Lắc một hộp hạt hỗn hợp, hạt to dần trồi lên trên vì mỗi lần hộp nảy lên, các hạt nhỏ lọt xuống những khe hở vừa mở ra bên dưới hạt to, chèn chỗ, khiến hạt to không rơi về chỗ cũ được. Lắc nhiều lần, hạt to bị "kê" lên từng chút một. Thêm vào đó, cả khối hạt còn chuyển động vòng tròn chậm như nồi nước sôi đối lưu, đưa hạt to lên mặt mà không kéo xuống được. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng hạt Brazil, và một số chi tiết của nó đến nay vẫn còn được nghiên cứu.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Tên gọi đến từ hộp hạt khô hỗn hợp ở phương Tây: mở hộp ra, lớp trên cùng thường là hạt quả hạch Brazil to nhất, còn lạc, hạt điều nhỏ nằm dưới. Ở Việt Nam ta gặp đủ kiểu: túi ngũ cốc ăn sáng lắc trong thùng hàng, lớp trên toàn hạt to và mảnh lớn, đáy toàn vụn; hũ muối vừng (muối mè) xóc nhiều thì vừng và muối hạt to dồn lên, bột mịn lắng xuống đáy. Người sàng gạo bằng nia biết dùng chuyển động xoay, hất để gom thóc, sạn về một chỗ rồi nhặt ra.
Lạ ở chỗ: hạt quả hạch Brazil vừa to vừa nặng hơn hạt lạc. Theo trực giác, vật nặng phải chìm. Trong chất lỏng thì đúng, nhưng một khối hạt rời bị lắc không cư xử như chất lỏng.
Cơ chế: không chỉ một lý do
Các nhà vật lý đã nghiên cứu hiện tượng này nhiều thập kỷ. Họ đồng ý rằng có nhiều cơ chế cùng tác động, và cơ chế nào trội hơn còn tuỳ kích thước hạt, cách lắc, độ cao khối hạt, cả không khí trong hộp.
Lọt khe: hạt nhỏ chui xuống dưới hạt to
Mỗi lần hộp bị nhấc lên rồi rơi xuống, cả khối hạt nảy nhẹ và giãn ra trong tích tắc. Dưới một hạt to sẽ mở ra một khe hở. Khe ấy quá nhỏ cho một hạt to khác lọt vào, nhưng vừa đủ cho vài hạt nhỏ trượt xuống lấp chỗ. Khi khối hạt rơi xuống lại, hạt to đậu lên trên đám hạt nhỏ vừa chèn vào, cao hơn trước một chút. Ngược lại, hạt nhỏ dễ dàng tìm được khe để tụt xuống, còn hạt to thì hiếm khi gặp khe đủ rộng. Cứ thế, hạt to đi lên một chiều. Năm 1987, một nhóm nhà vật lý ở Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) mô phỏng bằng máy tính và chỉ ra cơ chế lọt khe này, trong bài báo có tựa đề đại ý "Vì sao hạt Brazil nằm trên cùng".
Đối lưu hạt: cả khối chuyển động vòng
Năm 1993, nhóm nhà vật lý ở Đại học Chicago dùng hạt có màu để theo dõi và thấy khi lắc, cả khối hạt chuyển động thành vòng: các hạt đi lên ở giữa hộp, đi xuống ở sát thành hộp vì ma sát với thành hãm chúng lại. Dải đi xuống sát thành rất mỏng. Hạt nhỏ theo dòng đi lên, rồi theo dải mỏng ấy đi xuống, quay vòng mãi. Hạt to được dòng giữa đưa lên mặt, nhưng không chui lọt vào dải mỏng đi xuống, nên bị kẹt lại trên cùng. Thay đổi độ nhám của thành hộp thì vòng đối lưu đổi theo, và có khi đổi luôn cả chiều.
Không khí và quán tính
Với hạt nhỏ và nhẹ, không khí len giữa các hạt khi hộp nảy lên cũng ảnh hưởng: thí nghiệm hút bớt không khí trong hộp cho thấy tốc độ hạt to trồi lên thay đổi. Mật độ của hạt to cũng quan trọng theo một cách không hiển nhiên: hạt to nặng có quán tính lớn, khi hộp nảy lên nó bay lên theo lâu hơn. Cả hai yếu tố này hiện vẫn được nghiên cứu, và các kết quả không phải lúc nào cũng khớp nhau.
Hiệu ứng hạt Brazil ngược
Không phải lúc nào hạt to cũng nổi. Trong một số điều kiện, khi hạt to nặng hơn hẳn và cách lắc phù hợp, hạt to lại chìm xuống đáy. Các nhà nghiên cứu gọi đó là hiệu ứng hạt Brazil ngược. Việc hạt to nổi hay chìm phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước, tỉ lệ khối lượng riêng, biên độ và tần số lắc. Đây là một lý do khiến hiện tượng tưởng đơn giản này vẫn là đề tài của nhiều bài báo khoa học.
