Giẫm lên cát ướt, quanh chân khô trắng ra: vì sao cát nở khi bị ép

Giẫm lên cát ướt, quanh bàn chân khô trắng ra vì sức ép làm các hạt cát vốn xếp chặt phải trượt qua nhau và nới rộng ra, khe hở giữa hạt to lên, nước trên mặt bị hút xuống lấp đầy các khe mới. Mặt cát mất lớp nước bóng nên trông khô và sáng màu. Nhấc chân lên, hạt cát xếp chặt lại, nước bị ép trở ra, vết chân ướt bóng trở lại. Hiện tượng này gọi là tính giãn nở thể tích của vật liệu dạng hạt (dilatancy).

Cảnh ai cũng gặp mà ít người để ý

Đi dọc mép nước lúc thuỷ triều vừa rút, nơi cát còn ướt bóng loáng và phẳng lì. Mỗi bước chân, một vòng cát quanh bàn chân bỗng sáng màu, trông như khô hẳn đi trong tích tắc. Nhấc chân lên, lòng vết chân lại đọng nước. Ngoảnh lại nhìn, chuỗi dấu chân phía sau đầy nước như những vũng nhỏ.

Nghe thì ngược đời: ta ép cát lại mà cát lại "hút" nước vào, như thể ta làm nó xốp ra. Mà đúng là như vậy.

Cát xếp chặt: thùng cam trong siêu thị

Hãy hình dung những quả cam xếp trong thùng. Người bán xếp chúng thật khít: mỗi quả nằm gọn vào chỗ lõm giữa các quả bên dưới. Đây là cách xếp chặt nhất, khe hở giữa các quả là nhỏ nhất.

Cát ở mép nước cũng thế. Sóng đánh lên rút xuống liên tục, rung lắc từng hạt, giúp chúng "rơi" vào chỗ khít nhất. Kết quả là cát vùng sóng vỗ được nén rất chặt, khe giữa các hạt đầy nước tới tận mặt, nên mặt cát bóng và sẫm.

Giờ thử đẩy lệch hàng cam trên cùng sang ngang. Quả trên phải nhấc lên khỏi chỗ lõm, trèo qua đỉnh quả bên dưới mới trượt sang được. Cả lớp bị đội lên, khoảng trống giữa các quả tăng lên. Đó chính là giãn nở thể tích khi bị cắt: vật liệu dạng hạt đang xếp chặt muốn biến dạng thì phải nở ra.

Bước chân làm gì với cát

Khi bàn chân ấn xuống, cát ngay dưới chân bị ép, nhưng cát xung quanh bị đẩy lệch, bị cắt. Các hạt phải trượt qua nhau, và như hàng cam, chúng nới rộng ra. Thể tích khe hở tăng lên. Chuyện xảy ra tiếp theo theo trình tự:

1. Khe hở lớn ra, áp suất nước trong khe giảm. Nước trong cát không kịp chảy tới lấp ngay, tạo ra một lực hút nhỏ.
2. Nước trên mặt bị hút xuống. Lớp nước mỏng phủ mặt cát, vốn làm cát bóng và sẫm, bị kéo xuống các khe mới.
3. Mặt cát lộ ra khô hơn. Ánh sáng giờ chiếu vào mặt hạt cát và các khe có không khí ở đỉnh, bị tán xạ mọi hướng, nên vùng đó sáng màu.
4. Nhấc chân lên. Lực ép mất, hạt cát xếp chặt lại một phần, khe hở thu nhỏ, nước bị ép ra mặt. Vết chân và quanh nó lại ướt.

Nhà vật lý và kỹ sư người Anh Osborne Reynolds là người mô tả và đặt tên hiện tượng này vào năm 1885. Ông dùng chính hình ảnh bãi biển: cát dưới chân trắng ra vì cát nở khi bị ép.

Vì sao cát ướt sẫm, cát khô sáng

Phần nhìn thấy của hiện tượng phụ thuộc vào màu cát. Cát khô có màu sáng vì ánh sáng chiếu vào bị tán xạ nhiều lần ở bề mặt hạt và ở khe khí giữa các hạt, phần lớn bật trở ra mắt ta. Khi các khe ngập nước, vì chiết suất của nước gần với chiết suất của hạt cát thạch anh hơn so với không khí, ánh sáng ít bị bẻ hướng ở bề mặt hạt, đi sâu vào trong và bị hấp thụ nhiều hơn trước khi thoát ra. Thêm lớp màng nước trên mặt phản xạ như gương theo một hướng. Kết quả là cát ướt sẫm màu và bóng. Mất nước ở mặt, cát lại sáng.

