Việc nước trà nhỏ giọt và chảy xuống thành ấm trong khi rót hóa ra phức tạp hơn bạn nghĩ.
Việc nước trà bám vào thành ấm và nhỏ giọt trong khi rót - được gọi là hiệu ứng ấm trà - là một sự khó chịu nho nhỏ đối với những người thường xuyên uống trà. Nhưng đối với các nhà vật lý trên khắp thế giới, nó đã đặt ra một vấn đề lý thuyết rắc rối kéo dài hàng thập kỷ. Thậm chí, một giải Ig Nobel đã được trao cho hai nhà khoa học vì đã tính toán cách tạo ra một vòi ấm trà không nhỏ giọt.
Năm 2019, tưởng chừng mọi chuyện sẽ chấm dứt khi một nhóm các nhà vật lý người Hà Lan đã đưa ra một mô hình định lượng để dự đoán chính xác tốc độ dòng chảy khi trà được rót ra khỏi ấm. Nhưng, vẫn còn nhiều việc phải làm để lấp đầy một vài lỗ hổng trong lý thuyết về hiệu tượng vật lý có sức cuốn hút đặc biệt này.
Mới đây nhất, các nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Vienna và Đại học London đã cho biết cuối cùng họ đã phát triển một mô tả lý thuyết hoàn chỉnh cho hiệu ứng ấm trà. Nó ghi lại sự tác động lẫn nhau đầy phức tạp của các lực quán tính, độ nhớt và hiện tượng mao dẫn để chuyển hướng dòng chảy của chất lỏng khi đáp ứng các điều kiện nhất định. Tuy nhiên, lực hấp dẫn, lại được chứng minh là có ít liên quan hơn tới hiện tượng này. Điều đó có nghĩa là bạn vẫn nhận thấy hiệu ứng ấm trà trên Mặt trăng, theo các tác giả, nhưng sẽ không thấy nó nếu bạn rót trà trên Trạm vũ trụ quốc tế ISS.
Các nhà nghiên cứu đã trình bày các tính toán lý thuyết của họ trong một bài báo đăng trên Tạp chí Cơ học Chất lỏng số tháng 9. Và bây giờ, họ đã công bố kết quả thí nghiệm mà họ tiến hành để kiểm tra mô hình lý thuyết. Và nếu đọc tới đây mà bạn vẫn chưa hình dung việc nghiên cứu câu chuyện về quá trình rót trà có tác dụng gì, thì nên biết rằng những hiểu biết sâu sắc thu được trong những nghiên cứu này có thể giúp chúng ta kiểm soát tốt hơn dòng chảy của chất lỏng trong các thiết bị vi lỏng, có tác dụng đặc biệt quan trọng trong y tế và nghiên cứu sinh học.
Hiệu ứng ấm trà đã khiến các nhà vật lý đau đầu hàng thập kỷ qua.
Kỹ sư kiêm nhà khoa học người Israel Markus Reiner lần đầu tiên mô tả hiệu ứng ấm trà vào năm 1956, và đã tiên phong trong lĩnh vực lưu biến học (nghiên cứu về cách chất lỏng chảy). Sau đó, kỹ sư kiêm nhà toán học Joseph B. Keller đã tiến hành các cuộc thí nghiệm của riêng mình và kết luận rằng sự nhỏ giọt là do áp suất không khí chứ không phải do sức căng bề mặt, như nhiều người đã giả định. Ông và một đồng nghiệp người bỉ, Jean-Marc Vanden‐Broeck, đã xuất bản một báo cáo vào năm 1986 - công trình mang lại cho họ giải Ig Nobel năm 1999. Theo Keller, áp suất của chất lỏng ở môi trường rót thấp hơn trong không khí xung quanh, và do đó đẩy trà ngược lại vào phần miệng và bên ngoài vòi.
Cụ thể hơn, ở tốc độ dòng chảy cao hơn, lớp chất lỏng gần vòi của ấm trà tách ra để nó chảy trơn tru và không gây nhỏ giọt. Nhưng ở tốc độ dòng chảy thấp hơn, khi sự phân tách dòng chảy xảy ra, một lớp dính lại với bề mặt của vòi ấm trà, dẫn đến dòng chảy nhỏ giọt. Đường kính của vòi, độ cong của miệng vòi và "khả năng thấm ướt" (mô tả sự bám dính của một chất lỏng lên bề mặt một chất rắn) của vật liệu làm ra ấm trà, cũng là những yếu tố có thể ảnh hưởng đến việc có xảy ra hiện tượng nhỏ giọt hay không.
