Trong tuần này, các nhà vật lí tại cuộc họp của Phân viện Động lực học Chất lưu ở Minneapolis, Minnesota, đã trưng bày những bức ảnh thực nghiệm tốt nhất của họ trong một “gallery chuyển động chất lưu”.
Các xoáy không khí thường hình thành xung quanh các đầu cánh của máy bay đang chuyển động và có thể ảnh hưởng đến chuyển động của máy bay khi máy bay ở gần mặt đất. Tính phức tạp của dòng chảy này được minh họa trong bức ảnh này, tạo ra bởi những cái cánh quay tròn trong một chất nhuộm huỳnh quang và rọi sáng toàn bộ cơ cấu bằng ánh sáng laser. Ngoài một xoáy chính (màu đỏ), một xoáy thứ cấp (màu xanh lá) được tạo ra bởi tương tác của dòng chảy với mặt đất. (Ảnh: Harris, Miller & Williamson)
Phản bọt là những giọt chất lỏng được bao quanh bởi một lớp mỏng không khí và lơ lửng trong chất lỏng. Chúng được tạo ra khi một chất lỏng chảy xoáy vào nhau, nhưng tính chất vật lí của chúng vẫn chưa được nghiên cứu rõ. Không giống như các bọt không khí trong chất lỏng, các phản bọt chìm xuống và chúng có xu hướng không bền.
Thí nghiệm này sử dụng một xoáy nước trong một bình chứa nước xà phòng để khảo sát cái xảy ra khi các phản bọt bị kéo căng ra hoặc bị xước bởi xoáy nước. Một vài phản bọt (viền đen) được vẽ nên trong xoáy nước. (Ảnh: Jens Kasten/Christoph Petz/Ingrid Hotz/Gilead Tadmor/Bernd R. Noack/Hans-Christian Hege)
Nước sốt cà chua nấm được cho vào gelatin trong thí nghiệm cho thấy những cấu trúc địa chất kiểu bản gọi là mương rãnh được tạo ra như thế nào trong lớp vỏ Trái đất bởi sự phun trào mắc-ma.
Ở đây, áp suất của nước sốt cà chua tăng lên cho đến khi nó hình thành nên một vết nứt trong gelatin. Nước sốt chiếm đầy chỗ gãy nứt, tiếp tục dâng lên theo phương thẳng đứng, cuối cùng thì chạm tới bề mặt. (Ảnh: Laboratorio de Mecánica Multiescalar de Geosistemas (LAMMG)/CGEO/UNAM)
Cái nấm hình thù kì lạ trong bức ảnh này là một tiếp giáp không bền giữa hai chất lỏng không trộn lẫn – nước (lớp trên) và một chất lỏng đặc hơn gọi là hydrofluoroether (lớp dưới). Cấu trúc hình thành sau khi dùng một xung laser ngắn làm bốc hơi nước, tạo ra một bọt khí ngay phía trên tiếp giáp của hai chất lỏng.
Khi cái bọt này đặc trở lại thành chất lỏng và co lại, phần còn lại của bọt đổ vào chất lỏng nặng hơn. Một dòng hydrofluoroether phản xạ bắn trở lại vào nước tạo ra hình dạng này. “Chóp mũ” tại đỉnh của hình này tạo ra bởi hydrofluoroether. Cuối cùng nó sẽ vỡ tan và chìm trở xuống bình chứa chất lỏng, và một tiếp giáp phẳng được phục hồi. (Ảnh: Cavitation Lab/School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS)/Nanyang Technological University)
Sự nhớt, sự cản trở của chất lỏng đối với dòng chảy, có thể giữ vai trò quan trọng trong cách thức một chất lỏng cho trước bắn tóe ra. Dầu silicon – cấu tạo từ các chuỗi nguyên tử silicon, na ná như các hợp chất hữu cơ cấu thành từ các nguyên tử carbon – nhớt hơn nước khoảng 10 lần.
