Dòng nước chảy từ vòi thu nhỏ dần khi rơi vì nước càng xuống càng chảy nhanh, mà lượng nước đi qua mỗi giây thì không đổi, nên dòng phải thon lại. Đến một đoạn đủ dài và đủ mảnh, sức căng bề mặt khiến cột nước không bền: những chỗ thắt nhỏ tự thắt thêm, chỗ phình tự phình thêm, rồi cột nước đứt thành chuỗi giọt. Hiện tượng đứt thành giọt này gọi là bất ổn định Plateau–Rayleigh.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Mở vòi nước thật nhỏ trong bếp hay bồn rửa mặt. Ngay dưới miệng vòi, dòng nước trong vắt như một thanh thuỷ tinh. Nhìn dọc xuống, nó mảnh dần như củ cà rốt lộn ngược. Gần đáy bồn, nếu đủ xa, dòng nước bắt đầu gợn lên như chuỗi hạt cườm rồi vỡ thành giọt lách tách. Vặn vòi to hơn, đoạn trong vắt dài ra; vặn rất nhỏ, dòng nước đứt thành giọt ngay gần miệng vòi.
Những chỗ khác cũng có: nước mật ong rót từ thìa (vì sánh nên đứt rất muộn), nước mưa chảy từ máng xối, vòi nước công viên, dòng nước tưới từ bình tưới cây, sợi nước từ ấm rót trà. Ở mỗi chỗ, dòng chất lỏng đều đi qua cùng hai chặng: thon lại, rồi vỡ ra.
Chặng một: vì sao dòng nước thon lại
Lượng nước không đổi, tốc độ tăng
Mỗi giây vòi nhả ra một lượng nước nhất định. Lượng nước ấy phải đi qua mọi mặt cắt ngang của dòng chảy bên dưới, không thêm, không bớt. Trong khi đó, nước rơi tự do nên càng xuống càng nhanh. Cùng một lượng nước mà chạy nhanh hơn thì chỉ cần mặt cắt nhỏ hơn: giống như đoàn người đi qua cổng, càng đi nhanh thì hàng càng thưa, càng hẹp.
Một ví dụ bằng số cho dễ hình dung. Giả sử nước ra khỏi vòi với tốc độ nửa mét mỗi giây. Rơi xuống 20 centimet, nhờ trọng lực, nó đạt khoảng hai mét mỗi giây, tức nhanh gấp bốn. Mặt cắt khi đó chỉ còn một phần tư, và đường kính dòng nước chỉ còn khoảng một nửa so với ở miệng vòi. Đó là lý do dòng nước nhỏ nhẹ thon rõ hơn hẳn dòng nước xả mạnh: với dòng mạnh, tốc độ ban đầu đã lớn, trọng lực thêm vào không đáng là bao.
Trong suốt hay trắng đục
Nếu vòi có lưới lọc tạo bọt (đầu sục khí) hoặc mở rất mạnh, dòng nước trắng đục, sủi bọt và không thon gọn. Đó là dòng chảy rối, có không khí trộn vào. Dòng nước nhỏ chảy êm thì trong suốt, mặt nhẵn như kính: đó là dòng chảy tầng, nơi các lớp nước trượt êm lên nhau. Muốn quan sát hai chặng thon lại và đứt giọt thì cần dòng chảy tầng.
Chặng hai: vì sao cột nước đứt thành giọt
Sức căng bề mặt thích hình cầu
Sức căng bề mặt luôn kéo chất lỏng về dạng có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất. Một cột nước dài và mảnh có diện tích mặt ngoài lớn so với thể tích của nó. Nếu chia cùng thể tích ấy thành một chuỗi giọt tròn, tổng diện tích mặt ngoài lại nhỏ hơn. Vì thế cột nước dài đủ mức là ở trạng thái "không thoải mái", chỉ cần một gợn nhỏ là nó lao về phía chia thành giọt.
Chỗ thắt tự thắt thêm
Dòng nước không bao giờ hoàn hảo: rung động của vòi, gợn của dòng chảy, tiếng động xung quanh đều làm cột nước có chỗ hơi phình, chỗ hơi thắt. Ở chỗ thắt, mặt nước cong gắt hơn, sức căng bề mặt ép vào trong mạnh hơn, đẩy nước từ chỗ thắt sang hai bên chỗ phình. Chỗ thắt vì thế càng thắt thêm, chỗ phình càng phình thêm. Gợn nhỏ lớn dần trên đường rơi, tới lúc chỗ thắt mảnh như sợi chỉ thì đứt.
Plateau và Rayleigh
Nhà vật lý người Bỉ Joseph Plateau làm thí nghiệm với cột chất lỏng vào giữa thế kỷ 19 và nhận ra cột chất lỏng sẽ đứt khi chiều dài của nó vượt quá chu vi, tức khoảng ba lần đường kính. Năm 1878, nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh tính toán chi tiết và chỉ ra rằng gợn có bước sóng khoảng chín lần bán kính cột nước sẽ lớn nhanh nhất. Hệ quả: giọt sinh ra có kích thước khá đều, lớn hơn đường kính dòng nước một chút. Trước họ, Félix Savart ở Pháp đã quan sát và vẽ lại quá trình vỡ của tia nước từ những năm 1830.
Giọt vệ tinh
Khi chỗ thắt đứt, sợi chỉ nước nối hai giọt lớn không biến mất mà co lại thành một giọt nhỏ xíu nằm giữa. Ảnh chụp tốc độ cao thường cho thấy chuỗi giọt lớn – nhỏ – lớn – nhỏ. Giọt nhỏ ấy gọi là giọt vệ tinh, và là nỗi đau đầu của ngành in phun vì nó làm nhoè nét chữ.
