dây thun luôn ‘quằn quại’ khi bạn búng nó đi?

Các gợn sóng đặc trưng hình thành ở các sợi dây thun sau khi chúng bị búng vào không khí vừa được nghiên cứu tỉ mỉ bởi hai nhà vật lí ở Mĩ.

Alexandros Oratis và James Bird tại Đại học Boston đã sử dụng camera tốc độ cao lần đầu tiên làm sáng tỏ cách các sợi dây thun bị kéo căng hình thành các sóng dọc khi chúng được buông ra. Sau đó hai nhà nghiên cứu đã sử dụng các quan sát của họ để lập mô hình động lực học của quá trình thả buông sợi thun và mô phỏng nó trên máy tính.

Nhiều người trong chúng ta đã quen thuộc với cái trải nghiệm vui vẻ là kéo căng một đầu sợi thun ra xa ngón tay cái và rồi buông nó ra. Ngón tay cái có vẻ như tự động tránh ra khỏi đường sợi thun bắn vào không khí. Điều này xảy ra trong khoảng 10 ms và vì thế động lực học chi phối việc kéo thả sợi thun – và cơ chế làm cho ngón tay cái “tránh đường” – có một chút gì đó bí ẩn.

Lúc mới làm nghiên cứu của họ, Oratis và Bird nhận thấy một sợi dây thun đang co lại khác với trường hợp một sợi dây đàn hồi bị kéo căng và buông ra vốn đã được nghiên cứu kĩ. Không giống một dải băng đơn giản, sợi dây thun phát triển hình dạng giọt nước mắt dát thẳng khi bị kéo căng từ ngón tay cái. Điều này có nghĩa là cả hai đầu dây thun kéo căng bị uốn cong nhiều ngay sau khi thả ra, và điều này phải được tính đến trong bất kì mô hình nào mô tả hành trạng sau đó của sợi thun.

Ngón tay cái luôn “né” được đường đi của sợi thun. (Ảnh: AT Oratis và JC Bird)

Các ảnh chụp camera tốc độ cao cho thấy ngay sau khi sợi thun được thả ra, một sóng ứng suất dọc bắt đầu phát triển tại đầu sau của nó – cái chưa từng được dự đoán bởi các mô hình lí thuyết trước đây. Sóng này sau đó truyền về phía trước ở một tốc độ rõ ràng – sóng này truyền nhanh hơn tốc độ chuyển động của dây thun. Hơn nữa, bước sóng của sóng đó tăng theo thời gian.

Video quay lại cũng cho thấy rõ làm thế nào ngón tay cái của người búng sợi thun tránh bị sợi thun bắn trúng. Khi sợi thun bị kéo căng, lực căng trong sợi thun được cân bằng bởi lực đẩy của ngón tay cái về phía trước. Lúc buông ra, ngón tay cái xoay tròn về phía trước và tránh ra khỏi đường đi của sợi thun.

Oratis và Bird đã sử dụng các quan sát của họ xây dựng các phương trình sóng cho các gợn sóng trong sợi thun. Mô hình của họ xét lực căng, quán tính, cũng như bề dày và độ cong của sợi thun. Các phương trình này được đưa vào các mô phỏng số lần đầu tiên tái tạo chính xác cơ chế động lực học của các sợi thun đang co lại.

Hai nhà nghiên cứu tin rằng kết quả của họ có thể giải thích tốt hơn cơ chế động lực học của nhiều hệ đa dạng, từ súng cao su ở công viên giải trí cho đến súng phân tử cấp độ nano dùng để phân phối thuốc trong cơ thể.

Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp