Có kích cỡ tối đa giọt nước tự nhiên hay không? Michael Vollmer Klaus-Peter Möllmann (Tạp chí The Physics Teacher, số tháng 10/2013) Trong tự nhiên, giọt nước có hình dạng kích cỡ đa dạng Những giọt nhỏ với đường kính vào cỡ đến 10 mm có mặt sương mù đám mây Kích cỡ chưa đủ lớn để lực hấp dẫn át trội hành trạng chúng Trái lại, giọt nước mưa thường có kích cỡ chừng mm, với kích cỡ tối đa mà người ta quan sát thiên nhiên cỡ mm trận mưa rào nhiệt đới Điện trường khí dẫn tới kích cỡ lớn nhất1 Những giọt nước mưa mưa thiên nhiên đạt tới kích cỡ lớn tùy ý Vậy yếu tố chi phối kích cỡ tối đa giọt nước? Để kiểm tra liệu giọt nước lớn với kích cỡ 10 mm có dạng bền hay không, tiến hành thí nghiệm tạo giọt nước cực lớn cách đổ đầy bong bóng với chừng lít nước (đường kính theo phương ngang bong bóng khoảng 15 cm) Dùng kim nhọn để chọc thủng lớp da cao su Có thể sử dụng camera tốc độ cao2 để nghiên cứu hành trạng thí nghiệm đơn giản.3 Hình loạt ảnh chụp nhanh Sau kim chọc lỗ da bóng, trình rách vỡ diễn với tốc độ âm vật liệu, vài lần 100 m/s.4 Lớp da cao su bị vỡ sau vài milli giây; nhiên, nước bên trong, lúc đầu nằm yên, rơi tự do, rơi khoảng mm 40 ms sau bắt đầu, mang lại tốc độ 0,4 m/s Sự chênh lệch vận tốc lớn nguyên nhân cho lạ nhìn thấy Hình 1, tương tự giọt chất lỏng lớn, tránh né lực hấp dẫn lơ lửng không khí Hình Một bóng nước nổ tung ghi lại với tốc độ 2000 khung hình/giây Quá trình rách vỡ lớp da diễn nhanh vòng vài milli giây Sự rơi tự giọt nước “lớn” tuân theo định luật hấp dẫn chậm nhiều Hình cho thấy hai chi tiết thú vị: lớp da rách vỡ lùi dần dẫn tới phun giọt nước nhỏ thoát từ giọt nước lớn Chúng xảy lực bám dính lớp da cao su nước Trong lớp da bóng lùi dần, lớp nước liền kề tăng tốc phun bụi nước hình thành Hành trạng dừng lại lực cố kết, nguyên nhân gây sức căng bề mặt nước, tạo bề mặt nhiều trơn nhẵn Thứ hai, lúc bắt đầu rơi xuống, giọt nước thật có hình dạng giống mà nhiều họa sĩ nghĩ nhầm hình dạng giọt nước rơi Tuy nhiên, hình dạng tồn khoảnh khắc ngắn thực tế hình dạng khối nước ban đầu hình dạng bóng cao su Giọt nước lớn rơi khỏi tầm nhìn camera trước người ta xác thực liệu có nguyên vẹn không liệu cuối có đạt tới dạng hình cầu hay không Vì thế, lặp lại thí nghiệm cách cho giọt nước rơi từ tầng hai tòa nhà trường đại học từ độ cao khoảng m Hình cho thấy hai ảnh chộp nhanh kết Giọt nước 10 đến 15 cm nhiều nguyên vẹn quãng đường rơi đến m trước bị vỡ thành giọt nhỏ Với giọt nước lớn tích ban đầu chừng lít, người ta dễ dàng ước tính có khoảng triệu giọt nước với đường kính khoảng đến mm hình thành (ít nhiều phụ thuộc vào phân bố kích cỡ phát triển) Hình (a) Quả bóng nước rơi từ độ cao khoảng 8,8 m Do độ phân giải không gian hạn chế camera tốc độ cao (512 x 512 pixel) nên hình ảnh ghi lại với camera kĩ thuật số bình thường sau lúc bắt đầu khoảng 0,5 s (b) 1,1 s Hình Sơ đồ chế tan vỡ giọt nước lớn Tại giọt nước lớn rốt lại vỡ tan? Nói ngắn gọn tùy thuộc vào tác động qua lại lực hấp dẫn, lực “nhớt” khí động học lúc rơi, sức