Rót nước vào chai nghe tiếng cao dần: cột khí cộng hưởng là gì

Rót nước vào chai nghe tiếng cao dần vì phần không khí còn lại trong chai, giữa mặt nước và miệng chai, ngày càng ngắn. Cột khí ấy cộng hưởng với tiếng nước chảy và tự "chọn" ra một nốt; cột khí càng ngắn thì nốt càng cao. Khi chai gần đầy, nốt vọt lên rất nhanh, đó là tín hiệu tai ta học được từ bé để biết sắp tràn.

Thấy ở đâu, lúc nào

Cảnh này quá quen: rót nước từ phích vào chai, hứng nước từ vòi vào can nhựa, rót nước mắm vào chai thuỷ tinh, đổ nước vào bình tưới cây. Tiếng nước bắt đầu "ộc ộc" trầm, rồi chuyển thành "ọc ọc", "óc óc", "ức ức", ngày càng cao, cuối cùng là tiếng "ít ít" cao vút ngay trước khi tràn. Người khiếm thị rót nước vào cốc thường dựa vào chính tiếng này để biết lúc dừng, nhiều người sáng mắt cũng làm thế mà không biết.

Hiện tượng rõ nhất khi:

• Chai cao, cổ hẹp, như chai nước 1,5 lít, chai rượu, bình can.
• Rót đều tay, dòng nước vừa phải, có tiếng róc rách.
• Xung quanh không quá ồn.

Cơ chế: cột khí cộng hưởng như ống sáo một đầu kín

Dòng nước rơi xuống, va mặt nước, kéo theo bọt khí, bắn tung tóe. Tất cả tạo ra một tiếng ồn lộn xộn gồm rất nhiều tần số. Bên trên mặt nước là cột không khí có một đầu kín (mặt nước) và một đầu hở (miệng chai), y như ống sáo bị bịt một đầu.

Cột khí như vậy có những tần số dao động riêng: nó "thích" rung ở những nốt nhất định, tuỳ chiều dài của nó. Trong mớ tiếng ồn của nước chảy, những thành phần trùng với tần số riêng của cột khí được khuếch đại nhờ cộng hưởng, những thành phần khác thì không. Kết quả: ta nghe nổi lên một nốt có cao độ rõ ràng giữa tiếng ồn.

Với ống một đầu kín, nốt cơ bản ứng với bước sóng gấp bốn lần chiều dài cột khí. Nói đơn giản:

tần số ≈ tốc độ âm ÷ (4 × chiều dài cột khí)

Bằng lời: cột khí ngắn đi một nửa thì nốt cao lên gấp đôi, tức là lên đúng một quãng tám. Khi chai gần đầy, chỉ cần thêm vài phân nước là chiều dài cột khí giảm theo tỉ lệ rất lớn, nên nốt vọt lên nhanh. Đó là lý do tiếng "ít ít" cuối cùng lên giọng dồn dập.

Con số cho dễ hình dung

Thực tế miệng chai hẹp và cổ chai thắt lại làm các con số lệch đi kha khá, nhất là ở chai bụng to cổ nhỏ. Nhưng xu hướng "cột khí ngắn, nốt cao" thì luôn đúng.

Ba cách làm chai kêu, ba quy luật khác nhau

Đây là chỗ nhiều người nhầm. Cùng một dãy chai đựng nước nhiều ít khác nhau, nhưng cách làm cho chai kêu khác nhau thì kết quả ngược nhau.

Hai cách đầu làm rung không khí: không khí ít đi thì nốt cao lên. Cách thứ ba làm rung thành thuỷ tinh. Nước bám vào thành, khiến phần rung nặng hơn và rung chậm hơn, nên nốt trầm xuống. Vậy nếu xếp một hàng chai thuỷ tinh để làm "đàn", gõ hay thổi sẽ cho thứ tự nốt ngược nhau.

Thổi miệng chai khác rót chai thế nào

Khi thổi ngang miệng chai, luồng hơi dao động ở mép miệng và kích khối không khí bên trong rung như một quả bóng khí có cái cổ, gọi là bầu cộng hưởng Helmholtz, theo tên nhà khoa học Đức Hermann von Helmholtz. Nốt phụ thuộc thể tích khí bên trong và kích thước cổ chai. Đổ thêm nước làm thể tích khí giảm, nốt cao lên. Cùng xu hướng với lúc rót, nhưng cách tính khác.

