Vì sao dây điện, khe cửa hát trong gió: âm Aeolian và dòng xoáy

Dây điện "hát" trong gió vì gió thổi qua sợi dây tròn tạo ra những xoáy không khí bong ra luân phiên hai bên dây, mỗi lần bong là một cú đẩy nhỏ vào không khí; hàng trăm cú mỗi giây thành một nốt nhạc, gọi là âm Aeolian. Khe cửa, mép mái tôn thì "huýt sáo" theo cách gần giống: luồng gió lách qua khe hẹp dao động qua lại ở mép khe, đôi khi được một khoang khí phía sau khuếch đại thành tiếng hú.

Thấy ở đâu, lúc nào

Ngày gió mùa đông bắc tràn về miền Bắc, hay trước cơn bão ở ven biển miền Trung, bạn dễ nghe:

• Dây điện, dây cáp viễn thông, dây phơi đồ kêu "u u", "vi vu" đều đều.
• Khe cửa sổ khép hờ, khe cửa ra ban công rít lên từng hồi, cao hay thấp tuỳ gió.
• Lan can ống tròn, cột ăng ten, dây néo cột cờ, dây buồm của thuyền đậu ở bến ngân lên.
• Rừng thông trên cao nguyên, như ở Đà Lạt (Lâm Đồng), "reo" xào xạc khi có gió.

Tiếng to nhất khi gió đều và vừa phải, không quá giật. Gió càng mạnh, nốt càng cao. Khi gió lặng, tất cả im bặt.

Cơ chế: dòng xoáy bong ra hai bên sợi dây

Khi gió thổi qua một vật hình trụ như sợi dây, dòng không khí không ôm trọn lấy mặt sau của nó mà tách ra ở hai bên. Ở phía sau sợi dây hình thành những xoáy nhỏ: một xoáy bong ra từ phía trên, rồi một xoáy bong ra từ phía dưới, rồi lại phía trên, cứ thế luân phiên. Chuỗi xoáy so le ấy trôi theo gió, được các nhà vật lý gọi là dãy xoáy Kármán, theo tên nhà khí động học Theodore von Kármán đã phân tích nó đầu thế kỷ 20. Nhìn từ vệ tinh, đôi khi ta thấy cả dãy xoáy này trong mây khi gió thổi qua một hòn đảo cao.

Mỗi lần một xoáy bong ra, dây chịu một cú đẩy nhỏ sang bên kia và không khí quanh dây bị nén nhẹ. Các xoáy bong ra đều đặn nên các cú đẩy cũng đều đặn, tạo ra sóng âm có một tần số khá rõ: ta nghe thành một nốt.

Nốt cao hay thấp do đâu

Thực nghiệm cho thấy với vật hình trụ, tần số các xoáy bong ra theo quy luật khá gọn:

tần số ≈ 0,2 × tốc độ gió ÷ đường kính dây

Con số 0,2 là hệ số Strouhal, gần như không đổi trong một khoảng rộng tốc độ gió. Nói bằng lời: gió càng mạnh, nốt càng cao; dây càng mảnh, nốt càng cao. Nhà vật lý Séc Vincenc Strouhal đã đo hiện tượng này với dây quay trong không khí từ cuối thế kỷ 19.

Các con số chỉ để hình dung cỡ độ lớn. Gió thật lúc mạnh lúc yếu nên nốt cũng trôi lên xuống, đó là lý do tiếng dây điện "rên" lên rồi lại hạ xuống theo từng cơn gió.

Khi dây cộng hưởng thì "hát" to

Bản thân sợi dây căng giữa hai cột cũng có những tần số dao động riêng, giống dây đàn. Khi nhịp bong xoáy trùng với một trong các tần số ấy, dây rung mạnh lên, tiếng to hẳn, và nhịp bong xoáy còn có xu hướng "bám" theo nhịp rung của dây trong một khoảng tốc độ gió. Đó là lúc ta nghe dây "hát" thành nốt trong trẻo. Ngoài khoảng ấy, tiếng chỉ là tiếng gió rít khàn khàn.

Khe cửa, sáo diều và những họ hàng

Khe cửa huýt sáo

Khe cửa không phải sợi dây, nên cơ chế hơi khác. Gió bị ép qua khe hẹp thành một luồng mỏng, luồng này đập vào mép khe hoặc mép khung cửa và dao động qua lại hai bên mép đó, giống cách hơi thở dao động ở miệng ống sáo. Nếu sau khe có một khoang khí, như căn phòng hay khoảng giữa hai lớp kính, khoang ấy có thể cộng hưởng và kéo dao động về một nốt nhất định, tiếng hú to và rõ hơn. Khép cửa thêm hay mở rộng ra một chút là đổi nốt, hoặc tắt tiếng hẳn.

