Tài liệu: Lớp gần biên

Tài liệu

Tóm tắt nội dung

Nếu bạn dùng thìa khuấy cốc nước chè thì dạng bề mặt nước là một hình paraboloit tròn xoay.
Lớp gần biên

Nội dung

LỚP GẦN BIÊN

 

Nếu bạn dùng thìa khuấy cốc nước chè thì dạng bề mặt nước là một hình paraboloit tròn xoay. Hóa ra là ở đáy cốc đã diễn ra những quá trình không kém phần hấp dẫn mà thậm chí còn nghịch lý nữa. Búp chè có tỷ trọng lớn hơn nước (nếu không chúng đã không chìm xuống đáy cốc). Có nghĩa là, khi quấy, lực quán tính tác dụng lên các búp chè lớn hơn lực tác dụng lên nước, lực này lẽ ra phải làm cho chúng đi ra xa tâm quay hơn. Thế mà trái với dự đoán bã chè lại được gom vào đúng ở tâm quay. Tại sao lại thế?

Chỉ cần thay đổi thí nghiệm một chút là có thể làm thay đổi kết quả đi nhiều: quay một cốc đựng đầy nước với vận tốc góc không đổi, thì các búp chè sẽ tập trung ở chỗ đã dự đoán ở gần thành cốc. Chuyển động của cốc đã làm thay đổi gì trong thí nghiệm? Do có độ nhớt mà chất lỏng bám vào bề mặt các vật rắn. Khi cốc đứng yên, các phần tử chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với cốc, cũng đứng yên còn các phần tử nằm cạnh chúng do tính nhớt mà bị hãm - gần thành cốc vận tốc tăng dần từ giá trị bằng không. Bởi vậy, ở thành cốc mặt chất lỏng mất dạng parabôn của mình. Vùng (miền) mà ở đó thành cốc bề hãm chuyển động của chất lỏng và bề mặt của nó không còn có dạng parabôn, tương đối nhỏ.

Đáy đứng yên của cốc cũng hãm chuyển động chất lỏng y như thế. Áp suất chất lỏng tăng theo mức độ ở xa trục quay. Áp lực tác dụng lên phần tử chất lỏng từ phía trục quay nhỏ hơn áp lực từ phía ngược lại.

Hiệu áp lực này là nguyên nhân gây ra gia tốc hướng tâm của phần tử chất lỏng, nhờ thế mà nó chuyển động theo một quỹ đạo tròn. Nhưng khi phần tử chất lỏng lại gần đáy cốc, thì do hiệu ứng bám dính vận tốc của nó giảm xuống, và hiệu áp suất vẫn như cũ. Lực ly tâm không bù trừ nó, và do vậy mà chất lỏng chảy từ chỗ áp suất lớn sang nơi áp suất bé. Kiểu chảy này cuốn theo bã chè để tập trung chúng vào tâm.

Theo lý thuyết chất lỏng nhớt, kích thước ô của miền ở đó có sự thay đổi vận tốc từ giá trị bằng không trên bề mặt vật đến vận tốc dòng chảy v được cho bởi:

ở đây L là kích thước của vật nằm trong dòng chảy. Trong trường hợp cốc nước chè độ nhớt của nước ở 200C bằng khoảng 10-2g/(s.cm), mật độ -lg/cm3, chu vi vành cốc khoảng 20cm, vận tốc nước trong cốc đang quay ta lấy bằng 20 cm/s (ở đây chỉ nói tới cỡ bậc tương đối của các đại lượng). Do đó bề dầy lớp nước mà ở đó độ nhớt đóng vai trò quan trọng, chỉ cỡ l mm.

Như vậy, các kích thước của miền này nhỏ hơn kích thước của cốc rất nhiều. Miền ở đó độ nhớt là quan trọng có kích thước tương đối nhỏ so với kích thước của vật nằm trong dòng chảy. Người ta gọi nó là lớp gần biên. Ở ngoài lớp này có thể xem chất lỏng là không nhớt. Và bởi vậy mặc dù trong thiên nhiên không tồn tại một chất lỏng như thế lý thuyết chất lỏng không nhớt vẫn được áp dụng rất rộng rãi. Lý thuyết này (đơn giản hơn so với lý thuyết chất lỏng nhớt) mô tả khá chính xác dòng chảy trong các trường hợp khi kích thước của lớp gần biên nhỏ đến mức có thể bỏ qua được so với kích thước của bản thân vật nằm trong dòng chảy.

            ĐẦM LẦY – CHẤT LỎNG PHI NEWTON

Đã có biết bao câu chuyện bi thảm và các huyền thoại ghê gớm liên quan đến các đầm lầy! Con người và loài vật, khi bơi vẫn di chuyển tự do trên mặt nước, nhưng không có một kỹ năng nào, không một hành động nào giúp được anh ta thoát ra khỏi bùn lầy.

