Lời giải cho câu hỏi 500 năm tuổi của Leonardo da Vinci

52
3.791

Một nghịch lý bí ẩn về chất lỏng được Leonardo da Vinci đặt ra khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thế kỷ. Giờ đây chúng ta đã có câu trả lời.

Hơn 500 năm trước, khi quan sát các bong bóng khí nổi lên trên mặt nước, Leonardo da Vinci nhận thấy chúng di chuyển theo hình xoắn ốc hoặc ngoằn ngoèo thay vì đi thẳng lên bề mặt. Trong nhiều thế kỉ, chưa ai giải thích được hiện tượng kỳ lạ này và nó được gọi là "nghịch lý Leonardo".

Đã có lời giải thích cho "nghịch lý Leonardo". (Ảnh: iStock).

Giờ đây, 2 nhà khoa học đã tìm ra câu trả lời bằng cách phát triển các mô phỏng phù hợp với phép đo có độ chính xác cao. Kết quả nghiên cứu vừa được công bố hôm 17/1, trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Giáo sư Miguel Ángel Herrada, Đại học Seville và Giáo sư Jens G. Eggers, Đại học Bristol, khám phá ra cơ chế giải thích sự chuyển động không ổn định của bong bóng khí khi nổi lên mặt nước.

Theo các tác giả, kết quả nghiên cứu cho thấy bong bóng có thể đạt đến bán kính tới hạn, liên tục bị đẩy vào những con đường di chuyển mới do tương tác giữa dòng nước xung quanh và sự thay đổi hình dạng của chúng.

"Chuyển động của bong bóng trong nước đóng vai trò trung tâm đối với nhiều hiện tượng tự nhiên, từ công nghiệp hóa chất đến môi trường", Miguel Herrada và Jens Eggers đánh giá về vai trò của việc giải thích nghịch lý Leonardo.

Bản vẽ của Leonardo da Vinci khi ông nhận thấy sự di chuyển kì lạ của bong bóng khí trong nước. (Ảnh: University of Sevilla).

Điều mà da Vinci lưu ý từ 5 thế kỉ trước, được các nhà khoa học khác xác nhận, là các bong bóng khí bán kính nhỏ hơn milimet có xu hướng đi lên bề mặt theo đường thẳng, trong khi các bong bóng lớn hơn tạo ra sự lắc lư dẫn đến hình xoắn ốc hoặc ngoằn ngoèo.

Herrada và Eggers sử dụng phương trình Navier–Stokes, một mô hình toán học được dùng để tính toán dòng chảy của chất lỏng và khí, mô phỏng sự tương tác phức tạp giữa bọt khí và môi trường nước xung quanh chúng.

Nhóm nghiên cứu xác định chính xác bán kính hình cầu kích hoạt độ nghiêng này là 0,926 mm - tương đương đầu bút chì và mô tả cơ chế dẫn đến những chuyển động nguệch ngoạc.

Bong bóng vượt quá bán kính tới hạn sẽ trở nên không ổn định hơn, tạo ra độ nghiêng làm thay đổi độ cong của chúng. Việc đó làm tăng vận tốc của nước xung quanh bề mặt bong bóng, gây ra chuyển động lắc lư.

Bong bóng sau đó quay trở lại vị trí ban đầu do sự mất cân bằng áp suất được tạo ra bởi các biến dạng và lặp lại quá trình theo chu kỳ.

"Trước đây người ta tin rằng chính quá trình nổi lên bề mặt của bong bóng khiến nó trở nên không ổn định, nhưng chúng tôi chứng minh một cơ chế mới, dựa trên sự tương tác giữa dòng chảy và biến dạng của bong bóng", các tác giả viết trong phần kết luận.

Cập nhật: 06/10/2024 Zing