Sáo diều

Ở đồng bằng Bắc Bộ có truyền thống gắn sáo vào diều, nhiều nơi làm sáo bằng ống tre, quả bầu khô, có miệng khoét. Diều lên cao, gió lùa qua miệng sáo, luồng khí dao động ở mép miệng và khoang sáo cộng hưởng thành tiếng vi vu kéo dài suốt buổi chiều. Sáo to cho tiếng trầm, sáo nhỏ cho tiếng cao, người chơi phối nhiều sáo để có tiếng hoà. Đây là họ hàng gần của khe cửa huýt sáo, không phải âm Aeolian thuần tuý, nhưng cùng "dùng gió làm người thổi".

Đàn gió

Ở châu Âu có một loại nhạc cụ gọi là đàn gió Aeolian: một hộp gỗ căng nhiều dây cùng chiều dài nhưng khác độ dày, đặt ở cửa sổ có gió. Gió làm các dây bong xoáy ở những nhịp khác nhau và kích những hoà âm khác nhau của dây, tạo ra những hợp âm mơ hồ, lúc to lúc nhỏ. Tên gọi lấy theo Aeolus, thần gió trong thần thoại Hy Lạp.

Không phải mọi tiếng ở đường dây đều là gió

Tiếng rì rì, lách tách ở đường dây cao thế vào ngày ẩm có nguyên nhân điện chứ không phải gió, thuộc một bài khác trên site. Âm Aeolian thì có cả ở dây phơi đồ không có điện.

Khi dòng xoáy thành chuyện lớn

Dòng xoáy bong ra không chỉ tạo tiếng. Cú đẩy luân phiên làm dây rung, và rung lâu ngày có thể làm mỏi dây tại chỗ kẹp. Ngành điện lắp những khối giảm chấn nhỏ hình quả tạ treo trên dây cao thế để hút bớt rung động này. Ống khói cao bằng thép thường được quấn những gờ xoắn ốc bên ngoài để phá nhịp bong xoáy đều đặn. Cáp cầu dây văng cũng được thiết kế để tránh rung do gió.

Hay có người nhắc vụ sập cầu Tacoma Narrows ở Mỹ năm 1940 như ví dụ của cộng hưởng do dòng xoáy. Thực ra các kỹ sư ngày nay giải thích vụ ấy bằng một cơ chế phức tạp hơn gọi là dao động tự kích khí đàn hồi, chứ không đơn thuần là dòng xoáy trùng nhịp. Đó là một hiểu lầm sách vở khá phổ biến.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Dây điện kêu vì dòng điện chạy qua." Dây phơi đồ, dây buồm không có điện vẫn kêu y hệt khi có gió. Tiếng vi vu đều theo gió là âm Aeolian.
• "Dây kêu vì gió làm nó đập vào nhau." Dây có thể đập nhau khi gió rất mạnh, nhưng tiếng hát đều là do xoáy khí, không cần chạm gì cả.
• "Dây càng căng nốt càng cao." Độ căng quyết định nốt riêng của dây và lúc nào dây cộng hưởng, nhưng nốt xoáy cơ bản chủ yếu do tốc độ gió và độ dày dây.
• "Tiếng gió hú là gió tự phát ra tiếng." Không khí chuyển động đều thì không kêu. Tiếng hú luôn cần một vật cản: dây, mép tường, khe cửa, góc nhà.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Làm âm Aeolian bằng dây cao su hoặc dây chỉ

1. Căng một sợi dây thun mảnh hoặc một sợi chỉ nha khoa giữa hai đầu một chiếc lược nhựa, một khung ảnh cũ hoặc một chiếc móc treo quần áo bằng nhựa.
2. Đưa ra trước quạt máy ở số mạnh, hoặc giơ ra cửa sổ khi có gió. Xoay khung để dây nằm ngang và vuông góc với luồng gió.
3. Áp tai gần khung (không chạm cánh quạt) để nghe tiếng "u u" mảnh. Đổi sang dây dày hơn, nốt sẽ trầm xuống. Đổi số quạt, nốt đổi theo.
4. Nếu có dây đàn ghi-ta cũ, căng lên khung cứng rồi để trước quạt, có lúc bạn sẽ nghe dây "ngân" hẳn lên khi trùng nhịp cộng hưởng.

Thổi qua mép tờ giấy

Cầm một tờ giấy mỏng, cắt một khe hẹp, thổi qua khe. Thay đổi lực thổi để nghe tiếng rít đổi nốt. Đây là cách luồng khí dao động ở mép, giống khe cửa huýt sáo.

Lưu ý an toàn

• Chỉ nghe dây điện từ xa, từ trong nhà hay vỉa hè. Tuyệt đối không chạm, không ném dây, diều hay vật gì lên dây điện, không thả diều gần đường dây.
• Không lại gần đường dây cao thế, cột điện, trạm biến áp.
• Khi gió bão mạnh, ở trong nhà, tránh xa cửa kính. Không ra ban công để "nghe gió".
• Thử với quạt máy thì giữ tay, tóc, dây xa cánh quạt; trẻ nhỏ làm cùng người lớn.