Khi rót mật ong từ trên cao xuống bánh mì, dòng mật không đổ thành đống mà tự cuộn lại thành những vòng tròn đều như cuộn dây thừng. Hiện tượng này gọi là cuộn dây chất lỏng: dòng chất lỏng đặc, mảnh, rơi xuống một mặt phẳng bị nén dọc theo chiều dài và "oằn" sang một bên, giống như khi ta ấn một sợi mì sống hay một cọng dây mềm xuống bàn. Vì dòng mật liên tục chảy, chỗ oằn cứ quay vòng, tạo thành cuộn đều; rót càng cao, vòng cuộn càng nhanh.
Hiện tượng ai cũng từng thấy
Không chỉ mật ong. Sữa đặc rót lên cà phê, siro rót xuống bánh, nước sốt sô-cô-la, dầu gội đậm đặc, thậm chí nhựa đường nóng chảy đều có thể cuộn. Điều kiện cần là chất lỏng phải đủ đặc (độ nhớt cao), dòng chảy mảnh, và mặt hứng ở đủ xa bên dưới. Nước thì không cuộn: nó loãng quá, bắn tung toé hoặc lan ra ngay.
Từ những năm 1950, các nhà vật lý đã ghi nhận hiện tượng này, và đến cuối thế kỷ 20, nó trở thành một đề tài nghiên cứu nghiêm túc. Năm 1998, L. Mahadevan cùng các cộng sự công bố trên tạp chí Nature một bài ngắn với tên gọi vui "Fluid 'rope trick' investigated" (Nghiên cứu trò dây thừng chất lỏng), ghi lại những vòng cuộn rất nhanh của dòng siro mảnh rơi từ cao, nhanh tới mức phải dùng máy quay tốc độ cao mới đếm được.
Vì sao dòng đặc lại cuộn
Hãy nghĩ về một sợi mì Ý sống. Đặt đứng một đầu trên bàn và ấn nhẹ đầu kia xuống: sợi mì không chịu bị nén thẳng, nó cong oằn sang một bên. Kỹ sư gọi đó là mất ổn định oằn, cùng hiện tượng làm cây thước nhựa cong khi bị ép hai đầu.
Dòng mật ong đặc cũng vậy. Khi chạm mặt bánh, nó bị chặn lại đột ngột, phần mật phía trên vẫn đang đổ xuống dồn ép phần dưới. Vì mật rất đặc, dòng mật cư xử gần giống một sợi dây mềm: thay vì phình ra, nó oằn sang một bên. Chỗ oằn ấy liên tục được dòng mật mới đẩy tới, xoay vòng quanh điểm rơi, thành một cuộn đều.
Với chất lỏng loãng, độ nhớt không đủ để dòng giữ được hình "sợi dây" khi chạm đáy, nên nó lan ra thay vì oằn.
Ba chế độ cuộn
Các nghiên cứu sau đó, đặc biệt của Neil Ribe (Pháp) và cộng sự những năm 2000, chỉ ra rằng tuỳ độ cao rơi, độ đặc và lưu lượng, cuộn dây chất lỏng có ba chế độ chính:
| Chế độ | Khi nào | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Nhớt | Rót rất thấp, gần mặt hứng | Cuộn chậm, dòng gần như không bị kéo mảnh |
| Trọng lực | Độ cao vừa phải | Cân bằng giữa trọng lực và độ nhớt; có những độ cao mà dòng "lưỡng lự" giữa hai tốc độ cuộn |
| Quán tính | Rót cao, dòng rơi nhanh và mảnh | Cuộn rất nhanh, tần số tăng mạnh theo độ cao |
Điểm chung dễ quan sát nhất: rót càng cao, dòng càng mảnh và rơi càng nhanh, vòng cuộn càng nhỏ và quay càng nhanh.
Máy may chất lỏng
Điều gì xảy ra nếu mặt hứng không đứng yên mà di chuyển? Năm 2006, Sunny Chiu-Webster và John Lister (Đại học Cambridge) cho dòng siro rơi lên một băng chuyền chạy đều và gọi thí nghiệm của họ là "máy may cơ học chất lỏng". Tuỳ tốc độ băng chuyền so với tốc độ dòng rơi, vệt siro vẽ ra những hoa văn khác nhau: chuỗi vòng tròn nối nhau như lò xo kéo dài, hình số 8 liên tiếp, đường uốn khúc như sóng, đường "dệt" xen kẽ, và khi băng chuyền chạy đủ nhanh thì chỉ còn một đường thẳng.
Đây chính là thứ người làm bánh vẫn làm khi rắc sô-cô-la hay caramen lên mặt bánh: tay vừa rót vừa di chuyển, vẽ những đường uốn lượn. Các nhà khoa học cũng đang thử dùng nguyên lý này trong in 3D bằng vật liệu mềm, để tạo các cấu trúc xoắn nhỏ.
