Hiện tượng chuỗi hạt Mould là khi một chuỗi hạt bi kim loại dài được thả từ trong cốc đặt trên cao xuống sàn, sợi chuỗi không trườn qua miệng cốc mà tự vồng lên thành một vòm cao phía trên cốc rồi mới đổ xuống, như một vòi phun bằng hạt. Lời giải được hai nhà vật lý John Biggins và Mark Warner đưa ra năm 2014: khi từng đoạn chuỗi bị giật lên khỏi đống trong cốc, đống hạt bên dưới đẩy ngược lên nó một cú, giống như cây gậy bị nhấc một đầu sẽ được mặt sàn đẩy đầu kia. Cú đẩy thêm ấy làm chuỗi bay cao hơn miệng cốc.
Một đoạn video gây tò mò khắp thế giới
Năm 2013, nhà phổ biến khoa học người Anh Steve Mould đăng một video ngắn: anh để một chuỗi hạt bi dài khoảng 50 m trong cốc, kéo đầu chuỗi qua mép cốc cho nó rơi xuống sàn. Thay vì trườn qua mép cốc, sợi chuỗi tự nâng lên thành một vòm cong vút trên không, tồn tại suốt cho tới khi chuỗi chạy hết. Video được xem hàng triệu lần, và câu hỏi "vì sao chuỗi lại bay lên" được đặt ra khắp nơi. Hiện tượng từ đó được gọi là chuỗi hạt Mould, hay vòi phun chuỗi (chain fountain).
Ai cũng thấy lạ, vì trực giác bảo rằng chuỗi chỉ cần lướt qua mép cốc là đủ. Cái gì đã đẩy nó lên cao hơn?
Lời giải: cú đẩy từ đống hạt bên dưới
Năm 2014, John Biggins và Mark Warner (Đại học Cambridge) công bố lời giải trên tạp chí Proceedings of the Royal Society A. Chìa khoá nằm ở cấu tạo của chuỗi hạt: nó gồm những hạt bi nối với nhau bằng những đoạn thanh kim loại ngắn, cứng. Mỗi cặp "hạt – thanh – hạt" giống một chiếc que nhỏ không gập được.
Thí nghiệm tưởng tượng với cây bút
Đặt một cây bút nằm ngang trên bàn. Dùng ngón tay nhấc thật nhanh một đầu bút lên. Đầu kia làm gì? Nó không chỉ nằm im: nó ấn xuống mặt bàn, và mặt bàn đẩy ngược lại. Nếu bạn nhấc đủ nhanh, cả cây bút bị hất lên cao hơn so với chỉ kéo một đầu. Cú đẩy ngược của mặt bàn đã cho thêm lực.
Trong cốc, mỗi khi một đoạn chuỗi bị kéo lên khỏi đống hạt, nó giống hệt cây bút bị nhấc một đầu: đầu kia của đoạn ấy tì xuống đống hạt bên dưới, và đống hạt đẩy ngược lên. Lực đẩy này cộng thêm vào lực kéo của phần chuỗi đang rơi. Kết quả là chuỗi rời cốc với tốc độ đi lên lớn hơn mức cần để chỉ qua mép, nên nó bay vồng lên.
Vì sao vòm có thể đứng yên
Một khi đã bay lên, chuỗi chuyển động liên tục rất nhanh dọc theo đường vòm. Cũng giống như sợi dây quay tròn trên tay, chuỗi đang chạy có lực căng lớn giữ hình dạng của nó. Hình dạng vòm do sự cân bằng giữa lực căng và trọng lực trên từng đoạn, nên dù từng hạt chạy qua rất nhanh, hình vòm vẫn đứng yên trong không trung.
Cái gì làm vòm cao hay thấp
| Yếu tố | Tác động lên chiều cao vòm |
|---|---|
| Độ cao từ cốc xuống sàn | Càng cao, chuỗi rơi càng nhanh, vòm càng cao |
| Loại chuỗi | Chuỗi bi có thanh nối cứng cho vòm rõ; dây thừng mềm hầu như không có vòm |
| Cách xếp chuỗi trong cốc | Xếp lỏng, không rối, chuỗi chạy đều hơn |
| Độ dài chuỗi | Chuỗi dài cho thời gian quan sát dài, không làm vòm cao hơn nhiều |
Theo phân tích của Biggins và Warner, chiều cao vòm tỉ lệ thuận với độ cao rơi: thả từ cao gấp đôi thì vòm cao gần gấp đôi. Các thí nghiệm đo đạc về sau khớp khá tốt với dự đoán này, dù chi tiết chính xác còn phụ thuộc vào loại chuỗi.
Không chỉ là một trò ảo thuật
Chuỗi hạt Mould là ví dụ đẹp về cách một hiện tượng nhỏ, quan sát được ở nhà, có thể làm các nhà vật lý thực thụ phải ngồi viết phương trình. Nó cũng nhắc lại một bài học trong cơ học: khi một vật "nối tiếp" chuyển động từ đứng yên sang chạy, lực tại điểm tiếp xúc có thể bất ngờ và quan trọng. Những hiện tượng cùng họ gồm dây xích rơi khỏi mép bàn nhanh hơn rơi tự do trong một số điều kiện, hay cách dây cáp được kéo ra từ cuộn trên tàu thả cáp biển.
