Cứ mỗi khi Leonardo da Vinci không bận vẽ một bức tranh hay suy nghĩ về việc làm cách nào để bay, hàng xóm thường bắt gặp ông trầm ngâm hàng giờ ngoài thiên nhiên, đăm chiêu quan sát bề mặt dòng sông, với các xoáy nước dần trôi về vùng hạ lưu.
Điều khiến bộ não vĩ đại thời Phục Hưng kinh ngạc cũng là câu đố dành cho vô số nhà khoa học kể từ đó đến nay. Nửa thiên niên kỉ sau, ở thế kỉ 21, chúng ta vẫn đang gãi đầu bóp trán với một hiện tượng thường gọi là “nước nhảy”, hay nghe kêu hơn là “bước nhảy thủy lực - (hydraulic jump". Cuối cùng thì các nhà vật lý ở Đại học Cambridge có vẻ đã tìm ra cốt lõi vấn đề.
Nước nhảy dĩ nhiên là rất quen thuộc, đến nỗi chúng ta tưởng mình đã hiểu trọn vẹn, hoặc còn chả buồn nghĩ đến cách nó hình thành.
Hãy bật vòi nước lên và nhìn những dòng nước chảy quanh đáy bồn rửa. Khi mảng nước (sinh ra khi nước từ vòi đập vào đáy bồn) ngày càng to và dần lan ra rìa xung quanh, nước dường như cũng chất lên thành các ‘bậc thang’ cực kì có thứ tự, cho đến khi bồn rửa bắt đầu đầy.
Các sóng xung kích dạng đứng - standing shockwave này cũng được thấy dưới đáy các đập nước, thác nước, thủy triều ... tất cả những nơi có sự giao thoa giữa các dòng chảy ở các mức độ khác nhau.
Hiện tượng này, hẳn nhiên đã thu hút các bộ não khoa học từ trước thế kỉ 15 rất lâu, nhưng Leonardo Da Vinci là người đầu tiên đã khắc họa chi tiết về ‘hành vi’ của chất lỏng dưới các kiểu dòng chảy khác nhau như vậy. Mọi chi tiết được ghi lại trong các ghi chú của ông về tính chất của nước.
Da Vinci cho rằng bản chất của nước đã là vậy, ông không đưa ra thêm lời giải thích nào hơn được.
Ở các thế kỉ tiếp theo, Nhà vật lý thế kỉ 18 là Giovanni Battista Guglielmini và nhà toán học thế kỉ 19 là George Bidone đã tạo ra và hoàn thiện mô hình toán học của các "bậc thang nước". Tuy thế, vẫn không ai thực sự đưa ra lời giải thích tại sao nước lại tạo ra các hình sóng như thế.
Đến mãi năm 1914, nhà vật lý Anh với cái tên dài ngoằng vì dòng dõi quý tộc - John William "Cứ gọi tôi là Lãnh chúa Reyleigh thôi" Strutt, đời Baron Rayleigh thứ ba - đã viết nên một luận văn về các dòng thủy triều và Các sóng xung kích dạng lỏng. Lý giải của ông tính đến những thứ như độ nhớt (viscosity), động năng (kinetic energy), và thế năng (potential energy).
Ngoài ra còn có một khía cạnh là sức căng bề mặt (surface tension), theo ông là “chắc chắn đóng một vai trò quan trọng, nhưng nó có thể được tối thiểu hóa nhờ tăng cường độ dòng chảy, và tương ứng là độ sâu của nước trên bề mặt, trong chừng mực cho phép.”
Sức căng bề mặt giúp con côn trùng này có thể đi trên bề mặt nước
Câu trên có nghĩa là, Rayleigh không coi sức căng bề mặt là quan trọng trong sự hình thành của nước nhảy, do tăng cường độ dòng nước là sức căng sẽ bị giảm xuống mức rất thấp.
Các nhà nghiên cứu kể từ sau Rayleigh cũng thế, và thiên về các mô hình mô tả mối liên kết giữa bán kính của các chất lỏng có dòng chảy nhanh hơn với chiều cao của nước nhảy, như là một sự kết hợp giữa độ nhớt, quán tính và trọng lực.
Khi nước chảy dọc theo bề mặt, ma sát trở nên lớn hơn quán tính của chính nó, và làm chậm dòng chảy lại. Nếu sự thay đổi trong tốc độ đủ đột ngột - nước gặp mặt đáy và vận tốc ngay lập tức về 0, một sóng xung kích sẽ hình thành, giúp nước bật lên trong 1 quãng ngắn và dần dần nhảy.
Kích cỡ của bậc thang được cho là quyết định bởi lực kéo của thế năng cân bằng với lực đẩy của nước dưới chân của bậc thang.
Tuy nhiên cuộc tranh luận vẫn kéo dài nhiều năm rằng liệu trọng lực có thực sự đóng vai trò quyết định chiều cao của bước nhảy hay không. Và bài toán đặt ra bởi da Vinci vẫn chưa có hồi kết.
Bão ở Đài Loan hiển thị rõ nét hiện tượng nước nhảy
Trong nghiên cứu mới đây, nhà nghiên cứu kiêm kỹ sư Rajesh Bhagat chỉ ra rằng các nhà khoa học tiền bối có vẻ đã hơi vội khi loại đi ảnh hưởng của sức căng bề mặt.
“Chúng tôi nhận thấy, trong cú nhảy, sức căng bề mặt và lực nhớt đã cân bằng động lượng có trong lớp chất lỏng đang rơi tự do, trong khi đó trọng lực đóng vai trò không đáng kể,” Bhagat và đồng nghiệp viết trong báo cáo.
Loại đi ảnh hưởng của trọng lực và tập trung vào sức căng bề mặt còn giúp chúng ta tìm ra các cách khác nhau để tạo ra nước nhảy, chẳng hạn như thêm vào các chất hoạt có hoạt tính bề mặt- surfactant, những chất được thêm vào nước để làm giảm sức căng bề mặt.
“Hiểu quá trình này là rất quan trọng và có thể giúp giảm rất nhiều việc sử dụng nước công nghiệp,” Bhagat nói. “Ứng dụng lý thuyết này, chúng ta có thể tìm ra các cách mới để làm sạch mọi thứ, từ xe hơi cho đến máy móc công nghiệp.”
Ngài Rayleigh có thích thú với khám phá này không? Khó có thể nói, khi công trình cuộc đời của ông bị đảo lộn 180 độ như vậy. Nhưng có lẽ da Vinci mới là người hài lòng khi biết thêm về bản chất tự nhiên của nước và cách mà tự nhiên đặt các dấu ấn mê hoặc của mình lên dòng chảy của nó.
Tham khảo: Sciencealert