Bảng các cơ chế
| Cơ chế | Ý chính | Khi nào trội |
|---|---|---|
| Lọt khe | Hạt nhỏ lọt xuống khe dưới hạt to, kê nó lên | Chênh lệch kích thước lớn, lắc nhẹ |
| Đối lưu hạt | Khối hạt đi lên giữa, xuống sát thành; hạt to kẹt ở trên | Lắc mạnh, thành hộp nhám |
| Quán tính | Hạt to nặng bay cao hơn khi khối hạt nảy | Hạt to nặng, lắc mạnh |
| Không khí | Dòng khí giữa các hạt đẩy, kéo hạt nhỏ | Hạt nhỏ mịn, nhẹ |
| Ngược (hạt to chìm) | Hạt to nặng hơn hẳn chìm xuống | Một số tổ hợp kích thước, mật độ, cách lắc |
Vì sao chuyện hạt lại quan trọng
Hạt rời là thứ con người xử lý nhiều chỉ sau nước: gạo, ngô, cà phê, xi măng, cát, phân bón, bột thuốc. Hiệu ứng hạt Brazil và các hiện tượng phân lớp khác là nỗi đau đầu của nhiều ngành:
- Dược phẩm. Bột thuốc trộn đều rồi chở đi xa có thể phân lớp, viên nén làm từ lớp trên khác lớp dưới về hàm lượng. Nhà máy phải kiểm tra rất kỹ khâu trộn và vận chuyển.
- Thực phẩm. Gói gia vị, gói ngũ cốc, hũ hạt hỗn hợp: lớp trên một kiểu, lớp đáy một kiểu.
- Xây dựng. Bê tông, cấp phối đá rung lắc quá lâu thì đá to và cát tách lớp, giảm chất lượng.
- Địa chất và vũ trụ. Một số nhà khoa học cho rằng hiện tượng phân lớp hạt do rung động có thể góp phần giải thích vì sao bề mặt một số tiểu hành tinh nhỏ có nhiều tảng đá lớn. Đây vẫn là giả thuyết.
Ngược lại, con người cũng lợi dụng nó. Sàng, nia, máy phân loại rung đều dựa vào việc hạt khác cỡ cư xử khác nhau khi bị lắc.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Hạt to nổi vì nhẹ hơn." Không phải. Hạt quả hạch Brazil nặng hơn hạt lạc mà vẫn nổi. Đây không phải sức đẩy kiểu chất lỏng.
- "Lắc càng mạnh càng nổi nhanh." Không chắc. Với một số cách lắc, hạt to nổi nhanh; với cách khác nó trồi chậm, đứng yên hoặc chìm.
- "Đã hiểu hết rồi." Cơ chế chính đã rõ, nhưng việc dự đoán chính xác hạt to nổi hay chìm trong mọi điều kiện vẫn chưa được giải quyết trọn vẹn.
- "Lắc đều tay thì trộn đều." Với hạt rời khác cỡ, lắc nhiều thường làm phân lớp chứ không trộn đều. Muốn trộn, người ta đảo, lật, xoay chứ không chỉ lắc lên xuống.
Tự quan sát / tự thử an toàn
- Hũ gạo và quả bóng bàn. Đổ gạo vào một hũ nhựa trong có nắp đến khoảng hai phần ba. Vùi một quả bóng bàn xuống đáy. Đậy nắp, lắc lên xuống đều tay (không xoay). Đếm số lần lắc tới khi bóng nhô lên mặt.
- Thay bóng bằng viên bi. Làm lại với một viên bi ve to hoặc quả chanh nhỏ (nặng hơn gạo cùng thể tích). Nó có lên không, nhanh hay chậm hơn bóng bàn?
- Đậu và gạo. Trộn một nắm đậu đen với gạo trong hũ, lắc lên xuống vài chục lần, nhìn qua thành hũ. Đậu dồn lên trên hay xuống dưới?
- Xem đối lưu. Rải một lớp mỏng hạt vừng đen lên mặt gạo, lắc nhẹ. Theo dõi các hạt vừng: chúng chìm ở sát thành hũ hay ở giữa?
- Ghi lại. Thử lắc nhanh và lắc chậm, hũ to và hũ nhỏ. Kết quả đôi khi khác dự đoán; đó là điều hay của thí nghiệm này.
Dùng hũ nhựa thay vì lọ thuỷ tinh để tránh vỡ khi lắc. Trẻ nhỏ không chơi với hạt nhỏ, bi ve và vừng không có người lớn trông, vì nguy cơ hóc.
Câu hỏi thường gặp
Hiệu ứng hạt Brazil là gì?
Là hiện tượng khi lắc một hỗn hợp hạt rời, hạt to dần trồi lên trên, kể cả khi chúng nặng hơn hạt nhỏ. Tên gọi đến từ hộp hạt khô hỗn hợp, nơi hạt quả hạch Brazil to nhất thường nằm trên cùng.
Vì sao hạt to lại nổi lên khi lắc?
Chủ yếu vì hai cơ chế: hạt nhỏ lọt xuống khe dưới hạt to mỗi lần khối hạt nảy lên, kê hạt to cao dần; và cả khối hạt chuyển động đối lưu, đưa hạt to lên mặt mà không kéo nó xuống được.
Hạt to có bao giờ chìm xuống không?
Có. Trong một số điều kiện về kích thước, khối lượng riêng và cách lắc, hạt to nặng lại chìm xuống đáy. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng hạt Brazil ngược.
Vì sao lớp dưới gói ngũ cốc toàn vụn?
Trong quá trình vận chuyển, gói bị rung lắc liên tục. Mảnh vụn nhỏ lọt xuống khe giữa các mảnh to, dần dồn xuống đáy, còn mảnh to trồi lên trên.
Hiệu ứng hạt Brazil ảnh hưởng tới công nghiệp thế nào?
Nó làm bột thuốc, thực phẩm, vật liệu xây dựng đã trộn đều bị phân lớp khi rung lắc. Các nhà máy phải thiết kế khâu trộn và vận chuyển để hạn chế, hoặc ngược lại lợi dụng nó trong máy sàng phân loại.