Sinh vật tí hon và bài toán đảo ngược năng lượng trong dòng chảy hỗn loạn

Vào những năm 1960 và 1970, các quảng cáo trên truyện tranh từ Transcience Corporation tại New York từng tạo ra cơn sốt khi bán những gói trứng khô. Khi thả vào nước muối, chúng nở thành loài tôm biển nhỏ khoảng một centimet, bơi ngửa và quẫy chân liên tục. Sinh vật đơn giản này mới đây đã mang lại bất ngờ lớn cho giới vật lý chất lưu. Nhờ quan sát chuyển động của chúng, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thay đổi góc bơi của sinh vật hoặc góc đặt vật cản có thể làm đảo ngược chiều lan truyền năng lượng trong một dòng chảy hỗn loạn. [1]

Quy luật lan truyền năng lượng trong chất lưu

Sự hỗn loạn của chất lưu xuất hiện khắp nơi trong đời sống hằng ngày, từ dòng nước cuộn sóng dưới chân thác, bọt sữa tan trong tách cà phê cho đến chuyển động khí quyển. Hiện tượng này phát sinh khi chất lưu gặp vật cản hoặc sự chênh lệch vận tốc giữa các dòng chảy, tạo ra các vòng xoáy rãnh nước hoặc xoáy khí hậu quyển. [1]

Vào thập niên 1920, nhà toán học Lewis Fry Richardson phát hiện rằng trong các hệ ba chiều, năng lượng động học của các xoáy lớn sẽ truyền dần sang các xoáy nhỏ hơn. Quá trình này tiếp diễn cho đến cấp độ ma sát nhớt chiếm ưu thế và năng lượng biến thành nhiệt. Đến thập niên 1940, nhà toán học Andrey Kolmogorov củng cố cơ sở cho mô hình này. [1]

Tuy nhiên, vào cuối thập niên 1960, Robert Kraichnan và George Batchelor mở rộng nghiên cứu sang hệ thống hai chiều. Trong môi trường hai chiều, như hệ khí quyển tạo nên Vết Đỏ Lớn trên sao Mộc, dòng năng lượng diễn ra theo chiều ngược lại: các xoáy nhỏ xung quanh hợp lực để nuôi dưỡng maelstrom khổng lồ ở trung tâm. [1]

Phát hiện bất ngờ từ góc bơi của tôm biển

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý mặc định rằng hướng lan truyền năng lượng trong mỗi hệ thống là cố định. Mọi chuyện thay đổi khi Xinyu Si và Lei Fang tại Đại học Pittsburgh thực hiện nghiên cứu về "vật chất hoạt động" — thuật ngữ vật lý chỉ các đối tượng tự di chuyển và bơm năng lượng vào môi trường xung quanh. [1]

Để tìm hiểu xem sinh vật nhỏ có góp phần trộn lẫn chất lỏng trong tự nhiên hay không, nhóm nghiên cứu đã thiết lập một bể chứa nước muối mỏng trên mặt kính. Bằng cách đặt các nam châm bên dưới và cho dòng điện chạy qua dung dịch dẫn điện, họ tạo ra dòng chảy chuyển động ngược chiều nhau ở hai bên kênh, tạo ra gradient vận tốc ở giữa. [1]

Khi thả tôm biển vào môi trường này, các đo đạc cho thấy sinh vật không chỉ làm tăng độ hỗn loạn mà còn thay đổi hướng của dòng năng lượng. Nếu tôm bơi ở góc nhỏ hơn 45 độ so với hướng kéo giãn tối đa của dòng chảy, năng lượng sẽ truyền từ thang đo nhỏ lên thang đo lớn. Nhưng khi góc bơi lớn hơn 45 độ, năng lượng đảo chiều hoàn toàn, rút năng lượng từ dòng chảy quy mô lớn để tiếp sức cho các nhiễu động nhỏ. [1]

Mô hình toán học và thử nghiệm với vật thể nhân tạo

Để giải thích hiện tượng đảo hướng này, các nhà nghiên cứu áp dụng công cụ hình học tensor — phương pháp toán học mô tả sự biến dạng của vật thể dưới tác động của lực nhiều chiều. Trong thí nghiệm, dòng chảy lớn được biểu diễn bằng một tensor ma sát, trong khi chuyển động của sinh vật tạo ra tensor thứ hai. [1]

Sự căn chỉnh góc giữa hai tensor này xác định hướng lan truyền của năng lượng. Góc cơ thể của tôm biển đối với lực kéo giãn của chất lưu chính là chìa khóa điều khiển toàn bộ tiến trình. [1]

Để loại bỏ các biến số sinh học khó kiểm soát, nhóm nghiên cứu thay thế tôm biển bằng một tập hợp các thanh nhựa nhỏ dài một centimet. Kết quả cho thấy việc điều chỉnh góc đặt của các thanh nhựa nhân tạo cũng mang lại hiệu quả điều hướng năng lượng tương tự. [1]

Mở rộng thử nghiệm và triển vọng ứng dụng

Kết quả tại Đại học Pittsburgh sau đó được kiểm chứng độc lập qua các mô phỏng số do Filippo De Lillo và Guido Boffetta tại Đại học Turin thực hiện. Dù môi trường thí nghiệm hai chiều có lực ma sát đáy làm giảm độ hỗn loạn so với môi trường ba chiều tự nhiên, về mặt toán học, nguyên lý này hoàn toàn có thể mở rộng. [1]

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm mô hình trên các lốc xoáy nhỏ trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu cách can thiệp vào "hàng rào vận chuyển" giữa hai chất lỏng khi trộn lẫn. Theo tính toán của Fang, việc làm gián đoạn ranh giới này chỉ tiêu tốn chưa đến 1% năng lượng so với việc duy trì sự ổn định của ranh giới. [1]

Tại Đại học Bách khoa Bari ở Ý, nhà nghiên cứu Francesca De Serio cũng tiến hành bắn các tia chất lỏng vào bể xoáy lớn và ghi nhận các vùng đảo ngược dòng năng lượng xuất hiện ổn định khi tốc độ quay tăng. Những phát hiện này hứa hẹn khả năng kiểm soát ô nhiễm nguồn nước hoặc tối ưu hóa quá trình trộn chất lỏng trong sản xuất dược phẩm. [1]