Mao mạch và làm ướt

22

Mao mạch và làm ướt

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. BOROVOY

Bạn quyết định rời khỏi thị trấn. Hãy thu dọn đồ đạc của bạn, xem có quên thứ gì không. Và đây… có những chậu hoa trên cửa sổ. Không thể mang chúng theo bên mình và không ai có thể tưới hoa khi bạn vắng mặt. Phải làm gì? Đổ đầy nước vào khay chậu hoa? Phương pháp tưới nước này không phù hợp với tất cả các loại cây - nhiều loại cây không chịu được độ ẩm quá mức. Và quan trọng nhất, nó được thiết kế trong một khoảng thời gian ngắn - vài ngày, một tuần.

Câu hỏi này không mới. Những người trồng hoa từ lâu đã nghĩ ra nhiều thiết kế “mùn cưa tự động” hoạt động đáng tin cậy và lâu dài, thậm chí cả liều lượng nước để tưới hoa.

Bạn có thể dễ dàng tự làm chiếc cưa tự động đơn giản nhất (hình 1). Nước được đổ vào một thùng chứa có nắp đậy. Một đầu của dây garô bằng gạc cuộn chặt được hạ xuống bình này, đầu còn lại được chôn xuống đất. Nước chảy vào cây qua một sợi dây và tốc độ dòng chảy của nó có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ dày của dây, độ dốc của dây, v.v. Dây phải được đặt bên trong một ống cao su, khi đó nước sẽ ít tràn ra và bay hơi trên đường tạo màu.

Cả trong bó và trong đất lấp đầy chậu, và một phần trong bản thân cây, nước di chuyển và được giữ lại do một hiện tượng gọi là mao dẫn.

Mao dẫn là một ống mỏng, tổng đường kính trong của nó nhỏ hơn một milimet. Nếu một ống mao dẫn làm bằng thủy tinh nguyên chất được hạ xuống một bình chứa nước thì mức chất lỏng trong đó sẽ cao hơn trong bình (hình 2). Ống càng mỏng thì sự khác biệt này càng lớn. Điều này xảy ra do làm ướt kính sạch bằng nước. Trong một bình thủy tinh rộng, mặt nước chỉ uốn cong ở các thành bình.

Trong đất, các mao mạch hình thành giữa các hạt đất. Nhờ đó, độ ẩm có thể tăng lên một độ cao đáng kể: lên tới 2 mét trong cát và cao hơn nhiều trong đất sét nguyên chất. Quá trình này diễn ra chậm và đôi khi kéo dài vài tuần hoặc thậm chí vài tháng. (Hãy cố gắng tự mình nghĩ ra và tiến hành các thí nghiệm trong đó bạn có thể quan sát được

23

sự dâng lên của nước trong mao mạch đất.)
Nếu bề mặt bên trong của ống không bị chất lỏng làm ướt thì mức của nó trong mao quản thấp hơn so với trong bình rộng (hình 3). Hình dạng bề mặt chất lỏng gần thành bình cũng sẽ thay đổi.

Điều thú vị là, việc làm ướt (hoặc không làm ướt) quyết định cách một giọt chất lỏng hoạt động trên bề mặt chất lỏng khác. Ví dụ, một giọt dầu hướng dương hoặc dầu hỏa lan truyền trên mặt nước thành một lớp mỏng, cho đến lớp đơn phân tử (nghĩa là chỉ dày một phân tử!) Hành vi làm ướt chất lỏng này cho phép nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh ước tính kích thước của một phân tử.

Anh ta nhỏ một giọt dầu ô liu lên một mặt nước rộng và trước tiên phải đảm bảo rằng vết dầu phủ lên bề mặt một lớp đều, không có “mảng” dầu và “cửa sổ” nước. Để làm được điều này, Rayleigh đã sử dụng những mảnh long não nhỏ. Nếu một mảnh như vậy chạm vào mặt nước, nó sẽ bắt đầu “ném lung tung”. Thực tế là long não hòa tan trong nước, đồng thời sức căng bề mặt của nước giảm. Nhưng sự hòa tan xảy ra không đồng đều: một mặt các hạt nhanh hơn, mặt khác - chậm hơn và sự khác biệt về lực căng bề mặt bắt đầu tác động lên một mảnh long não, khiến nó chuyển động. Bạn có thể dễ dàng quan sát hiện tượng này, nhưng để thí nghiệm thành công, bạn không được dùng tay chạm vào nước và các mảnh long não (tốt nhất bạn nên dùng dao cạo sạch chúng ngay trên mặt nước). Nhưng long não không tan trong dầu và hoạt động bình tĩnh.

Vì vậy, sau khi đảm bảo rằng màng dầu đồng nhất, nhà khoa học đã xác định bán kính của vết $R$ và tìm thấy độ dày của nó $l$:

$$l = \frac{V}{\pi R^2},$$

trong đó $V$ là thể tích của một giọt dầu. Nếu chúng ta giả định rằng giọt dầu đã lan rộng thành một lớp đơn phân tử thì độ dày của vết là kích thước đặc trưng của phân tử dầu. Giá trị kết quả gần bằng $10^{-9}$ m.

