Phá vỡ sự tĩnh tại: Quan sát và giải thích các dao động của nước nhảy tuần hoàn

Trong một nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà khoa học đã khám phá cách các tia nước nhỏ có thể tạo ra những dao động bền tuần hoàn trên một đĩa cứng, khám phá một kết nối các chuyển động với các con sóng chúng tạo ra và đem đến những cái nhìn sâu vào tương tác động lực trong hành xử của dòng chảy.

Nước nhảy là một hiện tượng xuất hiện khi một chất lỏng chảy cực nhanh bị đột ngột gặp một dòng chảy chậm hoặc một vùng nước tù. Sự chuyển tiếp đột ngột này dẫn đến sự thay đổi trong đặc điểm của dòng chảy, nguyên nhân hình thành một bước nhảy mà người ta có thể quan sát hoặc hiện tượng dâng lên trong chiều cao chất lỏng.

Trong quá trình này, năng lượng động lực học của chất lỏng chảy với vận tốc cực nhanh được chuyển đổi thành năng lượng tiềm năng, dẫn đến thay đổi về vận tốc và chiều sâu dòng chảy. Hiện tượng này thường được quan sát trong nhiều trường hợp như khi một tia chất lỏng tác động lên một bề mặt, trên các dòng sông hoặc hạ nguồn của các đập nước.

Mới đây, các nhà nghiên cứu Pháp đã tìm hiểu một kịch bản khi một nước nhảy hình tròn trải qua những dao động tuần hoàn bền lên một đĩa rắn.

Giải thích về mục tiêu của nhóm nghiên cứu trong nghiên cứu này, Aurélien Goerlinger nói với Phys.org, “nước nhảy là một hiện tượng có ở khắp mọi nơi và được xem là đơn giản. Tuy nhiên, điều này lại phản trực giác vì tự nhiên thích những chuyển pha mềm mại hơn là những chuyển pha đột ngột. “Do đó, rất khó để mô hình hóa nước nhảy, dẫu từ thời Da Vinci đến nay có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Dẫu nhiều khía cạnh cơ bản đã được hiểu hoặc được khám phá thì nước nhảy thủy lực vẫn còn là một hướng nghiên cứu quan trọng với nhóm nghiên cứu của chúng tôi”.

Nước nhảy và tia nước

Một thiết kế thực nghiệm trong nghiên cứu này bao gồm nước nhảy hình tròn trên một đĩa rắn sử dụng tia nước dưới milimét.

Các nhà nghiên cứu ban đầu tạo một tia nước dưới milimét, với đường kính 0,84 mm, hướng thẳng vào một cái đĩa Plexiglas với bề mặt nghiêng một góc 90 độ ở vị trí cách 1 cm với điểm chịu tác động của tia nước này.

Quá trình này dẫn đến sự hình thành của một mẫu tuần hoàn không liên tục nơi chất lỏng tạo thành một màng mỏng quanh điểm tác động. Màng mỏng này đột ngột dầy lên ở một khoảng cách nhất định, tạo ra một hình dạng nước nhảy tuần hoàn.

Để hiển thị rõ hiện tượng này, Goerlinger đã dẫn ra một hiện tượng tương tự “Khi một người mở vòi nước trong bếp ra, nhìn vào phía dưới bồn nước, gần điểm khác động của tia nước, họ có thể quan sát được một thành chất lỏng tuần hoàn chia tách hai vùng khác nhau.

Vùng bên trong, gần tia nước, nông nhưng dòng chảy có vận tốc nhanh còn vùng bên ngoài thì sâu hơn nhưng dòng chảy lại chậm hơn nhiều. Chính thành nước này gọi là nước nhảy tuần hoàn”.

Các nhà nghiên cứu sau đó đã sử dụng nhiều tham số thực nghiệm, bao gồm tốc độ dòng chảy (2 đến 3 mL/s) và bán kính đĩa (1 đến 6 cm). Họ quan sát những hành xử khác nhau từ những tham số đó, như nước nhảy cố định, các trạng thái chuyển tiếp với các dao động, các trạng thái bền kép với các dao động tuần hoàn và các dao động tuần hoàn bền có hệ thống.

