Khi tưới vườn bằng vòi nước, có lẽ bạn từng dùng ngón tay bịt nhẹ đầu vòi. Khi lỗ thoát nước hẹp lại, tia nước đột nhiên chảy nhanh hơn và phóng ra xa hơn nhiều. Để cùng một lượng nước đi qua khe hẹp, nước phải chảy nhanh hơn, và tại nơi dòng chảy tăng tốc như vậy, áp suất sẽ giảm. Quy luật đầu tiên hệ thống hóa mối quan hệ này chính là “nguyên lý Bernoulli (Bernoulli's Principle)”.
Nói một cách đơn giản, nguyên lý Bernoulli có nghĩa là “trong cùng một dòng chảy, khi chất lưu chuyển động nhanh hơn thì áp suất giảm, còn khi chuyển động chậm hơn thì áp suất tăng”. Những chất có thể chảy như không khí hay nước được gọi là chất lưu, và nguyên lý này đã trở thành nền tảng cho nhiều công nghệ, từ thiết bị đo tốc độ máy bay, bộ chế hòa khí của ô tô đến thiết bị cung cấp oxy trong bệnh viện.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu bối cảnh ra đời và khái niệm cơ bản của nguyên lý Bernoulli, những ứng dụng trong đời sống, cùng các hiểu lầm tiêu biểu dễ dẫn đến việc áp dụng sai nguyên lý này.
Mối quan hệ trao đổi giữa tốc độ dòng chảy và áp suất
Nguyên lý Bernoulli là gì?
Nguyên lý Bernoulli được đặt theo tên nhà toán học kiêm nhà vật lý người Thụy Sĩ Daniel Bernoulli. Trong cuốn sách Thủy động lực học (Hydrodynamica) xuất bản năm 1738, ông đã chỉ ra rằng áp suất giảm tại những nơi dòng chảy tăng tốc. Phương trình dưới dạng được sử dụng ngày nay do Leonhard Euler hệ thống hóa vào khoảng năm 1752.
(1) Nguyên lý nhìn từ sự bảo toàn năng lượng
Chất lưu đang chảy mang năng lượng dưới ba dạng gắn với áp suất, chuyển động và độ cao. Nếu không có năng lượng được thêm vào hoặc lấy đi từ bên ngoài, tổng của ba dạng này sẽ giữ nguyên. Vì vậy, khi tốc độ, yếu tố thuộc phần năng lượng chuyển động, tăng lên thì phần năng lượng áp suất sẽ giảm đi tương ứng.
(2) Nguyên lý nhìn từ lực
Cũng có thể giải thích hiện tượng này bằng các định luật chuyển động của Newton. Một phần tử chất lưu sẽ bị đẩy về phía trước và tăng tốc khi áp suất phía sau cao hơn phía trước. Nghĩa là chất lưu tăng tốc khi chảy từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp.
Các điều kiện để nguyên lý có hiệu lực
Nguyên lý Bernoulli không phải là quy luật vạn năng luôn áp dụng chính xác trong mọi trường hợp; nó chính xác nhất đối với dòng chảy đáp ứng một số điều kiện.
- Dòng chảy ổn định (Steady Flow): Tốc độ và áp suất tại một điểm phải không thay đổi theo thời gian.
- Tính không nén được (Incompressibility): Mật độ của chất lưu phải hầu như không thay đổi dù áp suất thay đổi. Nước đáp ứng điều kiện này trong phần lớn trường hợp; không khí cũng có thể được xử lý tương tự khi chảy với tốc độ thấp hơn khoảng 30 phần trăm tốc độ âm thanh.
- Bỏ qua ma sát (Inviscid Flow): Năng lượng mất đi do tính sánh bên trong chất lưu, tức độ nhớt, phải nhỏ. Nguyên lý không còn phù hợp ở những nơi có ma sát lớn, chẳng hạn gần thành trong của một ống dài.
Một điểm quan trọng nữa là nguyên lý này được dùng để so sánh hai điểm trong cùng một dòng chảy. Không thể đặt hai dòng chảy xuất phát từ những nơi khác nhau cạnh nhau rồi khẳng định rằng dòng nhanh hơn có áp suất thấp hơn. Bỏ qua điều kiện này sẽ dẫn đến nhiều hiểu lầm mà chúng ta sẽ xem xét bên dưới.