Việc làm ướt thường giúp ích cho chúng ta: chúng ta bôi trơn các bộ phận bị hỏng của máy, chất bôi trơn dạng lỏng bao bọc bề mặt kim loại và giữ nó ở đó; oloo nóng chảy làm ướt đồng, đồng thau, nhôm nguyên chất trong quá trình hàn; keo trải đều trên bề mặt vật liệu được dán.

Hầu như tất cả các thiết bị chiếu sáng cổ xưa, bắt đầu từ những chiếc đèn cổ trong đó bấc được ngâm trong dầu mỏ, dầu thực vật hoặc mỡ, cho đến đèn dầu hỏa, cũng sử dụng hiện tượng làm ướt: chất dễ cháy bốc lên qua các mao mạch của bấc và thoát dần ra ngoài.

Việc quan sát hành vi không thể học được này của chất lỏng khi nó di chuyển ngược lại lực hấp dẫn đã truyền cảm hứng cho nhiều nhà phát minh tạo ra thiết bị di động Perpetuum, một chuyển động vĩnh viễn sẽ khai thác các đặc tính của mao mạch. Các dự án rất đa dạng và xuất hiện không chỉ ở thời cổ đại hay thời Trung cổ mà thậm chí còn vào đầu thế kỷ 20. Thông thường, ý tưởng như sau: chất lỏng (thường là nước) sẽ dâng lên qua bấc từ bình dưới lên bình trên, sau đó chảy xuống qua ống hoặc khay, dẫn đến

24

chuyển động của nước tan chảy (hình 4).
Câu hỏi tại sao bấc, khi đã nâng được nước lên một độ cao nhất định, lại mất khả năng hấp thụ và giữ lại chất lỏng và liên tục xả nước ở bình phía trên, không hiểu sao lại không khiến người nghệ sĩ bận tâm.
Thiết bị Samo không những không hoạt động mãi mà thậm chí còn không hoạt động.
Làm ướt đóng một vai trò rất đặc biệt trong điều kiện không trọng lượng.
Đây là những gì phi công-nhà du hành vũ trụ A. A. Serebrov* đã nói :)

“Hãy tưởng tượng bài toán: uống chất lỏng vào bình mà không bị hao hụt. Trên tàu vũ trụ, nước được cung cấp từ vòi theo từng phần 25 cm³. Xuất hiện trước mắt, những phần này tập hợp thành những giọt hình cầu, như chúng phải ở trạng thái không trọng lượng; Những giọt này, do nhiều ảnh hưởng ngẫu nhiên khác nhau, sau đó bị nghiền nát thành những giọt nhỏ hơn…

Nếu bạn hành động như trên Trái đất và uống nước từ vòi vào cổ bình, thì nó sẽ bắt đầu đẩy không khí ra khỏi bình, trong đó các giọt có kích thước khác nhau lơ lửng - nói cách khác, nó sẽ tự đẩy ra ngoài.

Nếu một tia tốc độ thấp hướng thẳng vào thành bình, thì nước làm ướt thành bình sẽ bám vào nó. Sau đó sẽ không có giọt lơ lửng - ít nhất là cho đến khi tàu bị rung chuyển. Bằng cách này, bạn có thể uống chất lỏng vào bình mà không bị thất thoát.

*) Đây là câu trả lời từ cuộc phỏng vấn của A. A. Serebrov với tạp chí «Kvant» (xem số Appel năm 1983).

CHUYẾN BAY
tới mặt trời

(Để bắt đầu, xem trang 18)

Mặt trời. Một sự điều chỉnh khác, sau khi chụp cận cảnh Sao Mộc, cho phép xác định lỗi cuối cùng và thiết lập chính xác khoảng cách mà trạm sẽ tự động đi qua gần Mặt trời.

Một trong những ý tưởng chính của phương pháp này - thay đổi tốc độ của trạm vũ trụ khi hợp nhất với một hành tinh trung gian - đã được sử dụng trong thực hành bay vào vũ trụ. Ví dụ mới nhất về điều này là

sự tiếp cận của tàu vũ trụ Vega tới Sao Kim, sau đó hướng tới sao chổi Halley.

---

Chúng ta cần nhớ các hiện tượng vật lý xảy ra trên Mặt trời. Không thể đoán trước được hết hậu quả của kiến ​​thức này. Để so sánh, chúng ta hãy nhớ lại thời đại của những khám phá địa lý vĩ đại, khi nhân loại làm quen với hành tinh của mình. Rất có thể trong tương lai thời đại của chúng ta sẽ được gọi là kỷ nguyên của những khám phá không gian vĩ đại. Chuyến bay đầu tiên tới Mặt trời chắc chắn sẽ là một trong những chuyến bay vinh quang nhất của nó.