Nhiễu động: bí ẩn lớn của vật lý - Tomás Chor

Xem toàn bộ bài học tại: https://ed.ted.com/lessons/turbulence-one-of-the-great-unolve-mysteries-of-physics-tomas-chor

Trên máy bay, đột nhiên, bạn bị xóc. Ngoài trời, dường như chẳng có gì xảy ra, nhưng bạn và các hành khách vẫn bị rung lắc khi máy bay bay qua vùng không khí bị nhiễu động. Vậy chính xác thì nhiễu động là gì, và vì sao nó xảy ra? Cùng Tomás Chor tìm hiểi về bí ẩn thú vị nhất của vật lý: hiện tượng nhiễu động.

Bài học: Tomás Chor, đạo diễn: Biljana Labovic.

Trên máy bay,
đột nhiên, bạn bị xóc.

Ngoài trời,
dường như chẳng có gì xảy ra,

nhưng bạn và các hành khách
vẫn tiếp tục bị rung lắc

khi máy bay bay qua
vùng không khí bị nhiễu động.

Có lẽ bạn sẽ không mấy thích thú
khi biết rằng

hiện tượng này là một trong những
bí ẩn thú vị nhất trong vật lý.

Sau hơn một thế kỷ
nghiên cứu về nhiễu động,

ta chỉ mới có vài giải thích
về cách hoạt động,

và ảnh hưởng của nó lên ta.

Nhiễu động ở khắp mọi nơi,

xuất hiện trong hầu hết
mọi hệ chuyển động chất lưu.

Gồm luồng khí
di chuyển trong đường hô hấp.

Máu lưu thông trong động mạch.

Và cả trong ly cà phê đang được khuấy.

Mây bị nhiễu động chi phối,

sóng vỗ dọc bờ biển
và gió mặt trời cũng vậy.

Hiểu rõ
cách hiện tượng này hoạt động

sẽ tạo ra nhiều thay đổi
trong cuộc sống.

Sau đây là những điều ta biết.

Chất lỏng và khí thường có
hai loại chuyển động:

dòng chảy tầng:
ổn định và trơn tru,

dòng chảy rối:
là tập hợp các xoáy rối loạn.

Hãy tưởng tượng
một cây nhang.

Ở đầu nhang, dòng khói mượt,
ổn định và dễ đoán.

Tuy nhiên, gần cuối cột khói,

tốc độ dòng tăng lên,
dòng không còn ổn định,

và chuyển động của cột khói
trở nên hỗn loạn.

Đó là sự nhiễu động,

và dòng chảy rối
có những đặc điểm sau.

Đầu tiên, khác với ngẫu nhiên,
nhiễu động luôn là hỗn loạn.

Nói đúng hơn, nhiễu động
rất nhạy với va chạm (lực ma sát).

Một chút tác động
có thể làm thay đổi toàn bộ,

khiến gần như
không thể dự đoán được nhiễu động

ngay cả khi có rất nhiều thông tin
về hiện trạng.

Một đặc điểm quan trọng khác
của nhiễu động là kích cỡ dòng.

Dòng chảy rối có nhiều vòng xoáy
có kích thước khác nhau gọi là xoáy rối,

giống như gió xoáy,
có nhiều hình dạng và kích cỡ.

Các xoáy rối tương tác với nhau,
tiêu tán năng lượng và nhỏ dần

đến khi toàn bộ động năng
biến thành nhiệt.

Quá trình này
được gọi là: "thác năng lượng".

Đó là cách nhận biết nhiễu động,

nhưng tại sao nó lại xảy ra?

Luôn tồn tại hai lực đối nhau
trong chất lỏng và chất khí:

quán tính và độ nhớt.

Quán tính khiến chất lỏng
tiếp tục di chuyển,

gây ra bất ổn.

Độ nhớt chống lại bất ổn,
khiến dòng chảy trơn tru hơn.

Trong chất lỏng đặc như mật ong,
độ nhớt thường thắng thế.

Các chất có độ nhớt nhỏ
như nước hay không khí

chịu ảnh hưởng
của quán tính nhiều hơn,

tạo nên bất ổn,
hình thành nhiễu loạn.

Ta phân loại dòng chảy
bằng cách đối chiếu khoảng phổ

nhờ một thứ gọi là số Reynold,

là tỷ số
giữa lực quán tính và độ nhớt dòng.

Số Reynold càng lớn,
khả năng xảy ra nhiễu động càng cao.

Ví dụ, chỉ số Reynold
khi đổ mật ong vào ly xấp xỉ bằng 1.

Tương tự, với nước,
chỉ số Reynold gần bằng 10.000.

Số Reynold rất hữu ích
Với các hệ đơn giản,

nhưng trở nên vô dụng
trong nhiều trường hợp khác.

Ví dụ, chuyển động trong lòng khí quyển
bị ảnh hưởng mạnh

bởi các yếu tố như trọng lực
và sự quay quanh trục của Trái đất.

Hay đơn giản hơn,
lực cản trên các tòa nhà và xe hơi.

Nhờ có nhiều thí nghiệm và thực nghiệm,
ta có thể tạo các mô hình tương ứng.

Nhưng các nhà vật lý muốn dự đoán
chúng qua định luật và phương trình vật lý

như việc tạo mô hình
quỹ đạo các hành tinh hoặc trường điện từ.

Hầu hết các nhà khoa học
tin rằng có thể dự đoán

dùng phương pháp thống kê
với máy tính có cấu hình cực mạnh.

Mô phỏng dòng chảy rối
trên máy tính có tốc độ xử lí cao

giúp xác định các mẫu
làm cơ sở xây dựng lý thuyết

dự đoán mọi hệ nhiễu động
một cách có hệ thống.

Vài nhà khoa học khác tin rằng
hiện tượng này quá phức tạp

nên việc xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh
là không thể.

Hy vọng, tương lai,
ta có thể tạo ra đột phá,

vì hiểu rõ về nhiễu động
có tác động rất lớn,

như giúp khai thác hiệu quả hơn
năng lượng điện gió,

chuẩn bị tốt hơn trước thiên tai,

hoặc thậm chí, điều chỉnh hướng bão.

Và, dĩ nhiên, những chuyến bay
dễ chịu hơn cho hàng triệu hành khách.