Một anh em kỳ lạ: hiệu ứng Kaye
Năm 1963, kỹ sư Alan Kaye mô tả một hiện tượng còn lạ hơn: khi rót một dòng dầu gội hay xà phòng lỏng đậm đặc xuống một vũng chính nó, thỉnh thoảng dòng chất lỏng bật nảy lên thành một tia bay ra ngoài, như tia nước phun ngược. Hiện tượng chỉ xảy ra với một số chất lỏng đặc biệt (loãng ra khi bị khuấy mạnh), kéo dài vài giây rồi tắt. Nó được gọi là hiệu ứng Kaye. Nếu nhà có dầu gội đặc, có thể thử rót từ cao vài chục centimet xuống một khay nghiêng và quan sát kỹ.
Tự thử: cuộn mật ong trên đĩa
- Chuẩn bị một lọ mật ong (hoặc siro đường đặc, sữa đặc), một chiếc thìa, một đĩa sứ phẳng màu tối để dễ thấy, và điện thoại có chế độ quay chậm.
- Múc một thìa mật, nghiêng thìa cho mật chảy thành dòng mảnh từ độ cao khoảng 2 cm xuống đĩa. Quan sát vòng cuộn.
- Từ từ nâng thìa lên 5 cm, rồi 10 cm, giữ dòng chảy liên tục. Vòng cuộn thay đổi thế nào về kích thước và tốc độ?
- Quay chậm ở mỗi độ cao. Xem lại và đếm số vòng trong 1 giây (với video quay chậm 8 lần, đếm số vòng trong 8 giây video).
- Vừa rót vừa kéo đĩa chậm sang ngang, rồi nhanh dần: tìm hình vòng nối nhau, hình số 8, đường uốn khúc và đường thẳng.
- So sánh với dầu ăn và nước. Chất nào cuộn, chất nào không?
Tính thử
Giả sử ở độ cao 10 cm, trong video quay chậm 8 lần, bạn đếm được 24 vòng trong 8 giây video. Vì 8 giây video tương đương 1 giây thật, tần số cuộn là 24 vòng mỗi giây. Nếu ở độ cao 5 cm đếm được 8 vòng trong 8 giây video, tần số là 8 vòng mỗi giây. Hạ độ cao một nửa, tần số giảm ba lần: tần số cuộn tăng nhanh hơn tỉ lệ thuận theo độ cao. Con số thật của bạn sẽ khác tuỳ loại mật và lưu lượng; đây chỉ là ví dụ cách tính.
Mật ong làm thí nghiệm bằng dụng cụ sạch vẫn ăn được. Lau bàn sau khi làm để tránh kiến. Mật ong không dùng cho trẻ dưới một tuổi.
Góc nhìn hôm nay
Cuộn dây chất lỏng là ví dụ rõ nhất cho thấy vật lý có ngay trên bàn ăn. Một thìa mật ong chứa cả lý thuyết oằn, độ nhớt, và những chế độ chuyển đổi mà các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu. Nó cũng nối với nhiều thứ uốn lượn khác: dây thừng thả từ trên cao xuống sàn cũng tự cuộn tròn, vòi tưới cuộn trên mặt đất, và nham thạch nóng chảy chảy chậm cũng tạo nếp cuộn. Muốn đọc thêm, hãy tìm các bài phổ biến về "liquid rope coiling" và "fluid mechanical sewing machine", cùng phần chất lưu trong sách vật lý phổ thông.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao mật ong cuộn tròn khi rót?
Dòng mật đặc và mảnh, khi chạm mặt hứng bị dồn ép từ phía trên nên oằn sang một bên như sợi dây mềm bị nén. Dòng mật mới liên tục đẩy chỗ oằn xoay vòng quanh điểm rơi, tạo thành cuộn tròn đều.
Vì sao nước không cuộn như mật ong?
Nước quá loãng, độ nhớt thấp nên không giữ được hình sợi dây khi chạm mặt hứng. Nó bắn tung hoặc lan ra ngay thay vì oằn sang một bên.
Rót mật cao hơn thì sao?
Rót càng cao, dòng mật rơi càng nhanh và càng mảnh, vòng cuộn càng nhỏ và quay càng nhanh. Với dòng rất mảnh rơi từ cao, vòng cuộn nhanh tới mức mắt thường không đếm kịp.
Máy may chất lỏng là gì?
Đó là thí nghiệm cho dòng siro đặc rơi lên một băng chuyền chạy đều. Tuỳ tốc độ băng chuyền, vệt siro vẽ thành vòng nối nhau, số 8, đường uốn khúc hoặc đường thẳng, giống mũi khâu của máy may.
Hiệu ứng Kaye là gì?
Hiệu ứng Kaye là khi dòng chất lỏng đặc biệt như dầu gội rót xuống vũng của chính nó bỗng bật nảy lên thành tia bay ra ngoài trong vài giây. Alan Kaye mô tả hiện tượng này năm 1963.