Nhưng, chúng không phải là thủ phạm chính. Vào năm 2010, các nhà vật lý người Pháp đã chứng minh rằng nguyên nhân thực sự là một loại "hiệu ứng thủy mao dẫn" ngăn cản (ở tốc độ rót chậm hơn) chất lỏng tách ra khỏi vòi để có dòng chảy mượt mà, sạch sẽ. Tất cả các yếu tố khác đóng vai trò quyết định mức độ mạnh mẽ của hiệu ứng thủy mao dẫn. Các nhà vật lý đó đề nghị làm cho miệng của vòi càng mỏng và có đầu càng nhọn thì sẽ giảm sự nhỏ nước, thậm chí có thể phủ lên miệng vòi bằng vật liệu siêu chống thấm nước.
Tiếp đó, nghiên cứu năm 2019 được thực hiện bởi Etienne Jambon-Puillet, khi đó là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Amsterdam. Ông đã cảm thấy thích thú với cách chất lỏng quấn quanh ống kim hình trụ trong ống tiêm mà mình phải làm sạch trong phòng thí nghiệm mỗi ngày. Cùng với một vài đồng nghiệp, ông đã thiết lập một loạt các hình trụ thẳng đứng và bắn các tia nước nhuộm vào chúng, quay video cách chất lỏng hoạt động ở các tốc độ dòng chảy khác nhau. Sau đó, họ phát hiện ra rằng các tia nước luôn đi theo đường thẳng với tốc độ dòng chảy cao, và khi tốc độ đó giảm xuống, nước bắt đầu lệch đi một chút. Ở tốc độ dòng chảy thậm chí còn thấp hơn, nước bắt đầu cuộn lại và "bám" vào bề mặt hình trụ trước khi quay xung quanh để tạo thành một đường xoắn ốc.
Mô hình mới của các nhà nghiên cứu đã dự đoán chính xác khi nào sự chuyển đổi quan trọng từ "dính" vào - thay vì tách ra - một bề mặt rắn như hình trụ (hoặc vòi của ấm trà) sẽ xảy ra. Họ kết luận rằng điều đó xảy ra khi có sự kết hợp giữa lực hút thủy tĩnh và sự làm ướt, liên kết nước trà với mặt bên của ấm trà khi nó chảy xuống.
Tốc độ dòng chảy xác định kích thước của những giọt đó.
Và báo cáo mới đây nhất cho thấy sự phù hợp với những nghiên cứu trước đó, khi nhận định việc giảm tốc độ dòng chảy tới hạn sẽ tạo ra hiệu ứng ấm trà. Theo các tác giả, giọt nước chắc chắn sẽ hình thành ở cạnh sắc dưới miệng vòi, đảm bảo rằng khu vực này luôn được làm ướt. Tốc độ dòng chảy xác định kích thước của những giọt đó. Ở tốc độ dòng chảy thấp nhất, các giọt có thể đủ lớn để chuyển hướng toàn bộ dòng chảy xung quanh mép và trà chảy ra theo thân ấm.
Đối với các lực tác dụng, quán tính giúp chất lỏng duy trì hướng ban đầu của nó. Lực mao dẫn làm chậm tốc độ dòng chảy ở miệng ấm. Các yếu tố quan trọng khác là góc tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và thành của ấm trà và độ hút nước (hoặc thấm ướt) của chất liệu làm ấm trà. Góc càng nhỏ - hoặc vật liệu càng ưa nước - thì quá trình tách nước của chất lỏng càng chậm lại.
"Mặc dù đây là một hiệu ứng rất phổ biến và có vẻ đơn giản, nhưng rất khó để giải thích nó một cách chính xác trong khuôn khổ cơ học chất lỏng", đồng tác giả nghiên cứu Bernhard Scheichl từ Đại học Vienna cho biết. "Chúng tôi lần đầu tiên đã thành công trong việc đưa ra lời giải thích lý thuyết đầy đủ về lý do tại sao giọt nước này hình thành và tại sao mặt dưới của mép vòi luôn bị ướt."
Tất nhiên, các dự đoán của một lý thuyết hoạt động tốt vẫn phải được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm. Vì vậy, Scheichl và cộng sự đã thử nghiệm mô hình của họ bằng cách đổ nước từ một ấm trà nghiêng, thay đổi tốc độ dòng chảy (cao, trung bình và rất thấp) và chụp những động lực đó bằng máy ảnh tốc độ cao. Và như trong ảnh GIF ở trên, bạn có thể thấy chính xác việc giảm tốc độ dòng chảy dưới một điểm quan trọng đã dẫn đến việc làm ướt miệng ấm và nước chảy nhỏ giọt dọc thân, đặc trưng của hiệu ứng ấm trà.