Nguyên lý Bernoulli trong đời sống và công nghệ
Khai thác mối quan hệ giữa tốc độ và áp suất, chúng ta có thể đo những dòng chảy không nhìn thấy hoặc hút chúng đến nơi mong muốn.
(1) Ống Venturi dùng để đo dòng chảy
Khi phần giữa của ống được thắt hẹp lại, dòng chảy tại đó tăng tốc và áp suất giảm; hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Venturi. Đo chênh lệch áp suất giữa phần rộng và phần hẹp cho phép tính lượng chất lưu chảy qua ống, nên thiết bị này được sử dụng rộng rãi làm lưu lượng kế trong hệ thống cấp nước và đường ống nhà máy.
(2) Ống Pitot cho biết tốc độ máy bay
Ống Pitot là một ống nhỏ gắn ở phía trước máy bay, tiếp nhận áp suất của luồng không khí đập trực diện vào nó, còn các lỗ bên hông đo áp suất của không khí xung quanh. Chênh lệch giữa hai áp suất cho biết máy bay di chuyển nhanh đến mức nào trong không khí.
(3) Bộ chế hòa khí hút nhiên liệu lên
Bộ chế hòa khí trong động cơ ô tô và xe máy trước đây thu hẹp đường dẫn không khí để giảm áp suất, nhờ đó hút nhiên liệu lên và trộn đều với không khí. Bình phun và bút phun sơn cũng dùng dòng không khí nhanh để hút chất lỏng ra rồi phun thành những hạt nhỏ.
(4) Mặt nạ Venturi điều chỉnh nồng độ oxy
Mặt nạ Venturi dùng trong bệnh viện phun oxy với tốc độ cao qua một lỗ hẹp, tạo áp suất thấp để hút thêm không khí bên ngoài vào. Lượng không khí được trộn vào được xác định theo kích thước lỗ, nhờ đó có thể liên tục cung cấp oxy với nồng độ ổn định cho bệnh nhân.
Những hiểu lầm thường gặp về nguyên lý Bernoulli
Vì nguyên lý này quá nổi tiếng, người ta thường dùng nó để giải thích cả những hiện tượng thực ra xảy ra vì nguyên nhân khác.
(1) Cách giải thích rằng không khí phía trên và phía dưới cánh gặp nhau cùng lúc
Một cách giải thích phổ biến cho rằng mặt trên của cánh dài hơn nên không khí phía trên phải chảy nhanh để gặp không khí phía dưới cùng lúc tại mép sau. Tuy nhiên, không có lý do nào buộc không khí phải đến cùng lúc, và thí nghiệm cho thấy không khí phía trên thực tế đến mép sau sớm hơn rất nhiều. Bản thân kết luận rằng không khí phía trên cánh chảy nhanh và có áp suất thấp là đúng, nhưng sẽ chính xác hơn nếu cho rằng nguyên nhân là cánh bẻ dòng không khí hướng xuống dưới.
(2) Thí nghiệm thổi phía trên tờ giấy khiến tờ giấy nâng lên
Luồng khí thổi ra từ miệng vốn đã có áp suất bằng không khí xung quanh, nên áp suất không giảm chỉ vì luồng khí chuyển động nhanh. Tờ giấy nâng lên vì luồng khí uốn theo bề mặt cong của tờ giấy, tạo ra chênh lệch áp suất. Hiện tượng quả bóng bàn lơ lửng trong luồng khí cũng xảy ra vì dòng khí đẩy quả bóng trở lại vị trí giữa luồng.
Nguyên lý Bernoulli cho thấy tốc độ và áp suất trao đổi với nhau trong chất lưu đang chảy. Những công nghệ áp dụng chính xác nguyên lý này như ống Venturi, ống Pitot và bộ chế hòa khí vẫn đang hoạt động ở khắp nơi ngày nay. Tuy nhiên, nếu quên điều kiện rằng nguyên lý chỉ có hiệu lực trong cùng một dòng chảy, chúng ta dễ tin vào những lời giải thích nghe có vẻ hợp lý nhưng lại sai. Khi thấy vật gì đó được nâng lên hoặc bị hút đi ở nơi có gió, thói quen suy nghĩ thêm xem điều đó có thực sự do chênh lệch tốc độ trong cùng một dòng chảy hay không sẽ rất hữu ích.
Xem xét cả phạm vi áp dụng của nguyên lý chính là bước đầu tiên để hiểu dòng chảy bằng vật lý học.
