Vòi tưới quay ngược: câu hỏi tám mươi năm chưa khép lại

Bạn đã thấy cái vòi tưới cỏ hình chữ S chưa? Nó có hai cánh tay cong, nước phun ra ở hai đầu, và cả cái vòi tự quay tròn để tưới đều khắp bãi cỏ. Chuyện đó ai cũng đoán được: nước bắn ra một hướng thì vòi bị đẩy về hướng ngược lại, y như khi bạn thổi bong bóng bay chưa buộc miệng rồi thả tay.

Bây giờ đổi ngược lại. Thả cái vòi đó xuống hồ bơi, nối nó với một cái máy hút, để nước bị hút vào thay vì phun ra. Vòi sẽ quay chiều nào? Cùng chiều với lúc phun, hay ngược chiều?

Nghe rất dễ. Nhưng đây là câu hỏi mà nhà vật lý Richard Feynman đặt ra khi còn là nghiên cứu sinh ở Đại học Princeton, hồi thập niên 1940. Tới hôm nay, tám mươi năm sau, nó vẫn chưa được khép lại hẳn.

Vì sao câu hỏi này khó tới vậy

Cái bẫy nằm ở chỗ: mọi người đều có một câu trả lời "hiển nhiên", và các câu trả lời hiển nhiên ấy đá nhau.

Cách nghĩ thứ nhất: hút thì ngược với phun, nên vòi phải quay ngược chiều. Cách nghĩ thứ hai: khi phun, nước rời khỏi vòi và mang theo động lượng đi mất; còn khi hút, nước đi vào rồi vẫn ở trong ống, chưa đi đâu cả, nên chưa chắc có lực đẩy nào. Cả hai cách nghĩ đều nghe lọt tai, và đó chính là dấu hiệu rằng bạn đang thiếu một mảnh gì đó.

Feynman làm điều mà một nhà vật lý nên làm: ông thử. Theo lời kể của chính ông, ông lắp một cái vòi phun bằng thuỷ tinh trong phòng thí nghiệm của trường. Thiết bị chỉ "rung nhẹ" một cái rồi gần như đứng im, dù ông tăng áp suất lên mãi. Ông cứ tăng, tăng nữa, cho tới lúc thuỷ tinh vỡ tan. Câu trả lời vẫn mơ hồ.

Và đây mới là phần khó nhất: nhiều thập kỷ thí nghiệm về sau cho ra đủ mọi đáp án. Có nhóm thấy vòi quay chiều này, nhóm khác thấy quay chiều kia, nhóm khác nữa thấy nó giật qua giật lại, có nhóm thấy nó nằm im. Kết quả phụ thuộc vào việc thí nghiệm được dựng cẩn thận tới đâu: ổ trục có trơn không, nước có bọt khí không, dòng chảy có đều không. Khi một câu hỏi cho ra bốn đáp án khác nhau tuỳ người đo, thì vấn đề không còn là "đo lại cho kỹ", mà là "chúng ta đang hiểu sai cơ chế".

Hai lời giải thích cũ, và phép thử bằng bảy cái vòi kỳ quặc

Có hai cách hiểu được nhiều người theo nhất.

Cách thứ nhất truy về nhà vật lý người Áo Ernst Mach: khối nước xoáy bên trong hai cánh tay vòi mang một lượng mô men động lượng (angular momentum), tức là mức độ "hăng" của một vật đang quay quanh trục. Nếu nước bên trong xoáy theo một chiều thì cái vòi phải quay theo chiều ngược lại để bù trừ.

Cách thứ hai gắn với chính Feynman: chuyện quan trọng xảy ra ngay tại hai đầu vòi phía ngoài, nơi nước bị hút vào, do áp suất và lực hút tại đó.

Năm 2024, một nhóm ở Đại học New York do Leif Ristroph dẫn đầu, ông vừa là nhà toán học ứng dụng vừa là nhà vật lý thực nghiệm, đã thử giải bài toán và kết luận vòi phun ngược quay ngược chiều so với vòi phun xuôi. Nhưng kết quả đó chỉ thử trên vòi hình chữ S thông thường, và chưa đem hai cách hiểu trên ra đối đầu trực tiếp.

Nên nhóm hỏi tiếp một câu rất hay: nếu cái vòi không giống vòi thì sao? Nếu cánh tay của nó xoắn ốc nhiều vòng, hoặc bẻ ngược chiều, hoặc cuộn ngược lại thì sao?

Họ chế bảy cái vòi cố tình "ngớ ngẩn". Trong đó có một cái với cánh tay xoắn nhiều vòng để nước bên trong mang mô men động lượng lớn hết mức, và một cái có đoạn bẻ ngược chiều ngay tại đầu phun. Đây là phép thử sắc: nếu Mach đúng, cái vòi xoắn ốc phải quay khác hẳn. Nếu Feynman đúng, đảo chiều bẻ ở đầu phun phải làm vòi quay ngược lại.

Không cái nào xảy ra. Với cái vòi xoắn ốc, dù chất lỏng bên trong mang mô men động lượng lớn hơn hẳn, Ristroph nói "phần rắn gần như chẳng bận tâm". Ông kể với Live Science rằng nhóm buộc phải nói: "Feynman và những người theo ông, các vị sai rồi".

Cả ba phép đo trên bảy thiết kế đều chỉ về cùng một chỗ: trục trung tâm, nơi hai cánh tay gặp nhau. Ở đó, dòng nước từ hai phía đâm vào nhau và xoáy, sinh ra một dòng mô men động lượng bên trong thiết bị, và khung rắn của vòi phải đẩy lại. Theo cách hiểu này, vòi phun ngược chỉ là vòi phun xuôi lộn từ trong ra ngoài, cùng một cơ chế nhưng diễn ra ở đầu bên kia của cánh tay. Kết quả công bố ngày 13 tháng 7 trên tạp chí PNAS, do Jesse Smith cùng nhóm sinh viên của Ristroph và Brennan Sprinkle, chuyên gia động lực học chất lưu tính toán ở Colorado School of Mines, thực hiện.

Nếu chốt được thì đổi được gì

Đây không chỉ là chuyện vui. Hiểu được cách một ống dẫn cong biến dòng chảy thành lực xoay là hiểu đúng thứ mà tua bin (turbine) làm mỗi ngày: lấy gió và dòng nước quanh ta rồi biến thành điện. Ristroph nói nếu việc này giúp kỹ sư thiết kế thiết bị thu năng lượng tốt hơn thì quá tuyệt.

Câu hỏi đang đứng ở đâu hôm nay

Chưa xong. Hai lời giải thích cũ đã bị bác bỏ bằng thí nghiệm thật, và có một lời giải thích mới trụ được qua bảy thiết kế. Nhưng nhóm đang xây mô phỏng máy tính để xem mô hình này còn đúng ngoài phạm vi dòng chảy họ đã thử hay không, và họ vẫn chưa dẫn được nó ra từ các phương trình cơ bản của động lực học chất lưu. Nói cách khác: đã có một câu trả lời tốt cho bảy cái vòi cụ thể, chưa có một câu trả lời chứng minh được cho mọi cái vòi.

Bạn thử được ở nhà: cầm một ống hút uốn cong, thổi ra rồi hút vào, để ý tay mình bị đẩy hay bị kéo về hướng nào.

Và một câu để nghĩ tiếp. Một câu hỏi nghe vớ vẩn tới thế mà tám mươi năm chưa ai trả lời trọn. Quanh bạn còn câu hỏi "vớ vẩn" nào chưa ai chịu hỏi tới cùng?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.