"Nghịch lý bong bóng" 500 năm tuổi của Leonardo DaVinci đã được giải mã

[thuha19051234]

Một bí ẩn về vật lý chất lỏng được Leonardo DaVinci đề cập đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thế kỷ. Giờ đây chúng ta đã có câu trả lời.
Khoảng hơn 500 năm trước, Leonardo da Vinci quan sát các bong bóng khí nổi lên trên mặt nước thì nhận thấy, một số bong bóng bắt đầu xoắn ốc hoặc ngoằn ngoèo thay vì đi thẳng lên mặt nước một cách khó hiểu. Cụ thể, các bong bóng khí có bán kính hình cầu nhỏ tính bằng milimet có xu hướng đi theo đường thẳng đi lên trong nước, trong khi các bong bóng lớn hơn tạo ra sự lắc lư dẫn đến hình xoắn ốc hoặc ngoằn ngoèo định kỳ quỹ đạo.

Thiên tài Leonardo da Vinci

Hiện tượng không có lời giải thích trong nhiều thế kỷ​

Trong nhiều thế kỷ, không ai có lời giải thích hợp lý cho hiện tượng chuyển động kỳ lạ này của bong bóng nước. Tuy nhiên, hiện tại, 2 nhà khoa học nói đã giải mã được câu đố bằng cách phát triển các mô phỏng mới phù hợp với các phép đo hiệu ứng có độ chính xác cao.
Các nhà vật lý chất lỏng Miguel Herrada và Jens Eggers cho biết: "Chuyển động của bong bóng trong nước đóng vai trò trung tâm đối với nhiều hiện tượng tự nhiên, từ công nghiệp hóa chất đến môi trường."
Nhiều nhà khoa học đã có các mô hình nghiên cứu cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết. Tuy nhiên, bất chấp sự sẵn có của sức mạnh tính toán khổng lồ, họ vẫn không thể dung hòa các thí nghiệm với các mô phỏng số của các phương trình thủy động lực học đầy đủ cho một bong bóng khí biến dạng trong nước. Điều này càng đúng hơn với quan sát của Leonardo da Vinci, rằng các bong bóng khí đủ lớn thực hiện chuyển động tuần hoàn, thay vì bay lên theo đường thẳng.
Hiện tượng bong bóng vốn rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, và hầu hết chúng ta cũng không để ý đến sự phức tạp về mặt động lực học. Kể cả khoa học cũng rất khó nghiên cứu bằng thực nghiệm. Việc xuất hiện bong bóng khí nổi lên trong nước chịu ảnh hưởng của một loạt các lực giao nhau, chẳng hạn như độ nhớt của chất lỏng, ma sát bề mặt và bất kỳ chất gây ô nhiễm nào cũng có thể làm biến dạng hình dạng của bong bóng và thay đổi động lực học của nước chảy xung quanh chúng.

Câu đố cuối cùng đã được giải

Giải đáp bí ẩn 500 năm​

Herrada và Eggers đã sử dụng các phương trình Navier-Stokes, là một khung toán học để mô tả chuyển động của chất lỏng nhớt, mô phỏng sự tương tác phức tạp giữa bọt khí và môi trường nước của chúng. Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định chính xác bán kính hình cầu kích hoạt loại chuyển động này.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các bong bóng có thể đạt đến một bán kính tới hạn đẩy chúng vào những con đường mới và không ổn định do sự tương tác giữa dòng nước xung quanh chúng và sự biến dạng tinh vi về hình dạng của chúng.
Bong bóng vượt quá bán kính tới hạn sẽ trở nên thiếu ổn định, tạo ra độ nghiêng làm thay đổi độ cong của bong bóng. Sự thay đổi độ cong làm tăng vận tốc của nước xung quanh bề mặt bong bóng, gây ra chuyển động lắc lư. Bong bóng sau đó quay trở lại vị trí ban đầu do sự mất cân bằng áp suất được tạo ra bởi các biến dạng ở dạng cong của nó và lặp lại quá trình theo chu kỳ định kỳ.
Herrada và Eggers kết luận trong nghiên cứu: "Mặc dù trước đây người ta tin rằng tạo thành và to lên của bong bóng trở nên không ổn định, nhưng giờ đây chúng tôi chứng minh một cơ chế mới, dựa trên sự tương tác giữa dòng chảy và sự biến dạng của bong bóng. Điều này mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu các tạp chất nhỏ, hiện diện trong hầu hết các môi trường thực tế, mô phỏng một hạt ở đâu đó giữa chất rắn và chất khí."

>>>Khoa học vừa phá kỷ lục về xung điện tử ngắn nhất từ trước đến nay

Nguồn Vice