Bí ẩn vật lý hơn 140 năm về chiếc vòi phun nước cuối cùng đã có lời giải

Bức ảnh ghi lại dòng chảy vào vòi phun ngược, được trực quan hóa bằng các hạt và màu giả. Ảnh: IE.

Mỗi mùa hè, những chiếc vòi phun nước xoay tròn với đủ hình dạng kỳ quặc lại xuất hiện trên các bãi cỏ, tạo nên những tia nước uốn lượn vui mắt. Thế nhưng đằng sau món đồ chơi tưởng chừng đơn giản ấy lại tồn tại một câu đố vật lý khiến giới khoa học tranh luận suốt hơn một thế kỷ.

Giờ đây, một nhóm nhà toán học từ Đại học New York (NYU) và Trường Mỏ Colorado (Colorado School of Mines) cho biết họ đã giải được bài toán nổi tiếng mang tên “Feynman’s Sprinkler Problem” – bí ẩn về việc điều gì xảy ra khi đảo ngược dòng chảy của một vòi phun nước.

Thông qua hàng loạt thí nghiệm với các mẫu vòi phun có hình dạng khác nhau, nhóm nghiên cứu đã xác định được cơ chế vật lý khiến thiết bị này quay khi nước bị hút vào thay vì phun ra ngoài.

Kết quả cho thấy một vòi phun hoạt động theo chế độ hút ngược sẽ quay theo hướng ngược lại do các lực sinh ra bên trong hệ thống.

“Công trình này mang lại lời giải thực nghiệm cho bài toán vòi phun nước của Feynman, cho thấy động lượng góc của dòng nước bên trong chính là yếu tố điều khiển chuyển động quay của thiết bị”, giáo sư Leif Ristroph thuộc Viện Courant của Đại học New York cho biết.

Câu đố vật lý kéo dài hơn một thế kỷ

Câu hỏi nghe có vẻ đơn giản: Nếu nhúng hoàn toàn một vòi phun nước vào trong bể và đảo ngược dòng chảy để hút nước vào thay vì phun nước ra ngoài, nó sẽ quay theo hướng nào?

Quay cùng chiều? Quay ngược chiều? Hay hoàn toàn đứng yên?

Bài toán này xuất hiện từ năm 1883 khi nhà vật lý nổi tiếng Ernst Mach lần đầu tiên đặt ra câu hỏi về hiện tượng trên.

Nhiều thập kỷ sau, nhà vật lý đoạt Nobel Richard Feynman tiếp tục khiến bài toán trở nên nổi tiếng khi kể lại nỗ lực tự giải của mình. Thí nghiệm của ông thậm chí từng kết thúc bằng việc một bình thủy tinh phát nổ dưới áp suất cao.

Trong nhiều năm, các mô hình toán học và kết quả thực nghiệm khác nhau liên tục đưa ra những lời giải mâu thuẫn, khiến bí ẩn này trở thành một trong những câu hỏi kinh điển của cơ học chất lưu.

Trong nghiên cứu công bố năm 2024, nhóm tác giả đã đề xuất cái gọi là “thuyết thông lượng động lượng” (momentum flux theory).

Theo mô hình này, vòi phun hút nước hoạt động giống như một “tên lửa lộn ngược”, trong đó chuyển động quay được tạo ra bởi động lượng góc của các dòng chất lỏng bên trong thiết bị.

Các nhà khoa học phát hiện những tia nước bên trong không va chạm trực diện hoàn toàn mà lệch nhau một khoảng rất nhỏ. Chính sự lệch tâm này tạo ra mô-men xoắn khiến vòi phun quay ngược chiều.

Thậm chí tốc độ quay có thể cao gấp khoảng 50 lần so với một vòi phun thông thường.

Tuy nhiên, nghiên cứu ban đầu mới chỉ xem xét những vòi phun có hình chữ S đơn giản. Điều đó khiến nhiều nhà khoa học đặt câu hỏi liệu các thiết kế phức tạp hơn có tuân theo cùng một quy luật hay không.

Những hình dạng kỳ quặc cũng cho kết quả giống nhau

Để kiểm chứng giả thuyết một cách toàn diện, nhóm nghiên cứu đã chế tạo hàng loạt mẫu vòi phun với đủ kiểu hình học khác thường, từ các vòng lặp cho tới những đường cong phức tạp.

Các mẫu này được thử nghiệm ở cả hai chế độ: phun nước thông thường và hút nước ngược.

Nhóm nghiên cứu đo chính xác mô-men xoắn, theo dõi đường đi của dòng chất lỏng bên trong và ghi nhận chuyển động của nước bên ngoài thiết bị.

Kết quả cho thấy dù hình dạng thay đổi thế nào, quy luật vật lý vẫn không đổi.

Các thí nghiệm cung cấp bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ thuyết thông lượng động lượng, đồng thời cho thấy cơ chế này hoạt động nhất quán trên mọi thiết kế được thử nghiệm.

Nói cách khác, hình dạng kỳ quặc của vòi phun không làm thay đổi bản chất của hiện tượng.

Ngoài việc giải quyết một câu đố tồn tại hơn 140 năm, nghiên cứu còn cho thấy việc thay đổi cấu trúc các cánh tay vòi phun có thể giúp kiểm soát chính xác dòng chất lỏng bên trong.

Theo nhóm nghiên cứu, hiểu biết này có thể được ứng dụng trong thiết kế các hệ thống kỹ thuật liên quan đến dòng chảy, bao gồm cả các loại tua-bin chuyển đổi năng lượng.

“Việc chứng minh rằng thông lượng động lượng chính là lời giải cho bài toán vòi phun nước của Feynman không chỉ khép lại một tranh luận kéo dài trong vật lý chất lưu mà còn mang lại những hiểu biết hữu ích về cách các thiết bị dạng này hoạt động và đạt hiệu quả tối ưu”, giáo sư Ristroph kết luận.

Nghiên cứu được công bố ngày 13/7 trên tạp chí khoa học danh tiếng Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).