Tại sao lại có Sóng và xoáy?

Nhiều hiện tượng vật lý hàng ngày không thể giải thích được nếu chỉ dựa vào các định luật vật lý sơ cấp. Thậm chí hiện tượng trông thấy như sóng biển khi trời lộng gió, không thể giải thích được cặn kẽ trong khuôn khổ của chương trình vật lý ở trường phổ thông. Sóng gựn trên mặt nước lặng từ mũi tàu thủy đang chạy là do nguyên nhân nào? Tại sao các ngọn cờ lại tung bay trước gió? Tại sao từ ống khói nhà máy, khói bốc lên lại cuồn lốc?

Để giải thích những hiện tượng này và những hiện tượng tương tự khác, cần phải hiểu biết các đặc điểm được gọi là chuyển động xoáy của chất lóng và chất khí. Ởđây chúng tôi cốgắng trình bày một ít về các hiện tượng xoáy và lưu ý đến các đặc điểm chính của chúng.

Chúng ta hãy tường tượng có dòng chất lỏng chảy trong ống. Nếu tất cảcác hạt của chất lỏng đều chuyển động dọc ống theo những đường song song, thì trước mắt chúng ta đó là dạng chuyển động đơn giản nhất của chất lỏng—dòng chảy lặng, hay như các nhà vật lý thường nói, dòng chảy tăng (hình 1). Thếnhưng đây hoàn toàn không phải là trường hợp tiêu biểu nhất. Ngược lại, thường gặp là dòng chất lỏng chảy roi trong ống; từ thành ống các hạt của chất lỏng chuyển động đến trục của ông. Đó

Hình 1. Dòng chảy lặng (tầng) trong ống.

Hình 2. Dòng cháy xoáy (rồi) trong ống.

là—chuyển động dạng xoáy, hoặc rối (hình 2). Ví dụ như nước trong óng của hệ thống dẫn nước (nếu như không nói đến các ống móng trong đó có dòng chảy tầng). Dòng cháy xoáy quan sát được khi nào vận tốc dòng chảy trong ống (đường kính đã biết) của chất lỏng cho trước đạt đến một đại lượng xác định gọi là vận tốc tới hạn[1]

Bằng cách hòa thêm một ít bột, như bột licôpôđi (bột màu vàng có thể cháy) chẳng hạn vào chất lỏng trong suốt cháy trong ống thủy tinh thì dòng cháy xoáy dễ trông thấy hơn. Lúc đó xoáy cuộn từ thành ống đến trục ống phân biệt được rất rõ ràng.

Đặc điểm của dòng chảy xoáy này được ứng dụng trong kỹ thuật sản xuất các tủ ướp lạnh và thiết bị làm mát. Chất lỏng chảy rồi trong ống có thành làm lạnh sẽ làm cho các hạt va chạm vào thành ông một cách nhanh chóng hơn là trong chuyển động không có xoáy; cũng cần nhớ rằng, chất lỏng vốn là chất dẫn nhiệt kém và vì vậy, nếu không được khuấy trộn thì dù hâm nóng hay làm lạnh đều phải rất lâu. Sự trao đổi hồi phục chất và nhiệt của máu với các mô bao bọc có thể thực hiện được cũng chỉvì là dòng máu trong các huyết quản không phải là dòng chảy tầng mà là dòng chảy xoáy.

Những điều vừa nói vẽ dòng chảy trong ống cũng được áp dụng cho cả các trường hợp nước chảytrong kênh hồvà trong sông: nước chảy trong kênh và trong sông là thuộc về dòng chảy rồi. Khi đo chính xác vận tốc của dòng chảy trong sông, dụng cụ đo phát hiện được cả các xung động của dòng chảy, đặc biệt là ở gần đáy sông: các xung động chỉ báo hướng thay đổi nhất định của dòng, tức là hướng xoáy của dòng. Các hạt nước trong sông chuyển động không chỉ theo dọc lòng sông như người ta vẫn tương, mà cá từ bờ cho đến giữa lòng sông. Vì vậy đã có sự khẳng định không đúng rằng, hình như nước sông ở dưới sâu quanh năm chỉcó mỗi nhiệt độ bằng + 4° C; sự thật thì do sự khuẫy trộn nên nhiệt độ của nước chảy ở gần đáy sông (chứ không phải hồao) cũng bằng nhiệt độ của nước ở mặt sông.

Các xoáy hình thành ở đáy sông cuốn theo các hạt cát mánh và gây ra ở đây các sóng mang cát. Cũng có thể trông thấy điều đó ở bãi cát bờ biển bị sóng tràn vào xói rửa (hình 3). Nếu ở gần đáy là dòng nước lặng thì cát ở đáy đã phải có bề mặt bằng phẳng.

