NHỮNG DÒNG XOÁY BẤT TRỊ


Heisenberg, Feynman, von Neumann…là một phần trong danh sách dài các nhà khoa học đã lên án và kết tội nó. Người ta còn nghe kể rằng Heisenberg khi nằm trên giường bệnh cận kể cái chết đã nói: “ Chúa ơi, tôi muốn hỏi: tại sao lại có thuyết tương đối và tại sao lại có sự chảy rối

Ở đây ta muốn đề cập đến độ phức tạp của hiện tượng này, lần đầu tiên được Léonard de Vinci nhắc đến với cái tên “sự chảy rối” hay “sự chảy hỗn loạn” (turbulenza, trong tiếng Ý). Rất nhiều bức vẽ của thiên tài người Ý này đã biểu diễn những dòng xoáy được tạo thành bởi nước hoặc không khí. Từ đó đến nay, chưa một lí thuyết nào đã thành công trong việc giải thích sự hình thành của các dòng xoáy này cũng như sự tiến triển của chúng. Những nghiên cứu này có một sức hút rất lớn bởi đằng sau hiện tượng rất cơ bản này, nếu một ngày kia chúng ta khoan thủng được bức màn bí ẩn của sự chảy rối, chúng ta có thể cải thiện những phép đo khí động học tưởng như chẳng liên quan gì với nhau của tất cả các phương tiện, có thể tiên đoán được sớm hơn nhiều hiện tượng khí tượng, có thể hiểu sâu hơn sự vận động của những vì sao, có thể mô hình hóa chính xác hơn sự quá trình lưu thông của máu, và hàng nghìn điều khác nữa. Như nhiều nhà Vật Lý đã nhận xét, bài toán thực sự vấp phải khi đối mặt với hiện tượng chảy rối là họ không thể xác định được chính xác câu hỏi cần đặt ra để có thể hiểu được sự phát sinh cũng như tiến triển biến hóa của nó.

Trong mọi trường hợp, có một điều chắc chắn: những cấu trúc tạo nên trong lằn của một cái tàu, phía sau một cái máy bay hay những vành được tạo ra khi đổ sữa vào một cốc cà phê là hoàn toàn không thể đoán trước được. Không một ai có thể nói chính xác khi nào và tại vị trí nào chúng sẽ xuất hiện. Không thể dự đoán trước được, đúng thế, nhưng chúng ta lại tìm thấy nó trong mỗi lần làm lại thí nghiệm. Và không phải trong bất kì một điều kiện nào. Nhà Vật Lý Reynolds người Anh, vào cuối thế kỉ XIX, là người đầu tiên đã sử dụng một số (mà từ đó được gọi là số Reynolds) để diễn giải sự xuất hiện của chảy rối trong một dòng chảy. Đại lượng này bao gồm cả độ lớn của vật tạo ra chảy rối, vận tốc của nó, và cả độ nhớt của chất lưu (tức là độ cản trở chuyển động của vật trong chât lưu). Ngay khi số này đạt đến một giá trị đủ lớn – là điều được thỏa mãn khi vật lớn/ hoặc nếu vận tốc của nó cao/ hoặc nếu như chất lưu có đô nhớt kém – khi đó dòng chảy đều đặn sẽ trở thành chảy rối. Một vận động viên bơi lội cũng có thể tự tạo ra một dòng chảy rối. “Chúng ta có thể thấy cấu trúc của những dòng chảy rối (những dòng xoáy) như những cụm chất lưu, vào một thời điểm nhất định, tách ra khỏi vận động viên bơi lội và cuốn vào trong cả chất lưu, trở nên hỗn loạn, và cứ tiếp diễn lại như thế” Daniel Bonn của phòng thí nghiệm Vật Lý thống kê của ENS1 thích. Đây là nơi đang nghiên cứu để tìm hiểu vì sao khi thêm dung dịch polyme vào nước thì sự chảy rối trong một cái ống tưới nước lại giảm xuống – một thí nghiệm có thể cho phép tiến thêm một chút trong bài toán ma quái này.

Trong những cái ống nghiệm quay, các nhà nghiên cứu mô hình hóa những vòng xoáy được tạo ra trong khí quyển và đại dương. Họ cũng nghiên cứu xem các dòng chảy rối này đã phép nhào trộn những lớp nước và khí như thế nào.

Thực ra các nhà Vật Lý không hề thiếu công cụ, hầu hết những công cụ này đều đã được các nhà toán học vũ trang. Bắt đầu với phương trình Navier và Stokes (thiết lập năm 1823), cho phép mô tả tập hợp những dòng chảy, nghĩa là cho phép xác định tại mỗi thời điểm vị trí của một vật được lôi đi trong dòng chất lưu. Tuy nhiên, hiện nay, chưa ai thành công trong việc giải phương trình này trong trường hợp áp dụng cho một dòng chảy rối. Tất cả đều chỉ là những lời giải gần đứng được tính toán bằng máy tính. Thực tế, những nhà nghiên cứu thậm chí còn không biết rằng việc sử dụng phương trình này trong trường hợp cụ thể này có là vô nghĩa hay không. Nói cách khác, họ không biết rằng trong trường hợp chảy rối, liệu có tồn tại một lời giải nào cho phương trình này hay không.