Kết quả phân tích tiết lộ chu kỳ của dao động không phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy mà phụ thuộc tuyến tính vào bán kính đĩa.

Thú vị hơn là với các bán kính đĩa hơn 5 cm, dữ liệu chỉ ra là hai xu hướng tuyến tính khác nhau với những độ dốc khác nhau, chỉ dấu các mô hình dao động khác nhau mà các nhà nghiên cứu gọi là các chế độ cơ bản và điều hòa.

Tương tác giữa nước nhảy và sóng hấp dẫn

Các nhà nghiên cứu phát triển một mô hình lý thuyết để giải thích những dao động bền tự phát quan sát được, qua đó cho thấy gốc rễ từ tương tác giữa nước nhảy và sóng hấp dẫn trên bề mặt được hình thành bên trong khoang đĩa.

Bề mặt sóng hấp dẫn lan truyền dọc bề mặt chất lỏng và đón nhận phản xạ tại rìa của nước nhảy tuần hoàn. Phản xạ này góp phần vào sự hình thành và duy trì các dao động. Hơn nữa, các con sóng này cũng được khuếch đại khi chúng thẳng hàng với một trong những chế độ trong khoang đĩa.

Đáng chú ý là mô hình lý thuyết của các nhà nghiên cứu không chỉ giải thích những dao động được quan sát mà còn đem đến những năng lực dự đoán. Nó gợi ý sự kết cặp của các tia khác nhau để tạo ra các dao động trong những pha đối nghịch nhau, một hiện tượng được xác nhận trong những quan sát thực nghiệm.

Điều này có nghĩa là sự dâng lên hay rút đi theo nhịp điệu của một tia nước có thể ảnh hưởng đến những dao động của tia nước khác, tạo ra một “điệu nhảy” được đồng bộ hóa, nơi các đỉnh và vùng lõm của tia nước này có thể phản hồi theo chiều ngược lại với các đỉnh và vùng lõm của tia nước khác.

Goerlinger nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu này: “Dẫu nghiên cứu về hiện tượng này đã được mở rộng nhưng trong nhiều trường hợp thì nước nhảy tuần hoàn vẫn được coi là tĩnh tại. Tuy nhiên, nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên xác nhận các dao động bền tự phát của nước nhảy xuất hiện khi tia nước tác động ở trạng thái bền. Thêm nữa, chúng tôi đã xây dựng được một mô hình có thể dự đoán hành xử của các dao động đó”.

Kết quả được trình bày trong bài báo “Oscillations and Cavity Modes in the Circular Hydraulic Jump”, xuất bản trên PRL ¹.

Những ứng dụng tiềm năng và nghiên cứu tương lai

Bằng việc mô hình hóa một cách thành công về các dao động bền theo chu kỳ, khung lý thuyết đem lại một cái hiểu sâu sắc hơn động lực phức hợp bên trong hiện tượng nước nhảy.

Hiểu biết mới này có thể có những gợi ý ứng dụng cho vô số lĩnh vực khác nhau, bao gồm động lực học dòng chảy và liên quan đến các ứng dụng kỹ thuật.

“Nước nhảy được quan tâm trong nhiều lĩnh vực, nơi các bề mặt cần được làm mát và làm sạch. Có thể lĩnh vực in 3 D hoặc chuyển động với vận tốc cao cũng ít nhiều quan tâm đến hiện tượng này”, Goerlinger giải thích.

Goerlinger tin là họ mới chỉ chạm đến bề mặt của hiện tượng và cho biết đang lên kế hoạch để nghiên cứu tiếp theo.

“Chúng tôi chỉ mới khám phá ra thứ vật lý phong phú của hiện tượng mới này. Hiệu quả của nhiều tham số thực nghiệm vẫn còn được nghiên cứu tiếp như các đặc tính dòng chảy hoặc hình học của nền.

Tuy vậy công trình của chúng tôi đã bước thêm một bước trên con đường nghiên cứu những tương tác giữa những bước nhảy đa dao động và những tương tác giữa nước nhảy và sóng nói chung”, anh kết luận.

Thanh Lan tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-stillness-scientists-oscillations-circular-hydraulic.html

https://physics.aps.org/articles/v16/s151

—————————————————–

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.194001