Những nhạc cụ dựa vào cột khí

• Sáo trúc, sáo ngang: bấm lỗ sáo là thay đổi chiều dài hiệu dụng của cột khí. Mở lỗ gần miệng thổi, cột khí "ngắn lại", nốt cao.
• Đàn k'lông pút: nhạc cụ của một số dân tộc Tây Nguyên, gồm nhiều ống nứa dài ngắn khác nhau nằm ngang. Người chơi vỗ hai bàn tay trước miệng ống, luồng hơi đẩy vào kích cột khí trong ống cộng hưởng. Ống dài cho tiếng trầm, ống ngắn cho tiếng cao, đúng quy luật của chai nước.
• Đàn ống bằng chai: trong các buổi sinh hoạt ngoại khoá, học sinh hay xếp một dãy chai nhựa đổ nước khác nhau để thổi thành bài hát.
• Kèn đồng: kéo hoặc bấm van cũng là thay đổi chiều dài ống khí.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Tiếng cao dần là do nước rơi xuống ngắn hơn." Độ cao rơi có thay đổi chút ít, nhưng tiếng nước chảy chỉ là nguồn kích, không phải thứ quyết định cao độ. Rót vào một chiếc chậu rộng, nước cũng rơi ngắn dần mà không có tiếng cao dần rõ rệt, vì chậu không có cột khí hẹp để cộng hưởng.
• "Nước kêu, không phải không khí kêu." Nước tạo ra tiếng ồn, nhưng nốt nhạc ta nhận ra là của cột không khí. Bằng chứng: thổi ngang miệng chai không có tiếng nước mà vẫn có nốt.
• "Gõ ly nhiều nước kêu cao hơn." Ngược lại, gõ thì nhiều nước kêu trầm hơn, vì lúc ấy thứ rung là thành ly có nước bám vào.
• "Chai nhựa không kêu." Chai nhựa vẫn cộng hưởng tốt khi rót hoặc thổi, vì thứ rung là không khí bên trong. Chỉ khi gõ thì chai nhựa mềm mới kêu đục.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Nghe được lúc sắp đầy

1. Lấy một chai nhựa 1,5 lít rỗng, đặt trong bồn rửa. Nhắm mắt, rót nước từ một chai khác vào thật đều tay.
2. Chỉ dựa vào tai, dừng lại khi bạn nghĩ chai còn khoảng hai đốt ngón tay là đầy. Mở mắt kiểm tra. Hầu hết mọi người làm khá chuẩn ngay lần đầu.

Làm đàn chai

1. Chuẩn bị 6–8 chai nhựa cùng loại. Đổ nước mỗi chai một mức, từ ít tới nhiều.
2. Thổi ngang miệng từng chai, môi đặt sát mép miệng, thổi nhẹ và đều. Chai nhiều nước cho nốt cao hơn.
3. Chỉnh mực nước bằng cách thêm bớt từng chút để dãy chai lên được "đô rê mi pha son la si đô". Dùng ứng dụng lên dây đàn trên điện thoại để kiểm nốt.
4. Sau đó lấy vài ly thuỷ tinh dày, gõ nhẹ bằng thìa gỗ. So sánh: lần này ly nhiều nước kêu trầm hơn.

Đo bằng ứng dụng phổ âm

Mở ứng dụng phân tích tần số, đặt điện thoại gần miệng chai lúc rót nước. Bạn sẽ thấy một vạch sáng đi lên đều đặn trên màn hình, rồi vọt lên ở cuối.

Lưu ý an toàn

• Trẻ nhỏ dùng chai nhựa thay vì chai thuỷ tinh. Gõ ly thuỷ tinh thì gõ nhẹ, dùng thìa gỗ hoặc nhựa.
• Không dùng nước nóng để rót thử. Làm trong bồn rửa hoặc ngoài sân để nước tràn không làm trơn sàn.
• Không thổi quá mạnh, quá lâu đến chóng mặt; nghỉ giữa các lần thổi.