Sự nhiễu loạn có ở khắp mọi nơi, nó làm rung chuyển máy bay hay như tạo ra những xoáy nước nhỏ trong bồn tắm của chúng ta, nhưng đó lại là một trong những hiện tượng ít được hiểu nhất trong vật lý cổ điển.

Sự nhiễu loạn xảy ra khi một dòng chất lỏng có trật tự  chuyển động không đều và vỡ thành những xoáy nhỏ, tương tác với nhau và thậm chí nó sẽ chuyển động dữ dội và vỡ thành những xoáy nhỏ hơn, tương tác với nhau và trở thành một sự nhiễu loạn khiến cho dòng nước trắng trở nên vô cùng thú vị. Nhưng cơ chế của sự chuyển động tạo thành sự nhiễu loạn đó khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thế kỷ.

Khi không hiểu điều gì đó, các nhà vật lý thường có một giải pháp hữu hiệu đó là: va thật mạnh nó lại với nhau. Nếu muốn tìm hiểu các khối kiến tạo cơ bản của vũ trụ? Họ sẽ nghĩ va mạnh các hạt với nhau. Nếu muốn làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản của nhiễu loạn? Họ sẽ va mạnh các dòng nước xoáy với nhau.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại trường Trường kỹ thuật và khoa học ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) dường như đã xác định được một cơ chế cơ bản mà nhờ đó sự nhiễu loạn phát triển bằng cách va đập mạnh các vòng xoáy nước đối đầu nhau. Kết quả này được ghi lại bằng máy ảnh có độ phân giải cực cao và việc tái cấu trúc động lực học của sự va chạm bằng việc sử dụng chương trình trực quan hóa 3D.

Cùng với việc phân tích các mô phỏng số được thực hiện bởi các cộng tác viên tại Trường đại học Houston và ENS de Lyon, các nhà nghiên cứu đã đạt được cái nhìn sâu sắc chưa từng thấy về cách các hệ thống chất lỏng chuyển từ trật tự sang chuyển động nhiễu loạn. Nghiên cứu này đã được mô tả trong tạp chí Science Advances.

Shmuel Rubinstein, phó giáo sư về vật lý ứng dụng tại SEAS, tác giả bài báo, cho biết: “Khả năng dự đoán chính xác hiện thượng thời tiết, hiểu được tại sao một chiếc Boeing 747 vẫn có thể bay được ngay cả khi có chuyển động nhiễu loạn và xác định được dòng chảy toàn cầu trong đại dương sẽ phụ thuộc vào việc chúng ta tạo ra một mô hình về sự nhiễu loạn tốt như thế nào”.

“Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về nhiễu loạn vẫn còn thiếu một mô tả cơ học để giải thích cách thức thác năng lượng liên quan đến việc chuyển năng lượng từ quy mô lớn chuyển động sang quy mô nhỏ hoặc chuyển năng lượng hoặc chuyển năng lượng từ quy mô nhỏ sang quy mô lớn hơn cho đến khi nó dừng lại. Nghiên cứu này mở ra cơ hội để các nhà vật lý có thể hiểu rõ hơn về vấn đề này”.

Rodolfo Ostilla-Mónico, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Đại học Houston, đồng tác giả của bài báo cho biết: “Việc cố gắng hiểu được ý nghĩa của những gì đang diễn ra trong một hệ thống cực kỳ phức tạp ví dụ như sự nhiễu loạn luôn là một thách thức. Tại mỗi phạm vi độ dài, các xoáy nước giãn căng ra và nén đẩy lẫn nhau để tạo thành một bức tranh nhiễu loạn. Với nghiên cứu này, chúng tôi có thể tiến hành phân tách và quan sát sự tương tác các cặp đơn”.

Các nhà vật lý đã sử dụng máy gia tốc đo xoáy nước để tìm hiểu sự nhiễu loạn từ những năm 1990, nhưng các thí nghiệm trước đó đã không thể làm chậm quá trình và tái tạo lại các cơ chế của sự va chạm, thời điểm nó bắt đầu nhiễu loạn. Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu đã đồng bộ hóa một miếng laser quét mạnh mẽ với một camera tốc độ cao - có khả năng chụp lại hàng trăm nghìn hình ảnh mỗi giây - để quét nhanh toàn bộ chuyển động sự va chạm mạnh ở thời gian thực.

Họ đã đặt súng đại bác tạo xoáy nước trong bể cá 75 galon để tạo ra các xoáy mạnh. Mỗi một đợt lốc xoáy được tạo ra sẽ được nhuộm một màu khác nhau, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể quan sát cách chúng tương tác khi chúng có sự va chạm dữ dội. Chỉ mất chưa đến một giây để các vòng tròn biến mất và biến thành một vệt thuốc nhuộm sau vụ va chạm, nhưng trong thời gian đó, đã có rất nhiều hiện tượng vật lý xảy ra.

Đầu tiên, các vòng tròn kéo trải dài ra bên ngoài cho đến khi chúng va đập vào nhau và các rìa cạnh tạo thành sóng đối xứng. Các đỉnh của các sóng này phát triển thành các sợi giống như sợi kim chỉ, chúng phát triển vuông góc giữa các lõi va chạm.

Các sợi chỉ này quay ngược lại trở lại, tạo ra một loạt các xoáy nhỏ thu nhỏ tương tác với các xoáy khác chỉ trong thời gian một phần nghìn giây. Những xoáy này lại tiếp tục cũng tạo thành các sợi, lần lượt tạo thành các xoáy tương tác nhau. Nhóm nghiên cứu đã quan sát ba sự tạo thành của chu kỳ xếp tầng này, mỗi sự tạo thành này lặp lại giống như trước, với kích cỡ nhỏ hơn - giống như búp bê truyền thống của Nga.

“Hành vi chuyển động tương tự này từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ xuất hiện rất nhanh và có trật tự trước khi tất cả tan vỡ trong nhiễu loạn. Hiệu ứng xếp tầng này thực sự thú vị bởi vì nó có thể chỉ ra một cơ chế phổ quát về cách thức các tương tác này hoạt động, không phụ thuộc vào quy mô”, Ryan McKeown, cựu sinh viên SEAS nói.

Ngoài các thí nghiệm đang thực hiện ra, nhóm nghiên cứu cũng phát triển các mô phỏng số để hiểu rõ hơn về hiện tượng này.

P.T.T (NASATI), https://phys.org/news/2020-02-unraveling-turbulence-insights-fluids-disorder.html, 28/2/2020