căng bề mặt Những giọt lớn quan sát thấy mưa có đường kính khoảng mm lớn phòng thí nghiệm khoảng mm Tuy nhiên, chế tan vỡ hai trường hợp khác nhau: mưa thiên nhiên có vỡ tan va chạm tan rã lúc rơi,5 giọt nước lớn nghiên cứu phòng thí nghiệm tan rã chế phá vỡ khí động học6 Một cách định tính, ta hiểu sau (Hình 3): lúc chúng rơi, giọt nước lớn bị dẹt cho có dạng lòng chão phía Ngoài ra, dao động hình dạng7-9 thường có nguyên nhân lực tác dụng Với kích cỡ tới hạn (ví dụ, 9-10 mm), giọt nước lớn vỡ tan thành hai giọt nhỏ có kích cỡ Cơ chế vỡ giọt giống với phân hạch hạt nhân lớn xét với mô hình giọt chất lỏng cho hạt nhân nguyên tử Những thí nghiệm ISS chứng minh nhà du hành uống nước tình trạng không trọng lượng Nước từ từ bò khỏi vòi bình chứa Từ đưa đến giọt nước đường kính vài centi mét, chúng ổn định tồn thời gian dài – chúng bị thu giữ miệng nhà du hành vũ trụ.10,11 Nhiều thí nghiệm khác với giọt nước lớn thực ISS nhà du hành vũ trụ Don Pettit, bao gồm truyền sóng, sóng xung kích, bọt khí bên cầu nước.12 Hình Các thí nghiệm với giọt nước lớn điều kiện trọng lượng suy yếu chuyến bay quỹ đạo parabol (a) Sự phun tơi trực tiếp sau lớp da bóng bị rách, (b) giọt nước dao động trì sức căng bề mặt (ảnh Seth Lichter Mark Weislogel) Các thí nghiệm tương tự thí nghiệm Hình với việc chọc thủng lớp da bóng nước tiến hành tàu NASA DC-9 chuyến bay quỹ đạo parabol điều kiện trọng lượng bị giảm mạnh.13 Tương tự thí nghiệm trọng lực [Hình 1(b)], ban đầu người ta quan sát thấy phun tơi giọt nước sau lớp da bị rách [Hình 4(a)] Tuy nhiên, sau pha phun tơi này, giọt nước lớn với thể tích khoảng lít lơ lửng không gian, liên kết sức căng bề mặt [Hình 4(b)] Các dao động tắt dần yếu kích thích bên giọt nước lớn này,mang lại hình ảnh nhìn đẹp lạ mắt Chúng có nguyên nhân bất đối xứng gây lớp da bóng bị rách Những dao động quan sát thấy bao lâu? Trong môi trường không trọng lượng, chuyển động tương đối giọt nước không khí xung quanh, điều kiện tiên tuyết cho lực khí động học dẫn tới tan vỡ giọt nước Do đó, giọt nước tồn lâu chừng nhiễu loạn bên xảy Trong thí nghiệm DC-9, giọt nước tồn nhiều giây lực hấp dẫn chắn xuất trở lại vào lúc cuối pha quỹ đạo parabol Những thí nghiệm chứng minh không trẻ em mà nhà khoa học nhà du hành vũ trụ có nhiều hứng thú với giọt nước Trái đất không gian Và, câu trả lời cho câu hỏi đặt ban đầu là: tình trạng không trọng lượng, dường giới hạn kích cỡ giọt nước ... rơi, giọt nước lớn bị dẹt cho có dạng lòng chão phía Ngoài ra, dao động hình dạng7-9 thường có nguyên nhân lực tác dụng Với kích cỡ tới hạn (ví dụ, 9-10 mm), giọt nước lớn vỡ tan thành hai giọt. .. nhà du hành vũ trụ có nhiều hứng thú với giọt nước Trái đất không gian Và, câu trả lời cho câu hỏi đặt ban đầu là: tình trạng không trọng lượng, dường giới hạn kích cỡ giọt nước ... rách vỡ lùi dần dẫn tới phun giọt nước nhỏ thoát từ giọt nước lớn Chúng xảy lực bám dính lớp da cao su nước Trong lớp da bóng lùi dần, lớp nước liền kề tăng tốc phun bụi nước hình thành Hành trạng