NHIỄU ĐỘNG KHÔNG KHÍ
- Thứ sáu - 08/11/2024 10:06
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Vào ngày 11/10/2024, sự việc xảy ra trên chuyến bay mang số hiệu AC19, khởi hành từ Vancouver (Canada) đến Singapore. Chiếc Boeing 787-9 Dreamliner của hãng hàng không Air Canada đã gặp phải sự cố đáng sợ khi bất ngờ rơi tự do hơn 1.800m chỉ trong vòng 5 phút khi đang bay qua vùng nhiễu động mạnh, khiến hành khách hoảng loạn, đồ đạc văng tứ tung. Hành khách Morrell Andrews đã chia sẻ hình ảnh về hiện trường hỗn loạn bên trong khoang máy bay lên Reddit. Anh cho biết khoảng hai tiếng sau khi cất cánh, họ "gặp phải một số cú xóc lớn và mọi thứ bay tứ tung (bao gồm cả một vài người!)"
Hiên tượng nhiễu động là gì?
Bạn đang ở trên máy bay thì đột nhiên thấy xóc nảy. Ngoài cửa sổ, dường như không có chuyện gì xảy ra cả, nhưng máy bay vẫn tiếp tục rung lắc, quấy nhiễu bạn và các hành khách khác khi máy bay đi qua vùng nhiễu động không khí trong khí quyển. Bạn có thể sẽ không thấy thỏa mái khi biết rằng, hiện tượng này là một trong những bí ẩn lớn của vật lí. Sau hơn một thế kỉ nghiên cứu về nhiễu động, con người mới tìm ra một số lời giải về cách hiện tượng này hoạt động và ảnh hưởng đến thế giới xung quanh.
Nhiễu động hiện diện khắp nơi, xuất hiện trong gần như mọi hệ thống các chất lưu (chất lưu chuyển động) bao gồm luồng không khí trong đường hô hấp con người, máu di chuyển qua các động mạch và cà phê trong cốc cà phê khi bị khuấy. Mây bị nhiễu động chi phối, những con sóng vỗ dọc bờ biển và những luồng Plassma trong mặt trời cũng vậy. Việc tìm hiểu chính xác hiện tượng này hoạt động như thế nào sẽ ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh cuộc sống của con người. Sau đây là những gì chúng ta đã biết.
Nếu như trong dòng chảy ổn định của chất lưu lí tưởng có tính ổn định và không xoáy. Thì dòng chảy của chất lưu thực có thể có tính không ổn định và xoáy. Chính những tính chất này gây nên sự nhiễu động mà máy bay gặp phải khi di chuyển.
Dòng chảy không ổn định gồm những vòng xoáy có vẻ lộn xộn. Quan sát một cây thuốc lá đang cháy ta thấy: dòng chảy của phần khói bên dưới ổn định và dễ dự đoán. Nhưng gần đỉnh của cột khói, khói tăng tốc, trở nên không ổn định và mô hình chuyển động thay đổi thành kiểu hỗn loạn, đó chính là nhiễu động. Các dòng chảy nhiễu động có những điểm chung nhất định. Thứ nhất: Nhiễu động luôn luôn hỗn loạn. Điều này khác với sự ngẫu nhiên. Thay vào đó, nhiễu động rất nhạy cảm với những gián đoạn. Một chút tác động theo cách này hay cách khác cuối cùng sẽ dẫn đến những kết quả hoàn toàn khác nhau. Điều này khiến việc dự đoán chuyện gì sẽ xảy ra gần như bất khả thi kể cả với thông tin dồi dào của một hệ thống. Một đặc điểm quan trọng khác của nhiễu động là quy mô chuyển động khác nhau của các dòng chảy này thể hiện. Các dòng chảy nhiễu động có nhiều vòng xoáy với kích thước khác nhau gọi là Eddy. Chúng giống như các cơn lốc có kích thước và hình dạng khác nhau. Tất cả các Eddy kích thước khác biệt này tương tác với nhau chia tách để trở nên nhỏ dần cho tới khi mọi chuyển động đó chuyển thành nhiệt trong quá trình gọi là “Thác năng lượng”. Đó là cách chúng ta nhận biết nhiễu động.
Nhưng tại sao nhiễu động lại xảy ra?