Vì đâu mà đầm lầy thâm hiểm đến thế? Xét theo một vài dấu hiệu, nó giống với chất lỏng: ít ra, nó có thể chảy được và vật nặng có thể bị chìm trong đó. Mặt khác bãi lầy lại biểu hiện như vật rắn - đó là các vật thể khá nặng, ví dụ các hòn đá có thể để được trên bề mặt của nó mặc dầu tỷ trọng của chúng còn lớn hơn cả tỷ trọng chất cấu tạo nên bùn lầy. Cũng nên nói thêm rằng tỷ trọng của bùn lầy vượt tỷ trọng của nước, còn tỷ trọng của cơ thể người và súc vật thì gần bằng tỷ trọng của nó, vậy cho nên, nếu đối với đầm lầy chỉ tuân thủ định luật Archimedes không thôi, thì con người và loài vật sẽ không thể chìm được trong nó.

Dẫu sao vẫn có thể xem đầm lầy là một chất lỏng, nhưng là một chất lỏng đặc biệt. Bùn lầy bắt đầu biểu hiện như chất lỏng chỉ khi các trọng tải của vật đặt lên nó vượt quá một giá trị giới hạn nào đó. Bởi vậy một hòn đá nặng không nhất thiết bị chìm trong bùn lầy: mới đầu nó sẽ bị chìm xuống, nhưng khi đó lực đẩy tăng lên và ở một thời điểm nào đó có thể là trọng lượng hòn đá được bù trừ phần nào bởi lực Archimedes, làm cho trọng tải của hòn đá chưa vượt quá giá trị l và xuất hiện trạng thái không chìm hẳn.

Trạng thái như thế xuất hiện khi con người thực hiện bước đi đầu tiên trong bùn. Trong chất lỏng bình thường, bàn chân bị chìm xuống cho đến khi toàn bộ trọng lượng cơ thể chưa được cân bằng với lực đẩy (hoặc khi chân chưa tới đáy). Trong đầm lầy cũng diễn ra trạng thái không chìm hẳn - quá trình nhấn chìm dừng lại khi mà hiệu số giữa trọng lượng cơ thể và khối bùn bị chiếm chỗ trở nên bằng đại lượng

Đầm lầy đánh lừa con người như thế, bằng cách thử anh ta đi sâu, đi sâu thêm vào bãi lầy. Bước thứ hai cũng gây ra trạng thái không chìm hẳn, gây cho ta cảm giác rằng mọi chuyện vẫn ổn cả. Bùn lầy sẽ tản ra khi thử rút chân khỏi khối bùn. Vấn đề cơ bản là ở chỗ lún dưới chân ta bắt đầu hình thành một khoảng trống. Chất lỏng thông thường lập tức lấp chỗ theo bàn chân ta, không cho phép xuất hiện khoảng trống, nhưng bùn trong đầm lầy không phải là chất lỏng thông thường. Kết quả là khoảng không được tạo ra dưới chân ta sinh ra một lực bổ sung hướng xuống dưới (bạn hãy nhớ lại, khi bước trong lớp bùn thông thường không sâu lắm ta thường thấy tiếng lép nhép dưới chân như thế nào - đó là tiếng động của dòng không khí bị hút vào khoảng không được giải phóng dưới bàn chân đang cố nhấc lên). Để thắng lực này, bàn chân kia phải chìm sâu thêm một chút dưới bùn. Cứ mỗi lần cố thử rút chân hay một phần cơ thể nào đó ra khỏi bãi lầy như thế lại làm cho toàn bộ cơ thể bị chìm thêm. Tốt hơn hết là đi vòng quanh bãi lầy theo mép hoặc giả khi có một cây sào chắc, ta có thể kiểm tra xem có hy vọng đi qua được những nơi nguy hiểm, và dựa vào sào để khắc phục lực hút của đầm lầy.

Tình hình bi thảm tương tự cũng xảy ra với một tàu ngầm nằm trên một tầng đất sét. Lớp nước dưới tàu khi đó bị ép ra hết, nên tàu mất khả năng tận dụng lực Archimedes để nổi lên và như vậy ''bị dính chặt'' xuống đáy. Áp suất của lớp đất sét dầy từ trên cao nhấn nó chìm dần vào lớp đất sét, tác dụng hút của đất sét không cho phép tàu thoát khỏi ''sự giam cầm nhớt'' cho dù chân vịt tàu vẫn hoạt động.

Những mô hình đầu tiên về các môi trường lỏng phi Newton đã được đề xuất vào nửa sau thế kỷ XIX bởi James Clerk Maxwell và William Thomson. Vào thế kỷ XX nhờ những công trình của Bingam và Reyner chuyên ngành này của cơ học môi trường liên tục đã trở thành một ngành khoa học độc lập có tên là lưu biến học. Đối tượng nghiên cứu của lưu biến học là các vật liệu như sơn, vecni, nhựa đường, các chất đất, nham thạch v.v...




Nguồn: bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/1165-02-633398117715781250/Nhung-hien-tuong-la-thuong-cua-co-hoc-thu...


Chưa có phản hồi
Bạn vui lòng Đăng nhập để bình luận