Thiết bị dòng chảy màng mỏng, điều khiển bằng điện từ được sử dụng để kiểm chứng khung lý thuyết. Nguồn ảnh: Ziyue Yu

Bất cứ ai từng chứng kiến ​​những con sóng vỗ vào bờ biển đều thấy được sự hỗn loạn. Bên dưới mặt nước, nước hiếm khi chuyển động theo đường thẳng. Thay vào đó, nó xoắn lại thành những cấu trúc quay tròn gọi là xoáy nước, hình thành, tan rã và đổ xuống thành những vòng xoáy nhỏ hơn cho đến khi năng lượng của chúng suy yếu. Quá trình này tạo nên vẻ ngoài hỗn loạn cho dòng chảy rối, nhưng từ lâu người ta vẫn cho rằng nó tuân theo những quy luật vật lý nghiêm ngặt.

Giả định đó hiện đang bị đặt dấu hỏi

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh, hợp tác với các nhà khoa học ở Ý, đã phát hiện ra rằng hướng truyền năng lượng trong dòng chảy rối không phải lúc nào cũng cố định. Trong một số điều kiện nhất định, hướng truyền năng lượng có thể bị thay đổi, mở ra khả năng chủ động kiểm soát cách chất lỏng trộn lẫn và chuyển động. Nghiên cứu của họ, được công bố trên Tạp chí Science Advances, giới thiệu một cách tiếp cận mới đối với một trong những hiện tượng được nghiên cứu nhiều nhất trong vật lý.

Thách thức một giả định đã tồn tại từ lâu

“Kể từ năm 1941, với nghiên cứu của Andrey Kolmogorov, dòng năng lượng đã được dự đoán. Trong các dòng chảy 3D như trong các khối nước, năng lượng di chuyển từ quy mô lớn hơn đến quy mô nhỏ hơn. Đối với các dòng chảy 2D, xảy ra trong các lớp nước mỏng, dòng chảy đó bị đảo ngược, từ nhỏ hơn đến lớn hơn,” Fang, trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường thuộc Trường Kỹ thuật Swanson của Đại học Pitt, cho biết.

“Để hiểu khái niệm trừu tượng này ở các quy mô khác nhau,” Fang nói thêm, “tôi đã chuyển đổi quá trình truyền năng lượng thành một quá trình cơ học dựa trên phương trình Navier-Stokes. Và vì đây là một quá trình cơ học, tôi có thể thử đảo ngược nó bằng cách thay đổi hình học giữa độ dịch chuyển và lực.”

Sự nhiễu loạn của thiết bị lớp mỏng

Để khám phá ý tưởng này, Fang đã xây dựng một khung toán học dựa trên tenxơ, mô tả cách các lực và chuyển động tương tác trong một hệ thống. Phân tích của ông cho thấy sự sắp xếp của các tenxơ này quyết định cách năng lượng di chuyển. Bằng cách thay đổi sự sắp xếp đó, có thể điều hướng lại dòng chảy của năng lượng.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể tạo ra các dòng chảy hỗn loạn thể hiện sự truyền năng lượng thuận chiều hoặc nghịch chiều,” Fang nói. “Khung lý thuyết của chúng tôi cũng mở rộng đến quy mô 3D.”

Từ lý thuyết đến thực nghiệm

Các nghiên cứu trước đây của Fang đã chứng minh cách những sinh vật bơi lội siêu nhỏ có thể ảnh hưởng đến các dòng hải lưu mạnh. Trong nghiên cứu này, ông tập trung vào cách các dòng chảy nền tương tác với các lực bên ngoài, bao gồm cả các nhóm sinh vật bơi lội nhỏ bé. Khi các lực này được sắp xếp đúng cách, chúng có thể làm thay đổi cách năng lượng di chuyển trong hệ thống.

Để kiểm tra mô hình của mình, Fang và Si đã sử dụng một thiết lập màng mỏng, điều khiển bằng điện từ. Trong một bể nông, họ áp dụng một từ trường nằm ngang để tạo ra dòng chảy hai chiều. Một dãy thanh được đưa vào để làm nhiễu loạn dòng chảy, và các hạt đánh dấu trong một lớp điện phân mỏng giúp quan sát được chuyển động.

Các thí nghiệm này đã xác nhận rằng việc điều chỉnh hình dạng hình học của hệ thống có thể thay đổi hướng truyền năng lượng.

Khai thác dòng năng lượng

“Thông qua khuôn khổ lý thuyết này, chúng tôi nhận thấy rằng chúng ta có thể sử dụng các ranh giới vật lý nhỏ, lên đến mười mét (khoảng 33 feet), để làm xáo trộn các rào cản vận chuyển trên đại dương trải dài hàng ki-lô-mét,” Fang cho biết. “Điều này giúp thay đổi hướng dòng năng lượng, từ đó cải thiện khả năng phân tán nước thải hoặc các chất gây ô nhiễm khác dọc theo bờ biển.”

Phương pháp này cũng có thể hữu ích trong y học. Fang nói thêm: “Trong các dòng chảy vi mô có kích thước nhỏ hơn một milimét (khoảng 0,04 inch), nơi độ nhớt của chất lỏng khiến việc trộn lẫn trở nên khó khăn vì hầu như không có sự nhiễu loạn, chúng ta có thể điều chỉnh các lực và sự dịch chuyển để tạo ra 'sự nhiễu loạn số Reynolds thấp' yếu, điều này có thể đẩy nhanh quá trình trộn các chất.”

Ngoài ra, các phát hiện có thể giúp cải thiện các mô hình khí hậu bằng cách cung cấp sự hiểu biết tốt hơn về cách năng lượng di chuyển qua đại dương và khí quyển.

Theo Fang: “Mặc dù hiện tại vẫn chỉ là giả thuyết, nhưng nghiên cứu này có thể cải thiện mô hình khí hậu. Khi biến đổi khí hậu làm thay đổi các mô hình gió và dòng chảy đại dương, sức căng của gió và dòng hải lưu có thể làm thay đổi hướng truyền năng lượng. Hiểu được các lực tạo ra sự thay đổi này có thể dẫn đến các mô hình chính xác hơn.”