Bạn đã bao giờ thổi bong bóng và nhận thấy nó luôn tròn hoàn hảo chưa? Dù ta có vặn, chọc hay cố gắng tạo hình thế nào, bong bóng vẫn cứng đầu giữ nguyên hình cầu.
Hôm nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu khoa học đằng sau hiện tượng kỳ diệu thường nhật này và lý giải tại sao bong bóng luôn có hình dạng như vậy. Hóa ra, một bong bóng nhỏ trôi nổi ẩn chứa nhiều tính chất vật lý hơn bạn tưởng!
Điều gì tạo nên bong bóng?
Bong bóng về cơ bản là một quả bóng bay nhỏ được làm từ một lớp màng xà phòng rất mỏng, giữ không khí bên trong. Bí mật đằng sau hình dạng của nó là sức căng bề mặt, một lực kéo các phân tử chất lỏng trong màng về phía nhau. Sức căng bề mặt liên tục cố gắng giảm thiểu diện tích bề mặt của chất lỏng. Đây là lý do tại sao, trong số tất cả các hình dạng có cùng thể tích, hình cầu có diện tích bề mặt nhỏ nhất.
Hãy tưởng tượng tự nhiên cực kỳ hiệu quả: hình cầu là cách dễ nhất để bong bóng tồn tại mà không lãng phí năng lượng. Vì vậy, bất cứ khi nào chúng ta thổi một bong bóng, nó sẽ tự nhiên co lại thành hình tròn vì đó là cấu hình ổn định nhất.
Thử một thí nghiệm đơn giản tại nhà
Chúng ta thực sự có thể quan sát sức căng bề mặt hoạt động thông qua một thí nghiệm đơn giản. Lấy một vòng dây và buộc một sợi dây cotton vào đó. Nhúng cẩn thận vào nước xà phòng rồi kéo ra. Một màng xà phòng mỏng hình thành trên vòng dây, và sợi dây uốn cong nhẹ thành một vòng cung. Bây giờ, nếu chúng ta chọc vào một phần của màng, sợi dây sẽ giãn ra về phía bên kia.
Điều này xảy ra bởi vì mỗi phần của màng xà phòng đều kéo phần còn lại, cố gắng co lại đều. Thí nghiệm nhỏ này cho chúng ta một bức tranh rõ ràng về cách thức hoạt động của sức căng bề mặt: nó luôn hoạt động để giảm thiểu diện tích bề mặt, đó là lý do tại sao bong bóng trở nên hoàn toàn tròn. Giống như bong bóng đang tự cân bằng một cách lặng lẽ, đảm bảo tất cả các phần của màng đều chịu lực căng bằng nhau.
Hình tròn khắp nơi trong tự nhiên
Bong bóng không phải là thứ duy nhất có hình dạng như vậy. Dường như thiên nhiên ưu ái hình cầu bất cứ khi nào có thể. Ví dụ, lòng đỏ của một quả trứng tươi tự nhiên tạo thành một hình cầu gần như hoàn hảo. Ngay cả trong không gian, các phi hành gia đã quan sát thấy những giọt nước lơ lửng tạo thành hình cầu, bởi vì sức căng bề mặt cũng hoạt động tương tự trong điều kiện vi trọng lực.
Những ví dụ này cho thấy hình tròn không phải là ngẫu nhiên—chúng là hệ quả tự nhiên của vật lý. Dù trên Trái Đất hay trong không gian, chất lỏng và vật liệu mềm thường có hình cầu vì hình dạng đó giảm thiểu năng lượng và tạo ra sự cân bằng.
Bong bóng bay lơ lửng như bóng bay
Bạn có để ý thấy bong bóng mới thổi thường bay lên không trung không? Điều này tương tự như cách hoạt động của khinh khí cầu. Không khí bên trong bong bóng thường ấm hơn không khí xung quanh, khiến nó loãng hơn. Điều này tạo ra một lực đẩy, nâng bong bóng lên cao.
Theo thời gian, bong bóng nguội đi. Khí bên trong trở nên đặc hơn, bong bóng co lại một chút và lực đẩy lên giảm dần. Cuối cùng, trọng lực chiếm ưu thế, và bong bóng từ từ trôi xuống. Quan sát quá trình này giống như đang chứng kiến một thí nghiệm vật lý nhỏ bé, lơ lửng đang diễn ra - sức căng bề mặt, lực đẩy và mật độ không khí, tất cả đều hoạt động trong một quả cầu nhỏ xinh.
Tại sao không có hình tam giác hay hình vuông?
Bạn có thể tự hỏi, tại sao chúng ta không bao giờ thấy bong bóng ở các hình dạng khác, chẳng hạn như hình vuông hay hình tam giác? Câu trả lời nằm ở hiệu suất. Bất kỳ hình dạng nào khác ngoài hình cầu đều có diện tích bề mặt lớn hơn cho cùng một thể tích. Diện tích bề mặt lớn hơn đồng nghĩa với việc bong bóng phải sử dụng nhiều năng lượng hơn để duy trì hình dạng của nó. Tự nhiên không thích những nỗ lực không cần thiết. Sức căng bề mặt liên tục kéo màng phim thành hình dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất, và hình dạng đó luôn là hình cầu.
Vậy nên, dù chúng ta có thổi, vặn hay nặn bong bóng thế nào đi nữa, vật lý cũng không cho phép nó giữ nguyên hình dạng ngoài hình tròn. Đây là một lời nhắc nhở nhỏ bé rằng ngay cả những vật thể nhỏ nhất cũng được định hình bởi cùng những quy luật tự nhiên chi phối vũ trụ.
Tại sao bong bóng lại làm chúng ta kinh ngạc?
Lần tới khi thổi bong bóng, chúng ta có thể thấy chúng không chỉ là đồ chơi—chúng là những bài học vật lý nho nhỏ. Từ sức căng bề mặt giữ cho màng phim luôn căng, đến cách lực đẩy nâng chúng lên, cho đến hình dạng cầu không thể tránh khỏi của chúng, bong bóng là những điều kỳ diệu thường nhật.
Dù là một giọt nước lơ lửng trong không gian, một lòng đỏ trứng, hay một bong bóng trôi ngang qua căn phòng, những quả cầu cho chúng ta thấy thiên nhiên coi trọng hiệu quả và sự cân bằng như thế nào. Vậy nên, hãy lấy một ít xà phòng và nước, thổi vài bong bóng, và xem khoa học diễn ra trong không khí. Ai mà ngờ được rằng một điều đơn giản như vậy lại có thể tiết lộ nhiều điều về thế giới xung quanh chúng ta đến vậy?