Trong mọi chất lỏng hoặc chất khí đang chuyển động đều có hai yếu tố đối lập: quán tính và độ nhớt. Quán tính là xu hướng chất lưu tiếp tục chuyển động dẫn đến mất ổn định. Độ nhớt chống lại những sự gián đoạn, thay vào đó khiến dòng chảy trở nên có tầng lớp.
Trong chất lỏng đặc như mật ong, độ nhớt hầu như luôn thắng. Các chất ít nhớt hơn như nước hay không khí dễ bị quán tính chi phối hơn tạo nên sự bất ổn và phát triển thành nhiễu động. Giới chuyên gia đo lường đặc điểm này của dòng chảy bằng “số Reynolds”. Đây là tỉ lệ giữa quán tính và độ nhớt của dòng chảy. Số Reynolds càng cao thì khả năng xảy ra nhiễu động càng cao. Ví dụ, mật ong đang được rót vào cốc, số Reynolds là khoảng 1. Thiết lập tương tự với nước, số Reynolds gần 10000. Số Reynolds rất hữu ích để hiểu các tình huống đơn giản nhưng không hiệu quả trong nhiều trường hợp. Ví dụ, chuyển động của khí quyển chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố như trọng lực và chuyển động quay của trái đất. Hoặc những thứ tương đối đơn giản như lực cản tại các toàn nhà và ô tô. Giới chuyên gia có thể mô hình hóa chúng nhờ nhiều thí nghiệm và bằng chứng thực nghiệm. Nhưng các nhà vật lí muốn dự đoán chúng thông qua những phương trình và định luật vật lí, cũng như cách họ đã mô hình hóa quỹ đạo của các hành tinh hoặc các trường điện từ. Đa số nhà khoa học cho rằng để đạt được điều đó cần dựa vào phép thống kê và việc tăng cường sức mạnh tính toán. Những mô phỏng máy tính tốc độ cực cao của các dòng chảy nhiễu động có thể giúp xác định các kiểu mẫu và dẫn đến một lí thuyết giúp xác lập và thống nhất các dự đoán trong các tình huống khác nhau. Tuy nhiên, một số nhà khoa học khác cho rằng hiện tượng này phức tạp tới mức một lí thuyết hoàn chỉnh sẽ không bao giờ tồn tại. Nhưng hãy hi vọng thế giới có những bước đột phá. Và việc hiểu rõ nhiễu động có thể mang lại những ảnh hưởng tích cực to lớn như trang trại điện gió hiệu quả hơn, khả năng chuẩn bị ứng phó tốt hơn trước các hiện tượng thời tiết thảm khốc thậm trí khả năng đẩy lùi bão và tất nhiên gồm cả những chuyến bay sẽ “êm ái” hơn.
Tài liệu tham khảo:
1. Cơ sở vật lí, David Halliday- Robert Resnick – Jearl Walker, tập 2.
2. https://www.youtube.com/watch?v=S3i6tJ4XNqA
3. https://www.usatoday.com/story/travel/flights/2024/10/15/air-canada-flight-turbulence-food-flying-cabin/
Nhiễu động hiện diện khắp nơi, xuất hiện trong gần như mọi hệ thống các chất lưu (chất lưu chuyển động) bao gồm luồng không khí trong đường hô hấp con người, máu di chuyển qua các động mạch và cà phê trong cốc cà phê khi bị khuấy. Mây bị nhiễu động chi phối, những con sóng vỗ dọc bờ biển và những luồng Plassma trong mặt trời cũng vậy. Việc tìm hiểu chính xác hiện tượng này hoạt động như thế nào sẽ ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh cuộc sống của con người. Sau đây là những gì chúng ta đã biết.
Nếu như trong dòng chảy ổn định của chất lưu lí tưởng có tính ổn định và không xoáy. Thì dòng chảy của chất lưu thực có thể có tính không ổn định và xoáy. Chính những tính chất này gây nên sự nhiễu động mà máy bay gặp phải khi di chuyển.
