Biểu diễn về Nguyên lý Bernoulli Bạn Có Thể Thử Tại Nhà

Gần đây, tôi đã viết về cách có thể giải thích hiệu ứng nâng của cánh máy bay mà không cần đề cập đến nguyên lý Bernoulli, điều này... hơi làm xao lạc một số người. Một số người hiểu lầm rằng tôi nói cả cái vụ Bernoulli là giả mạo, điều này rõ ràng không đúng; chỉ là bạn không cần phải sử dụng nguyên lý Bernoulli để giải thích những điều cơ bản.

Vì vậy, trong một nỗ lực làm cho Bernoulli cảm thấy tốt hơn, tôi sẽ đi qua nguyên lý Bernoulli và bao gồm một số biểu diễn bạn có thể tự thử nghiệm.

Hãy để tôi bắt đầu bằng mô tả siêu ngắn (và rất phổ biến).

Khi tốc độ của một chất lỏng tăng, áp suất của nó giảm.

Vâng, có vẻ đơn giản. Nhưng nó cũng phức tạp. Tôi sẽ giải thích tại sao điều này xảy ra—nhưng trước tiên tôi nên định nghĩa áp suất. Đây là một định nghĩa phương trình.

Tuy nhiên, định nghĩa này không có ích nhiều trong trường hợp này. Giả sử tôi thay thế "chất lỏng" bằng một đám bi nhỏ. Đúng vậy—tôi thích mô hình bi nhỏ cho chất lỏng (và điều này cũng áp dụng cho khí). Trong mô hình bi nhỏ này, các phân tử giống như những viên bi nhỏ. Chúng đang di chuyển xung quanh theo các hướng khác nhau với một phạm vi giá trị tốc độ nào đó. Đôi khi những viên bi này có thể va chạm với một tường hoặc bề mặt nào đó. Sự va chạm làm cho viên bi thay đổi động lượng của nó (nơi động lượng là tích của khối lượng và vận tốc). Sự thay đổi này trong động lượng đòi hỏi một lực và lực này được áp dụng lên viên bi bởi bề mặt. Vì lực là sự tương tác giữa hai đối tượng, bề mặt đẩy vào viên bi không khí có nghĩa là viên bi không khí đẩy trở lại bằng cùng một lực lên tường. Vì vậy, theo một cách nào đó, áp suất do khí hoặc chất lỏng tạo ra là do các sự va chạm của những viên bi không khí nhỏ này (hoặc viên bi nước).

Cũng để hiểu nguyên lý Bernoulli, bạn cần tưởng tượng những viên bi này di chuyển ở các tốc độ và hướng khác nhau. Dưới đây là một hình ảnh để giúp về điều này (đó chỉ là một hình ảnh—không phải là bi không khí thực sự).

Điểm chính là áp suất trên bề mặt dưới phụ thuộc cả vào tốc độ và khối lượng của những viên bi cũng như tần suất va chạm của chúng. Nhiều va chạm có nghĩa là áp suất lớn hơn. Giả sử gió đang di chuyển về bên phải với một tốc độ trung bình nào đó. Điều đó có nghĩa là vận tốc trung bình của những viên bi hướng về bên phải, nhưng chúng vẫn đang di chuyển theo tất cả các hướng—chỉ là nhiều hơn về bên phải hơn về bên trái. Dưới đây là những viên bi không khí giống như trước đó, nhưng với một tốc độ trung bình về bên phải (mũi tên màu vàng cho thấy tốc độ tổng thể).

Nhưng điều này liên quan gì đến áp suất? Càng nhiều viên bi không khí này di chuyển về bên phải, chúng càng ít va chạm với bề mặt dưới. Với ít va chạm hơn, áp suất giảm. Bùng nổ. Đó là cách nguyên lý Bernoulli hoạt động. Điều này dễ hiểu hơn nhiều nếu bạn nghĩ về chất lỏng và khí như là một bộ sưu tập các viên bi di chuyển—điều này có thể coi là đúng.

Bây giờ đến phần vui. Dưới đây là một số biểu diễn về nguyên lý Bernoulli mà bạn có thể thử nghiệm. Đầu tiên là đơn giản nhất. Bạn chỉ cần một tờ giấy. Giữ một mép của tờ giấy ngay dưới miệng bạn và thổi. Nó sẽ trông giống như thế này.

Vậy, điều gì đang xảy ra ở đây? Khi tôi thổi qua tờ giấy, không khí ở phía trên di chuyển nhanh hơn so với không khí ở phía dưới. Theo nguyên lý Bernoulli, không khí di chuyển nhanh hơn ở phía trên có áp suất thấp hơn so với không khí đứng yên ở phía dưới. Với áp suất lớn hơn ở phía dưới của tờ giấy cũng có một lực đẩy lớn hơn. Tờ giấy sau đó bắt đầu di chuyển lên. Khi tờ giấy lên quá cao, nó bắt gặp dòng không khí đẩy nó trở lại xuống.

Dưới đây là một bản demo khác thực hiện một điều rất tương tự. Đó là một quả bóng—bạn biết đấy, cho trẻ em. Sau khi bạn thổi nó lên và để không khí thoát ra, nó có thể làm điều này (ở chế độ chậm).

Nó giống như tờ giấy ngoại trừ việc không khí di chuyển nhanh hơn ở bên trong ống nhựa nhỏ đó. Không khí nhanh hơn này làm giảm áp suất trong ống đến mức mà áp suất bên ngoài làm ống sụp đổ. Tất nhiên, một ống sụp đổ cũng ngăn không khí, làm tăng áp suất để mở nó trở lại. Tờ giấy và quả bóng này chủ yếu là cách các nhạc cụ dạng gió—như clarinet, saxophone và oboe—hoạt động, trong khi miệng bóng giống như một nhạc cụ đồng (tuba, trumpet, trombone).

Một ứng dụng vui khác là máy phun. Không, nó không phải làm tan chất gì thành nguyên tử—điều đó sẽ không tốt. Đây chỉ là cách phun một chất lỏng. Bạn có thể tự xây dựng một cái với ống hút. Lấy một số kéo và cắt một phần qua ống hút. Sau đó, bẻ ống hút tại chỗ cắt để có một khe hở. Tiếp theo, đặt một đầu trong một chất lỏng (tôi đề xuất nước) và thổi qua đầu còn lại (thổi mạnh). Dưới đây là hình ảnh sự kiện.

Được rồi, tôi đồng ý—nó không phải là một máy phun tốt lắm, nhưng bạn không thể có cái gì đơn giản hơn một ống hút và một số nước.

Một bản demo cuối cùng. Ở đây, tôi có hai quả bóng bàn treo dọc (tôi đã sử dụng băng dính thay vì dây vì nó dễ dàng hơn). Có một khe nhỏ giữa hai quả bóng. Bây giờ hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu tôi thổi khí giữa hai quả bóng.

Có lẽ bản demo này khó nhìn (đầu to của tôi liên tục làm cản trở)—nhưng nên rõ ràng hầu hết rằng hai quả bóng bị đẩy lại gần nhau. Thực sự, bạn có thể làm điều này với bất kỳ hai đối tượng nào. Bạn có thể muốn thử lại với hai lon soda trống. Nhưng ý tưởng vẫn là khí di chuyển nhanh hơn giữa hai lon giảm áp suất để áp suất bên ngoài lớn hơn và đẩy chúng lại gần nhau. Chúc mừng, Bernoulli!