Gọng vó (dân gian hay gọi là nhện nước) đi được trên mặt nước vì mặt nước có sức căng bề mặt: lớp phân tử nước ngoài cùng bị kéo vào trong và co lại như một tấm màng đàn hồi. Chân gọng vó phủ lông siêu nhỏ không thấm nước, chỉ ấn lõm mặt nước chứ không chọc thủng, và chính chỗ lõm ấy đẩy ngược con vật lên. Con vật nhẹ, chân dài, trọng lượng chia đều nên tấm màng đỡ nổi.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Gọng vó sống ở mương, ao tù, vũng nước đọng ven ruộng, khúc suối chảy chậm. Trưa nắng, nhìn nghiêng mặt nước sẽ thấy những con côn trùng thân mảnh, bốn chân dài choãi ra như cái vó, đứng yên rồi bất chợt vọt đi một quãng. Đặc điểm dễ nhận nhất lại nằm dưới đáy nước: mỗi bàn chân in xuống đáy một cái bóng tròn viền sáng, to hơn bàn chân nhiều. Bóng ấy là do mặt nước lõm xuống dưới chân, uốn cong như một thấu kính nhỏ, lái ánh sáng sang hai bên.
Không chỉ gọng vó. Cùng một nguyên lý, ta thấy cây kim nằm nổi trên mặt cốc nước, chiếc lá khô nhỏ không chìm, bọ gậy (ấu trùng muỗi) treo ngược mình dưới mặt nước để thở, hay đồng xu nhôm thả khéo vẫn nổi dù nhôm nặng hơn nước gần ba lần.
Sức căng bề mặt từ đâu ra
Phân tử ở giữa và phân tử ở rìa
Mỗi phân tử nước kéo các phân tử bên cạnh bằng liên kết hiđrô. Một phân tử nằm sâu trong cốc bị kéo đều về mọi phía, các lực triệt tiêu nhau. Một phân tử nằm ở mặt nước thì khác: bên dưới và hai bên có nước kéo, bên trên chỉ là không khí gần như không kéo. Kết quả là nó bị lôi vào trong.
Vì thế khối nước luôn "muốn" có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất có thể. Kéo căng mặt nước ra, tức là lôi thêm phân tử từ trong lên mặt, phải tốn công. Hệ quả nhìn được là mặt nước cư xử như một tấm màng hơi căng: giọt nước tự co tròn, bong bóng xà phòng tự thu nhỏ nếu không có khí bên trong đỡ, và vật nhẹ có thể nằm trên mặt nước.
Nước "căng" hơn hầu hết chất lỏng quen thuộc
Sức căng bề mặt đo bằng lực trên mỗi mét chiều dài của đường cắt trên mặt chất lỏng. Ở nhiệt độ phòng, nước sạch vào khoảng 72 milinewton trên mét, cao hơn hẳn rượu, dầu ăn hay nước xà phòng. Nước càng nóng thì sức căng càng giảm nhẹ.
| Chất lỏng (khoảng 20–25 °C) | Sức căng bề mặt (mN/m, gần đúng) | Hệ quả dễ thấy |
|---|---|---|
| Thuỷ ngân | Khoảng 480 | Giọt gần như cầu trên mọi mặt |
| Nước sạch | Khoảng 72 | Kim nổi, gọng vó đứng được |
| Dầu ăn | Khoảng 30–35 | Loang thành váng mỏng |
| Nước có xà phòng | Khoảng 25–35 | Kim chìm, gọng vó lún chân |
| Cồn (etanol) | Khoảng 22 | Loang rất nhanh trên mặt bàn |
Con số chính xác thay đổi theo nhiệt độ và độ tinh khiết; bảng chỉ để so thứ bậc.
Bí mật nằm ở đôi chân gọng vó
Lông siêu nhỏ có rãnh
Sức căng bề mặt chỉ đỡ được vật nếu vật không bị nước làm ướt. Một cây kim tẩm xà phòng sẽ chìm ngay. Chân gọng vó phủ hàng nghìn sợi lông cực mảnh, mỗi sợi lại có rãnh nhỏ hơn nữa, cộng với chất sáp. Cấu trúc này giống lá sen: nhốt không khí giữa các sợi lông, khiến chân gần như không bao giờ bị ướt. Năm 2004, nhóm nhà khoa học Trung Quốc (Gao Xuefeng và Jiang Lei) công bố trên tạp chí Nature rằng chính các rãnh siêu nhỏ trên lông chân là chìa khoá của khả năng đẩy nước, và một chân có thể chịu một lực lớn hơn nhiều lần trọng lượng con vật trước khi chọc thủng mặt nước.
Chia trọng lượng lên chân dài
Lực mà mặt nước đỡ được tỉ lệ với chiều dài đường tiếp xúc giữa chân và nước, không tỉ lệ với diện tích. Gọng vó nằm chân dài, áp dọc cả đốt chân xuống mặt nước, nên đường tiếp xúc dài và lực đỡ lớn. Con vật nặng chỉ cỡ vài phần trăm gam, lực đỡ dư thừa. Một con chuột hay con chim nặng hơn hàng trăm, hàng nghìn lần thì không thể: trọng lượng tăng theo thể tích, còn lực đỡ chỉ tăng theo chiều dài.
Chèo bằng xoáy nước
Đứng được đã khó, đi được còn khó hơn. Gọng vó dùng đôi chân giữa làm mái chèo, đạp mạnh ra sau. Năm 2003, nhóm của John Bush ở Viện Công nghệ Massachusetts chụp ảnh tốc độ cao và nhuộm màu nước, cho thấy mỗi cú đạp tạo ra những xoáy nhỏ hình bán cầu bắn ngược ra sau dưới mặt nước. Động lượng của các xoáy ấy đẩy con vật lao về trước. Đôi chân sau làm bánh lái, đôi chân trước ngắn dùng để bắt mồi: thường là côn trùng rơi xuống nước, giãy giụa tạo sóng lăn tăn mà gọng vó cảm nhận được qua chân.