Như vậy, các xoáy cuộn được hình thành ở gần bềmặt của vật thể bị nước xói. Sợi dây thừng uốn lượn như con rắn kéo dài theo dòng nước (khi có một đầu cố định, một đầu tự do trong nước) nói với chúng ta về sự tồn tại của xoáy. Vậy cái gì xảy ra ở đây? Xoáy lôi cuốn phần gần đoạn dây có xoáy hình thành; nhưng đến thời điểm tiếp theo, đoạn dây này di động là do một xoáy khác theo hướng ngược lại — kết quảlà đoạn dây uốn lượn như thể con rắn

Hình 3. Sự hình thành bãi cát có dạng sóng trên bờ biển do tác dụng của nước cuộn xoáy.

(hình 4). Bây giờ thì dễ dàng hiểu được tại sao lá cờ phất phới dạng sóng trong gió (hình 5): ở đây cũng xảy ra điều tương tự như ở đoạn dây trong dòng nước.

Từ các chất lỏng ta chuyển sang chất khí. Ai mà lại không trông thấy các gió xoáy cuồn theo bụi bặm, rơm rạ, V. V... từ mặt đất? Đây là sự xuất hiện dòng xoáy của không khí dọc theo bề mặt Trái Đất. Còn khi dọc theo bể mặt nước, thì ở những nơi có hình thành các xoáy do áp suất không khí ở đây bị giảm xuống, nước sẽ dâng lên thành ụ—mặt nước nổi sóng. Cũng nguyên do như thếmà hình thành các sóng cát ở sa mạc và ở các sườn dốc đụn cát (hình 6). Các gợn sóng trái dài trên cánh đồng lúa chín cũng có căn nguyên như vậy. Tấm kim loại

Hình 4. Chuyển động dạng sóng của sợi dây trong dòng nước chảy gây nên do sự hình thành các xoáy.

Hình 5 Cờ bay phất phới trong gió.

của mũi tên chỉ hướng gió không giữ được hướng cố định trong gió, mà luôn luôn lay động vì bị xoáy giật. Các luồng khói cuồn cuộn tuôn ra từ ống khói của nhà máy, cũng với nguồn gốc xoáy lốc như thế: chất khí bị đốt bốc lên qua ống khói bởi chuyển động xoáy, và khi đã ra khỏi ống khói vẫn còn tiếp tục cuộn xoáy theo quán tính trong một thời gian nữa (hình 7).

Chuyển động xoáy có ý nghĩa quan trọng đối với ngành hàng không. Cánh máy bay phải có dạng sao cho ở phía dưới cánh là một vùng không khí loãng, còn ở phía trên cánh thì ngược lại — chuyển động xoáy được gia tăng. Kết quảlà cánh được nâng lên từ phía dưới, còn từ phía trên thì được hút lên (hình 8). Khi chim dang rộng cánh bay lượn cũng diễn ra hiện tượng tượng tự.

Còn gió thổi làm tốc mái nhà thì như thếnào? Xoáy lốc tạo ra trên mái nhà vùng không khí loãng; không khí dưới mái nhà có xu hướng cân bằng áp suất nên cuốn hút lên phía trên và ép dõn lên mái. Kết quả đáng tiếc xảy ra mà chúng ta thường thấy là: những mái nhà nhẹ không được gia cốchắc chắn đã bị gió cuốn đi. Những cửa kính cũng với nguyên do đó đã bị nén vỡ từ phía bên trong (chứ không phải

Hình 6. Bề mặt của cát có dạng hình sóng ở sa mạc.

Hình 7. Các luồng khói cuộn tròn tuôn ra từ ống khói nhà máy.

áp suất từ bên ngoài). Thế nhưng những hiện tượng đó được giải thích đơn giản hơn bằng sự giảm áp suất trong không khí khi chuyển động (xem mục trước «Nguyên lý Becnuli và các hệ quả của nó»). Khi hai luồng không khí có nhiệt độ và độ ẩm

Hình 8. Cánh máy bay chịu tác dụng của những lực nào? Sự phân bố áp suất ( + ) và vùng không khí loãng (—) ở cánh máy bay dựa trên cơ sở các thí nghiệm. Kết quả là tất cả các lực đỡ và hút đã nâng cánh máy bay lên. (Các dường liên tục chỉrõ sự phân bố áp suất; các đường gạch nét — cũng vậy khi vận tốc máy bay tăng đột ngột)

khác nhau, luồng này thổi dọc theo luồng kia, thì trong mỗi luồng sẽ xuất hiện xoáy lốc. Các hình dạng khác nhau của các đám mây phần lớn là do nguyên nhân này.

Chúng ta thấy đấy, những hiện tượng có liên quan đến các dòng chảy xoáy là thuộc về các phạm vi rộng lớn biết chừng nào!