Hiện tượng này cũng gần gũi với chủ đề của danh mục: một vật mềm dài được "vẽ" thành đường cong trên không nhờ chuyển động của chính nó, giống dải lụa trên tay người múa. Khác ở chỗ ở đây không có ai vẩy cổ tay, chỉ có trọng lực và cấu tạo của chuỗi.
Tự thử: vòi phun chuỗi ở nhà
Chuẩn bị
- Một chuỗi hạt bi kim loại: loại dùng làm dây kéo rèm cuốn hoặc dây đeo thẻ, móc khoá, mua theo cuộn dài. Nên có ít nhất 10 m; 20–30 m sẽ đẹp hơn.
- Một cốc thủy tinh dày hoặc cốc nhựa cao, miệng rộng vừa.
- Một chỗ đặt cốc trên cao và chắc chắn: nóc tủ thấp, bậc cầu thang, ban công tầng hai có lan can an toàn. Sàn bên dưới cách cốc ít nhất 1–1,5 m.
- Điện thoại để quay chậm.
Các bước
- Thả từng đoạn chuỗi vào cốc thật lỏng, không vo tròn, không để rối nút. Đây là bước quan trọng nhất; chuỗi rối sẽ giật cục và làm đổ cốc.
- Đặt cốc ở chỗ cao, cố định để cốc không trượt (có thể đặt trong một hộp các-tông nhỏ hoặc dùng băng dính dán đáy).
- Kéo đầu chuỗi ra khỏi cốc, thả xuống phía dưới một đoạn chừng 50 cm, rồi buông tay. Chuỗi sẽ tự chạy nhanh dần.
- Quan sát phía trên miệng cốc: vòm chuỗi sẽ dần dần nhô lên. Quay chậm để xem rõ.
- Thử đặt cốc ở các độ cao khác nhau (ví dụ 1 m rồi 2 m), đo chiều cao vòm bằng thước dựng cạnh cốc trong video. So sánh với dự đoán "cao gấp đôi thì vòm gấp đôi".
An toàn
Chuỗi chạy rất nhanh ở cuối, đầu chuỗi có thể quất mạnh. Mọi người đứng xa đường rơi, đeo kính nếu có. Không cúi mặt sát cốc. Hạt bi nhỏ là vật có thể gây hóc: cất chuỗi xa tầm với của trẻ dưới ba tuổi. Khi làm ở chỗ cao, luôn có người lớn đứng cạnh, không trèo lên ghế chênh vênh, không nghiêng người qua lan can.
Góc nhìn hôm nay
Thí nghiệm chuỗi hạt là bài tập tuyệt vời cho câu lạc bộ khoa học ở trường: rẻ, ấn tượng, có lời giải rõ ràng nhưng không quá dễ, và có thể đo đạc để kiểm tra lý thuyết. Video gốc của Steve Mould và video giải thích của chính anh cùng hai tác giả Cambridge vẫn dễ tìm trên các kênh phổ biến khoa học. Muốn đọc kỹ hơn, có thể tìm bài báo "Understanding the chain fountain" năm 2014 của Biggins và Warner; phần đầu bài viết khá dễ đọc với học sinh giỏi vật lý.
Câu hỏi thường gặp
Hiện tượng chuỗi hạt Mould là gì?
Đó là khi một chuỗi hạt bi dài được thả từ cốc trên cao xuống sàn, sợi chuỗi tự vồng lên thành vòm phía trên miệng cốc thay vì trườn qua mép. Hiện tượng được biết rộng rãi từ video của Steve Mould năm 2013.
Vì sao chuỗi hạt bay lên khỏi cốc?
Theo lời giải của Biggins và Warner năm 2014, mỗi đoạn chuỗi bị kéo lên giống một chiếc que cứng bị nhấc một đầu; đầu kia tì vào đống hạt và được đẩy ngược lên. Cú đẩy thêm này làm chuỗi rời cốc nhanh hơn và bay vồng lên.
Dùng dây thừng có làm được không?
Hầu như không. Dây thừng mềm, không có các đoạn cứng để tì vào đống bên dưới, nên không nhận được cú đẩy thêm. Chuỗi hạt bi có thanh nối cứng giữa các hạt mới cho vòm rõ.
Thả cao hơn thì vòm có cao hơn không?
Có. Phân tích lý thuyết và đo đạc cho thấy chiều cao vòm tăng gần tỉ lệ thuận với độ cao từ cốc xuống sàn. Thả từ cao gấp đôi thì vòm cao gần gấp đôi.
Mua chuỗi hạt bi ở đâu?
Chuỗi hạt bi kim loại là loại dây dùng cho rèm cuốn, dây đeo thẻ hoặc móc khoá, thường bán theo cuộn ở cửa hàng phụ kiện rèm, đồ kim khí. Nên mua cuộn dài ít nhất 10 m để thấy rõ vòm.