Hiện tượng họ hàng quanh nhà
- Nước đầy vồng trên miệng cốc. Rót thật chậm, nước có thể nhô cao hơn miệng cốc một chút mà không tràn, vì mặt nước cong như tấm màng giữ lại.
- Nhỏ nước lên đồng xu. Một đồng xu nằm ngang chứa được hàng chục giọt nước xếp thành vòm trước khi vỡ. Thêm xà phòng thì vòm sụp sớm.
- Bọ gậy treo dưới mặt nước. Ống thở ở đuôi bọ gậy có lông kỵ nước, cắm vào mặt nước như bám vào trần nhà. Đổ một lớp dầu mỏng hoặc chất làm giảm sức căng bề mặt lên vũng nước là bọ gậy khó bám, đó là một cách diệt lăng quăng cũ.
- Giọt nước tròn. Giọt nhỏ gần như cầu vì sức căng bề mặt kéo nó về hình có diện tích nhỏ nhất; giọt to thì trọng lực làm dẹt.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Gọng vó nổi vì nhẹ hơn nước." Không phải sức đẩy Archimedes như thuyền. Thân gọng vó không chìm xuống nước chút nào; nó được đỡ bởi mặt nước bị ấn lõm. Bằng chứng là cây kim thép nặng hơn nước nhiều lần vẫn nằm được trên mặt nước nếu đặt khéo.
- "Nhện nước là nhện." Gọng vó là côn trùng, có sáu chân, thuộc bộ cánh nửa (họ hàng với bọ xít). Có những loài nhện thật cũng chạy được trên mặt nước, nhưng con "nhện nước" quen thuộc ở ao làng thường là gọng vó.
- "Mặt nước có một lớp da riêng." Không có lớp vật chất nào khác nằm trên mặt. Hình ảnh "tấm màng" chỉ để dễ hình dung; đó vẫn là chính các phân tử nước, chỉ là chúng ở trạng thái bị kéo vào trong.
- "Nước nóng căng hơn." Ngược lại, nhiệt độ càng cao sức căng bề mặt càng giảm. Đó là một lý do nước nóng rửa đồ dễ len vào khe hơn.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Ngoài trời
Tìm một vũng nước trong, lặng gió, nắng chiếu xiên. Đừng nhìn con gọng vó, hãy nhìn xuống đáy: những bóng tròn viền sáng di chuyển theo nó. Chụp ảnh từ trên xuống, bạn sẽ thấy mỗi bóng tròn tương ứng với một bàn chân. Đi cùng người lớn, không cúi sát mương nước sâu, bờ ao trơn.
Cho cây kim nổi
- Đổ đầy một bát nước sạch, để mặt nước thật yên.
- Đặt một mẩu giấy ăn nhỏ lên mặt nước, đặt nhẹ cây kim (hoặc chiếc kẹp giấy) lên giấy.
- Chờ giấy thấm nước rồi chìm; dùng tăm ấn nhẹ mép giấy cho nó chìm hẳn. Cây kim ở lại trên mặt nước.
- Nhìn nghiêng sát mặt nước: quanh cây kim có một rãnh lõm nhỏ, giống chỗ chân gọng vó.
- Chấm đầu tăm vào nước rửa bát rồi chạm vào mặt nước cách kim vài phân. Kim chìm ngay.
Cầm kim cẩn thận, cất kim ngay sau khi xong; trẻ nhỏ làm cùng người lớn.
Đếm giọt trên đồng xu
Dùng ống hút nhỏ từng giọt nước lên một đồng xu đặt phẳng, đếm xem bao nhiêu giọt thì tràn. Lặp lại với nước pha chút xà phòng, so hai con số. Thí nghiệm này cho thấy xà phòng làm giảm sức căng bề mặt rõ ràng đến mức nào.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao gọng vó đi được trên mặt nước?
Vì sức căng bề mặt khiến mặt nước cư xử như tấm màng đàn hồi, và chân gọng vó phủ lông siêu nhỏ không thấm nước. Chân chỉ ấn lõm mặt nước chứ không chọc thủng, chỗ lõm ấy tạo lực đẩy con vật lên.
Sức căng bề mặt là gì?
Là xu hướng co lại của mặt chất lỏng, do các phân tử ở mặt ngoài bị các phân tử bên trong kéo vào. Nước sạch có sức căng bề mặt khoảng 72 milinewton trên mét ở nhiệt độ phòng, cao hơn phần lớn chất lỏng quen thuộc.
Vì sao cho xà phòng vào thì cây kim chìm?
Xà phòng chen vào giữa các phân tử nước ở mặt ngoài, làm sức căng bề mặt giảm mạnh. Tấm màng yếu đi, không đỡ nổi cây kim nữa.
Nhện nước có phải là nhện không?
Con "nhện nước" quen thuộc ở ao làng thường là gọng vó, một loài côn trùng sáu chân thuộc bộ cánh nửa. Nhện thật có tám chân; một số loài nhện cũng chạy được trên mặt nước nhưng ít gặp hơn.
Vì sao người không đi trên mặt nước được?
Lực mặt nước đỡ được tỉ lệ với chiều dài đường tiếp xúc, còn trọng lượng tăng theo thể tích cơ thể. Một người nặng gấp hàng triệu lần gọng vó, không có cách nào bố trí đủ đường tiếp xúc để mặt nước đỡ.