Bảng các chặng của một dòng nước nhỏ
| Đoạn dòng nước | Mắt thấy gì | Điều đang xảy ra |
|---|---|---|
| Ngay miệng vòi | Trong vắt, to nhất | Nước còn chậm, chảy tầng |
| Đoạn giữa | Thon dần, vẫn trong | Nước tăng tốc, mặt cắt nhỏ lại; gợn bắt đầu lớn nhưng chưa thấy |
| Đoạn dưới | Gợn như chuỗi hạt, hơi mờ | Gợn Plateau–Rayleigh đã đủ lớn để thấy |
| Gần đáy | Tách thành giọt, nghe lách tách | Chỗ thắt đứt, có giọt vệ tinh |
Biến thể và hiện tượng họ hàng
- Mật ong, dầu ăn, nước đường đặc. Chất lỏng sánh chống lại chuyển động bên trong nên gợn lớn chậm, sợi chất lỏng kéo rất dài mới đứt. Mật ong có thể tạo sợi mảnh như tơ.
- Vòi rỉ từng giọt. Khi nước chảy quá chậm, không có cột nước nào cả: giọt lớn dần ở miệng vòi tới khi trọng lượng thắng sức căng bề mặt thì rơi. Tiếng tí tách đều đặn của vòi rỉ là nhịp của quá trình này.
- Dòng nước từ miệng không tròn. Nước chảy ra từ lỗ dẹt hoặc vuông có thể xoắn thành dải như bện thừng, vì sức căng bề mặt kéo mặt cắt về hình tròn rồi vượt quá, dao động qua lại.
- Sương bám trên tơ nhện. Màng nước mỏng phủ trên sợi tơ tự gom thành chuỗi hạt tròn cách đều nhau: cùng cơ chế Plateau–Rayleigh, chỉ là trên một sợi tơ.
- In phun và phun sương. Máy in phun liên tục cố ý rung đầu phun ở đúng tần số để tia mực vỡ thành giọt đều đặn theo ý muốn.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Dòng nước thon vì không khí ép vào." Không khí gần như không tham gia. Dòng nước thon lại chỉ vì tăng tốc trong khi lưu lượng không đổi.
- "Giọt nước rơi có hình giọt lệ." Giọt nước nhỏ đang rơi gần như tròn; giọt mưa lớn còn bị dẹt ở đáy như chiếc bánh bao. Hình giọt lệ nhọn đầu chỉ có trong khoảnh khắc giọt sắp tách khỏi vòi, khi còn bị sợi nước kéo.
- "Nước đứt giọt vì quá yếu." Dòng nước mạnh cũng đứt thành giọt, chỉ là ở xa hơn. Thứ quyết định là chiều dài so với đường kính và thời gian cho gợn lớn lên.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Chỉ cần một vòi nước, một chiếc điện thoại có chế độ quay chậm và một phòng tối có đèn pin. Không dùng nước nóng.
- Đo độ thon. Mở vòi thật nhỏ cho dòng nước trong vắt. Áp một chiếc thước kẻ đứng cạnh dòng nước. Nhìn đường kính dòng nước ở mức 2 cm và 20 cm dưới miệng vòi. Mở vòi to hơn và so lại: dòng mạnh thon ít hơn.
- Tìm điểm đứt. Từ từ vặn vòi nhỏ dần, quan sát chỗ dòng nước bắt đầu vỡ thành giọt dời lên gần miệng vòi.
- Quay chậm. Chiếu đèn pin ngang qua dòng nước trong phòng tối, nền phía sau màu đen. Quay chế độ quay chậm của điện thoại. Xem lại, bạn sẽ thấy chuỗi hạt và cả giọt vệ tinh.
- Đèn nhấp nháy. Nếu có đèn nhấp nháy theo nhịp (một số đèn xe đạp có chế độ này), chiếu vào dòng nước ở chỗ đứt giọt: có lúc chuỗi giọt như đứng yên giữa không trung.
- So với mật ong. Múc một thìa mật ong và để nó chảy xuống bát. Đo xem sợi mật dài bao nhiêu mới đứt, so với sợi nước.
Không đưa đèn hay điện thoại cắm sạc sát vòi nước; dùng đèn pin chạy pin và lau khô tay.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao dòng nước từ vòi nhỏ dần khi rơi?
Vì nước rơi xuống thì tăng tốc, trong khi lượng nước chảy qua mỗi giây là không đổi. Chạy nhanh hơn thì chỉ cần mặt cắt nhỏ hơn, nên dòng nước thon lại.
Vì sao dòng nước đứt thành giọt?
Sức căng bề mặt khiến cột nước dài và mảnh không bền. Những gợn nhỏ lớn dần, chỗ thắt thắt thêm tới khi đứt, chia cột nước thành chuỗi giọt có tổng diện tích mặt ngoài nhỏ hơn.
Bất ổn định Plateau–Rayleigh là gì?
Là tên gọi hiện tượng cột chất lỏng tự vỡ thành giọt do sức căng bề mặt. Nó mang tên Joseph Plateau, người làm thí nghiệm, và Lord Rayleigh, người tính toán chi tiết năm 1878.
Vì sao mật ong chảy thành sợi dài mà nước thì đứt nhanh?
Mật ong rất sánh nên chống lại dòng chảy bên trong sợi, gợn lớn chậm hơn nhiều. Sợi mật kéo được rất dài trước khi đứt, trong khi nước loãng vỡ giọt nhanh.
Giọt vệ tinh là gì?
Là giọt rất nhỏ hình thành từ sợi chất lỏng mảnh nối hai giọt lớn lúc chúng tách ra. Ảnh chụp tốc độ cao thường thấy chuỗi giọt lớn xen giọt nhỏ.