Dòng chảy không ổn định gồm những vòng xoáy có vẻ lộn xộn. Quan sát một cây thuốc lá đang cháy ta thấy: dòng chảy của phần khói bên dưới ổn định và dễ dự đoán. Nhưng gần đỉnh của cột khói, khói tăng tốc, trở nên không ổn định và mô hình chuyển động thay đổi thành kiểu hỗn loạn, đó chính là nhiễu động. Các dòng chảy nhiễu động có những điểm chung nhất định. Thứ nhất: Nhiễu động luôn luôn hỗn loạn. Điều này khác với sự ngẫu nhiên. Thay vào đó, nhiễu động rất nhạy cảm với những gián đoạn. Một chút tác động theo cách này hay cách khác cuối cùng sẽ dẫn đến những kết quả hoàn toàn khác nhau. Điều này khiến việc dự đoán chuyện gì sẽ xảy ra gần như bất khả thi kể cả với thông tin dồi dào của một hệ thống. Một đặc điểm quan trọng khác của nhiễu động là quy mô chuyển động khác nhau của các dòng chảy này thể hiện. Các dòng chảy nhiễu động có nhiều vòng xoáy với kích thước khác nhau gọi là Eddy. Chúng giống như các cơn lốc có kích thước và hình dạng khác nhau. Tất cả các Eddy kích thước khác biệt này tương tác với nhau chia tách để trở nên nhỏ dần cho tới khi mọi chuyển động đó chuyển thành nhiệt trong quá trình gọi là “Thác năng lượng”. Đó là cách chúng ta nhận biết nhiễu động.
Trong mọi chất lỏng hoặc chất khí đang chuyển động đều có hai yếu tố đối lập: quán tính và độ nhớt. Quán tính là xu hướng chất lưu tiếp tục chuyển động dẫn đến mất ổn định. Độ nhớt chống lại những sự gián đoạn, thay vào đó khiến dòng chảy trở nên có tầng lớp.
Trong chất lỏng đặc như mật ong, độ nhớt hầu như luôn thắng. Các chất ít nhớt hơn như nước hay không khí dễ bị quán tính chi phối hơn tạo nên sự bất ổn và phát triển thành nhiễu động. Giới chuyên gia đo lường đặc điểm này của dòng chảy bằng “số Reynolds”. Đây là tỉ lệ giữa quán tính và độ nhớt của dòng chảy. Số Reynolds càng cao thì khả năng xảy ra nhiễu động càng cao. Ví dụ, mật ong đang được rót vào cốc, số Reynolds là khoảng 1. Thiết lập tương tự với nước, số Reynolds gần 10000. Số Reynolds rất hữu ích để hiểu các tình huống đơn giản nhưng không hiệu quả trong nhiều trường hợp. Ví dụ, chuyển động của khí quyển chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố như trọng lực và chuyển động quay của trái đất. Hoặc những thứ tương đối đơn giản như lực cản tại các toàn nhà và ô tô. Giới chuyên gia có thể mô hình hóa chúng nhờ nhiều thí nghiệm và bằng chứng thực nghiệm. Nhưng các nhà vật lí muốn dự đoán chúng thông qua những phương trình và định luật vật lí, cũng như cách họ đã mô hình hóa quỹ đạo của các hành tinh hoặc các trường điện từ. Đa số nhà khoa học cho rằng để đạt được điều đó cần dựa vào phép thống kê và việc tăng cường sức mạnh tính toán. Những mô phỏng máy tính tốc độ cực cao của các dòng chảy nhiễu động có thể giúp xác định các kiểu mẫu và dẫn đến một lí thuyết giúp xác lập và thống nhất các dự đoán trong các tình huống khác nhau. Tuy nhiên, một số nhà khoa học khác cho rằng hiện tượng này phức tạp tới mức một lí thuyết hoàn chỉnh sẽ không bao giờ tồn tại. Nhưng hãy hi vọng thế giới có những bước đột phá. Và việc hiểu rõ nhiễu động có thể mang lại những ảnh hưởng tích cực to lớn như trang trại điện gió hiệu quả hơn, khả năng chuẩn bị ứng phó tốt hơn trước các hiện tượng thời tiết thảm khốc thậm trí khả năng đẩy lùi bão và tất nhiên gồm cả những chuyến bay sẽ “êm ái” hơn.
Tài liệu tham khảo:
1. Cơ sở vật lí, David Halliday- Robert Resnick – Jearl Walker, tập 2.
2. https://www.youtube.com/watch?v=S3i6tJ4XNqA
3. https://www.usatoday.com/story/travel/flights/2024/10/15/air-canada-flight-turbulence-food-flying-cabin/