Nhưng, ngoài việc là chúng ta không biết giải phương trình Navier và Stokes, đâu là vấn đề ? Chúng ta lại phải quay sang Kolmogorov, một nhà Toán học Nga, người đã phát triển lĩnh vực nghiên cứu này từ những năm 1940. Ông đã đề ra giả thiết rằng động năng của những cấu trúc chảy rối phải được truyền từ những dòng xoáy lớn sang những dòng xoáy nhỏ hơn. Chỉ khi đạt tới một kích thước vô cùng nhỏ thì sự chảy rối mới ngừng lại và năng lượng mới được giải thoát dưới dạng nhiệt năng.. Đây là quá trình mà các nhà Vật Lý gọi là dòng thác chảy rối: những dòng xoáy lớn có kích thước của vật phân nhỏ thành những dòng xoáy nhỏ hơn, rồi đến lượt chúng, những dòng xoáy nhỏ này lạy tự phân nhỏ, cứ như thế. Mặc dù Kolmogorov chưa viết lí thuyết về sự chảy rối, nhưng ông đã thành công trong việc tiên đoán sự biến đổi vận tốc của những dòng xoáy tùy theo kích thước của chúng. Nhưng mô tả này không phải là môt lời giải hoàn mỹ. Trước tiên bởi vì cho đến hôm nay chưa một ai có thể thiết lập được mối liên hệ giữa lời giải của phương trình Navier và Stokes – nếu như nó tồn tại – với những giả thuyết của nhà Toán học Nga; và cũng bởi vì những giả thiết này chưa bao giờ được kiểm nghiệm trong những tình huống có độ chính xác cao: khi mà số Reynolds rất lớn như trường hợp những dòng chảy được tạo thành trong các cánh quạt máy bay “ comme c’est le cas, par exemple, pour des écoulements réalisés dans de grandes souffleries sur des avions. “Do đó việc cần làm là quan sát tất cả kích thước có thể của những dòng xoáy”, từ những cái lớn hàng mét cho đến những cái nhỏ hơn một milimét” Yves Gagne, nghiên cứu viên của Phòng thí nghiệm về những dòng chảy Địa Vật Lý và Công nghiệp2 nói rõ thêm. Đối với những dòng chảy lớn nhất, không có vấn đề gì cả, chẳng có điều gì có vẻ đi ngược lại với ý tưởng của Kolmogorov. Nhưng ở những thang đo bé hơn, các nhà Vật Lý đã đo thấy những chênh lệch so với các dự đoán của ông. Điều này dường như đi kèm với sự xuất hiên của những cấu trúc chảy rối mãnh liệt theo cách hoàn toàn không thể tiên đoán được: sự chênh lệch vận tốc giữa hai điểm là vô cùng lớn.

Vẫn còn cần phải biết xem liệu những dòng xoáy này có một ảnh hưởng quan trọng nào hay không lên sự hình thành chảy rối trong mọi chất lưu, có nghĩa là liệu có thể xác định được xem ở thang đo nào nó xuất hiện tùy theo kích thước của vật. Yves Gagne giải thích “ Đối với vấn đề này, chúng ta cần phải làm việc với những chất lưu mà số Reynolds còn phải lớn hơn nữa, khi đó những khái niệm của Kolmogorov dường như đã gắn được với thực tế. Điều đó lý giải tại sao những nhà thực nghiệm hiện nay lại quay sang những thí nghiệm với Heli lỏng ở nhiệt độ thấp, để có độ nhớt rất thấp. Stephan Fauve của Phòng thí nghiệm Vật Lý thống kê của ENS, ngờ rằng khái niệm mới mẻ này, được đảm bảo bởi các nhà thực nghiệm và các tính toán mô phỏng số, là lời giải cho bài toán: “ Ngay cả khi chúng ta giả sử rằng sự gián đoạn không có ảnh hưởng gì, chúng ta sẽ vẫn phải bó tay khi tính lực cản máy bay (tức là lực có chiều ngược lại với phương chuyển động của nó trong không khí) “ Vậy mọi người, hãy cột chặt dây an toàn lại ! Vì chúng ta sẽ vẫn còn không ngừng phải nhắc đến những dòng xoáy bất trị trong không trung.

(Sưu tầm)

Đăng 1 phản hồi

Required fields are marked *

*
*

%d bloggers like this: