THẢ MỘT QUẢ BÓNG XUỐNG BỂ NƯỚC: LẦN THẮT KHÍ THỨ HAI QUYẾT ĐỊNH NÓ CÓ NỔI LÊN LẠI HAY KHÔNG
Khi một vật rắn lao xuống nước, nó kéo theo không khí, mở ra một khoang phía sau và chịu những lực đột ngột làm lệch quỹ đạo của nó. “Bài toán đi vào nước” này có ý nghĩa đối với việc hạ cánh của thủy phi cơ, các vật thể bị phóng đi và robot dưới nước, và nó có những hiện tượng tương ứng trong tự nhiên. Việc nghiên cứu nó bắt đầu với những bức ảnh tốc độ cao chụp một quả cầu chạm mặt nước của Worthington, năm 1883.
Người ta đã biết nhiều về những khoảnh khắc đầu tiên. Khoang khí phía sau một quả cầu đang chìm bị kéo dài ra, rồi thắt đứt (pinch-off) — lần thắt đứt sơ cấp — để lại một túi khí bám vào quả cầu. Điều xảy ra tiếp theo ít được khám phá hơn, nhất là với những quả cầu nhẹ. Prasanna Kumar Billa và Pallab Sinha Mahapatra, tại Viện Công nghệ Ấn Độ Madras, cùng Cameron Tropea, tại IIT Madras và Đại học Kỹ thuật Darmstadt, đã đi tìm phần tiếp theo ấy.
Bóng, lớp phủ và máy quay nhanh
Nhóm đã thả các quả cầu 4, 6 và 10 milimét, nặng hơn nước từ 1,12 đến 7,92 lần xét theo khối lượng riêng, xuống một bể sâu 40 centimét. Một pipet chân không thả chúng từ độ cao từ 49 đến 633 milimét, để chúng chạm mặt nước với vận tốc từ 0,89 đến 3,52 mét mỗi giây. Các máy quay tốc độ cao ghi hình ở 1.000 và 2.000 khung hình mỗi giây, và mỗi điều kiện đều được lặp lại ít nhất ba lần.
Bề mặt có hai loại. Các quả cầu kỵ nước (hydrophobic) đẩy nước, với góc tiếp xúc khoảng 100 độ. Các quả cầu siêu kỵ nước (superhydrophobic), được phủ một loại bình xịt chống thấm nước thương mại, đạt khoảng 155 độ; trên 150 độ, một bề mặt được coi là siêu kỵ nước.
Quá trình đi vào nước của các quả cầu kỵ nước (trên) và siêu kỵ nước (dưới). (b) Một quả cầu kỵ nước 4 mm mất không khí và tiếp tục chìm; (d) một quả cầu siêu kỵ nước 4 mm giữ được một lớp không khí và nổi trở lên. — Hình 2, Billa, Tropea & Sinha Mahapatra (2026), arXiv:2610.41942.
Sự khác biệt hiện ra ngay lập tức. Phía sau một quả cầu kỵ nước, khoang khí lởm chởm, và nước làm ướt quả cầu tới tận đường xích đạo của nó. Một quả cầu siêu kỵ nước được bao bọc hoàn toàn trong không khí, và khoang khí của nó có thành nhẵn.
Cánh cửa một chiều
Từ các đoạn phim, nhóm theo dõi vị trí, vận tốc và gia tốc của mỗi quả cầu, và đo thể tích của quả cầu cộng với không khí bám theo. Sau lần thắt đứt sơ cấp, gia tốc nhỏ và sự cân bằng rất đơn giản: trọng lượng kéo xuống, lực đẩy nổi từ toàn bộ thể tích bị chiếm chỗ đẩy lên, lực cản chống lại chuyển động.
Vì vậy quy tắc để nổi trở lại chỉ đơn giản là lực đẩy nổi: quả cầu quay về mặt nước chỉ khi thể tích mà nó chiếm chỗ, tính cả không khí của nó, vượt quá thể tích của chính nó nhân với tỷ số khối lượng riêng của nó. Một quả cầu 6 mm giữ được thể tích chiếm chỗ bằng 1,42 lần thể tích của chính nó, với tỷ số khối lượng riêng là 1,12, đã quay đầu và nổi lên. Một quả cầu 10 mm có túi khí bị thắt lại lần thứ hai chỉ còn lại 1,02 — không đủ — và tiếp tục chìm.
Quan sát then chốt là một cánh cửa một chiều: bất cứ khi nào khoang khí bám theo bị thắt đứt lần thứ hai, quả cầu không bao giờ quay trở lại. Không quả cầu nào nặng hơn nước từ 3,26 lần trở lên xét theo khối lượng riêng nổi lên lại, và cũng không quả cầu nào có góc tiếp xúc dưới 97 độ.
Kích thước, tốc độ và may rủi
Tính thấm ướt có giúp ích, nhưng nó không quyết định tất cả. Trong số những quả cầu siêu kỵ nước nhẹ nhất, mọi quả cầu 4 mm đều nổi lên, mọi quả cầu 10 mm đều chìm, còn các quả cầu 6 mm thì cả hai tùy theo từng lần lặp lại. Những cú va chạm nhanh hơn có thể kích hoạt lần thắt thứ hai và khiến ngay cả những quả cầu chống thấm nước cũng chìm xuống. Và trong hai điều kiện, các quả cầu kỵ nước đã nổi lên trong hai trên bốn lần thử.
Độ sâu theo thời gian của những quả cầu siêu kỵ nước nhẹ nhất, mỗi loại ba lần thử: các quả cầu 4 mm quay trở lại (a, b), các quả cầu 10 mm tiếp tục chìm (e, f), và các quả cầu 6 mm có thể theo cả hai cách (c, d). — Hình 6, Billa, Tropea & Sinha Mahapatra (2026), arXiv:2610.41942.
Theo dõi cổ thắt
Điều gì quyết định lần thắt thứ hai? Nhóm phóng to vào cổ thắt của khoang khí bám theo, điểm hẹp nhất của nó. Ở những quả cầu 4 mm, cổ thắt ban đầu rộng, bằng 65 đến 97% bán kính quả cầu, rồi co lại, trong khi đường tiếp giáp giữa nước, không khí và quả cầu dịch chuyển trên bề mặt.
So sánh lực đẩy nổi của không khí bị giữ lại và trọng lượng của quả cầu với sức căng bề mặt giữ cổ thắt cho ra một bán kính tham chiếu. Các khoang khí tồn tại được và các khoang khí bị đứt nhìn chung nằm ở hai phía đối lập của bán kính này. Nhưng các tác giả rất thận trọng: một cổ thắt đang khép lại rồi sẽ vượt qua bất kỳ ngưỡng nào, nên sự phân tách này được vạch ra sau khi sự việc đã xảy ra và không dự đoán được việc thắt đứt. Muốn dự đoán nó cần biết áp suất không khí và hình dạng của cổ thắt, gắn với quả cầu đang chuyển động, những thứ mà các đoạn phim không phân giải được.
Kết quả chắc chắn là một chuỗi nhân quả: cách cổ thắt biến đổi quyết định lượng không khí còn bám lại, và chính lượng không khí đó quyết định, thông qua lực đẩy nổi, quả cầu cuối cùng sẽ đi theo hướng nào. Tính thấm ướt có vai trò thông qua lượng không khí ấy — chứ không tự nó quyết định.