Khi một giọt dầu silicon rơi trúng một bề mặt thủy tinh khô, nó trải ra thành một bản mỏng trước khi sự bắn tóe kiểu xúc tu (vành bên ngoài) hình thành. Ngược lại, các chất lỏng độ nhớt thấp bắn tóe tức thời hoặc kém tức thời hơn khi chạm trúng một bề mặt.
Tuy nhiên, những sự khác biệt này biến mất ở áp suất không khí thấp, khi đó sự bắn tóe hoàn toàn triệt tiêu đối với cả hai loại chất lỏng. Hình này được chụp ở áp suất khí quyển, nhưng khi áp suất giảm còn bằng một phần năm mức đó, các giọt chất lỏng sẽ trải ra đều đặn và êm dịu khi chúng chạm trúng một bề mặt thủy tinh. (Ảnh: M. M. Driscoll and S. R. Nagel/University of Chicago)
Loài cua ẩn cư có lớp mai ít có khả năng bị đánh bật bởi nước chảy. Hình dạng cái mai có thể là một yếu tố quan trọng trong sự chọn lựa này, vì những hình dạng khác nhau tạo ra sự kéo theo nhiều hơn hoặc ít hơn trong nước đang chuyển động.
Ở đây, một kĩ thuật gọi là tốc kế ảnh hạt được dùng để hình dung ra dòng chất lỏng xung quanh một cái mai. Các hạt đánh dấu nhỏ lơ lửng trong chất lỏng và được chụp ảnh với tốc độ chất lỏng chuẩn. Phân tích các bức ảnh cho thấy những cái mai gồ ghề có sự kéo theo kém hơn khi chất lỏng đang di chuyển nhanh. Nhưng những cái mai nhẵn hơn sẽ tốt hơn khi dòng chất lỏng chảy chậm.
Đặc điểm hình chai rượu trong bức ảnh này là một giọt dầu rơi vào một bình chứa đầy rượu cồn isopropyl. Dầu đậm đặc hơn cồn, nên nó rơi xuống phía dưới, và nó cũng hòa tan trong cồn, nên cuối cùng nó bị tan ra. Chuyển động của nó, sự nhớt và sự khuếch tán trong cồn tạo ra hình dạng đáy bằng này.
(Ảnh: R. R. La Foy/J. Belden/ A. M. Shih/T. T. Truscott/A. H. Techet)
Nước chảy trên mặt đại dương là một sự chắp nối của các hệ tương kết. Việc tách các mẫu dòng chảy ra khỏi mớ hỗn tạp có thể minh họa cho cách thức nước đại dương hòa trộn, một đặc điểm quan trọng trong các mô hình khí hậu.
Tính phức tạp của các dòng chảy được minh họa trong phân tích này của dữ liệu vệ tinh của dòng biển Kuroshio, dòng hải lưu mạnh thứ hai trên thế giới sau Gulf Stream. Ở đây, nước chuyển động nhanh (màu đỏ) hình thành nên những cấu trúc hình học gợi lên những cái vòng thòng lọng vạch ra bởi các hệ hỗn độn.
Một xung laser đơn được sử dụng để tạo ra ma trận gồm 25 cái bọt này trong một màng chất lỏng mỏng nằm trên một bản kính hiển vi. Khi bức ảnh này được chụp lúc 6 micro giây sau xung laser, những cái bọt ở phía ngoài của ma trận đang co lại do áp suất của chất lỏng xung quanh, còn những cái bọt ở giữa được che chắn tạm thời nhờ những lân cận của chúng. Hình này có bề rộng chưa tới 0,2 mm.
(Ảnh: Cavitation lab/SPMS/Nanyang Technological University)
Nước bắn vào không khí trong “dòng suối siêu âm” này, tạo ra bởi sự tập trung âm tần số cao trong một thể tích nước nhỏ nằm ngay bên dưới mặt nước. Sóng âm mang lại các giọt áp suất lớn khi chúng truyền qua trong nước, làm cho một số vùng trở nên khuếch tán mạnh đến mức nước chuyển từ thể lỏng sang hơi. Những cái bọt này, cũng như dòng chất lỏng điều khiển bởi các dao động âm, kết hợp lại tạo ra mạch phun nước micro này. (Ảnh: Cornell University)