So sánh: cát giãn nở và những chuyện cát khác

Điểm mấu chốt: cát xếp chặt thì nở khi bị cắt, cát xếp lỏng thì co lại. Cùng một nguyên lý, hai kết quả trái ngược. Cát bãi biển ở mép sóng vỗ thường chặt nên ta thấy vòng khô. Cát lỏng, mới bồi hoặc ở chỗ nước rỉ lên mạnh, thì dễ thấy chân lún và cát nhão ra.

Họ hàng: túi gạo hút chân không và chiếc găng đầy cát

• Túi gạo, túi cà phê hút chân không: hạt bị ép chặt cứng như viên gạch. Muốn bóp cho nó biến dạng thì hạt phải nở ra, nhưng không có không khí để chui vào nên túi cứng. Cắt túi cho khí vào là mềm ngay. Ý tưởng này được dùng trong một số tay kẹp robot mềm và nệm cố định bệnh nhân khi sơ cứu.
• Chai đầy cát và nước: đổ đầy cát, đổ nước vào tới miệng, vặn nắp kín, bóp chai thì chai cứng không lún, vì cát muốn nở mà nước không có chỗ thêm. Đây là thí nghiệm kinh điển của chính Reynolds.
• Vết bánh xe trên bãi biển: xe chạy trên cát chặt sát mép nước thì dễ, lên cát khô xốp thì lún, một phần vì cát khô không có lực dính và xếp lỏng.

Hiểu lầm thường gặp

• "Sức nóng của bàn chân làm cát khô." Bàn chân không nóng đủ để làm khô cát trong tích tắc. Vòng khô xuất hiện ngay khi giẫm, và ủng cao su lạnh cũng cho kết quả y hệt.
• "Bàn chân ép nước ra ngoài nên quanh chân khô." Ngược lại. Nếu chỉ ép, nước phải trào lên mặt quanh chân. Thực tế nước bị hút vào trong cát vì khe hở lớn ra.
• "Đây là cát lún." Cát lún là trạng thái cát lỏng mất khả năng chịu lực, gần với hoá lỏng. Vòng khô quanh chân là cát chặt nở ra, thực tế còn làm mặt cát cứng hơn tạm thời.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Ở bãi biển. Chọn đoạn cát phẳng, bóng, sát mép nước vừa rút. Đặt cả bàn chân xuống thật chậm rồi nhấc lên chậm, quan sát vòng sáng xuất hiện và biến mất. Thử ấn bằng ngón tay, bằng gót chân để so độ rộng vòng khô.
2. Chai Reynolds. Lấy chai nhựa mềm (loại chai nước suối mỏng), đổ đầy cát sạch, rót nước từ từ cho đến khi ngập hết, gõ nhẹ cho cát lắng chặt, đổ thêm nước tới tràn miệng rồi vặn nắp. Bóp mạnh: chai cứng. Cắm một ống hút trong suốt qua nắp (khoét lỗ vừa khít, dán kín) có mực nước ở giữa ống. Bóp chai: mực nước trong ống tụt xuống, vì cát nở ra hút nước vào. Thả tay: mực nước lên lại.
3. Túi gạo. Đổ gạo vào túi nhựa có khoá kéo, hút bớt không khí bằng ống hút rồi kéo khoá. Thử bóp: túi cứng hơn hẳn so với khi có khí.
4. Chụp ảnh. Quay video chậm bước chân trên cát ướt lúc nắng xiên buổi sáng hoặc chiều: vòng sáng hiện rõ nhất.

An toàn: chỉ thử ở bãi cát ổn định, có người lớn đi cùng. Tránh bãi bùn ở cửa sông và bãi triều xa bờ vì có chỗ bùn lỏng dễ lún sâu, nước lên nhanh. Không đi chân trần ở bãi có nhiều vỏ hàu, mảnh vỡ.