Lực căng bề mặt và bọt biển khổng lồ

Mỗi khi nhìn ra vùng nước mênh mông, có thể bạn thường nghĩ tới cội nguồn nguyên thủy của mình – xét cho cùng, sự sống (và kể cả bạn) đến từ các đại dương. Và giống như thế, mỗi khi bạn nhìn thấy một cái bọt trên nước, bạn bất giác giật mình và nghĩ tới một loại ô nhiễm nào đó.

Trên những vùng biển thật sự rộng lớn, cái bọt ấy có thể dày đến vài mét trên đại dương và trôi song hành cùng bờ biển. Nhưng thật ra, đa số bọt biển có nguyên nhân tự nhiên, còn phần lớn sự ô nhiễm hóa chất là không thể nhìn thấy.

Có một câu nói cổ xưa như thế này: “Bề mặt là con quái vật,” có nghĩa là các bề mặt hay ranh giới là khó hiểu. Trong các hệ sinh thái đại dương và nước ngọt, ranh giới giữa không khí và nước được gọi là vi lớp bề mặt. Toàn bộ vật chất hữu cơ và vô cơ trao đổi giữa không khí bên trên và nước bên dưới phải đi qua vi lớp bề mặt này. Thật vậy, các chất, các hóa chất và các hạt có xu hướng sẽ tích tụ (chí ít là trong thời gian ngắn nào đó) trong vi lớp bề mặt này – và đây là nơi các bọt sẽ hình thành.

Một cái bọt được định nghĩa là một khối khí đang bị phân tán trong một chất lỏng, và bị phân cách bởi những cái màng chất lỏng rất mỏng – nói cách khác, một cái bọt là rất nhiều cái bong bóng dính vào nhau.

Vấn đề là các bọt “không bền về mặt nhiệt động lực học”, hay giải thích cho dễ hiểu, chúng có xu hướng co lại. Nếu bạn có một lượng nước tinh khiết và bạn cố dùng nĩa hoặc dụng cụ nào đó trong nhà bếp khuấy cho nó lên bọt, bạn sẽ thấy những cái bọt đó co lại trong thời gian chưa tới một giây. Nhưng sau một cơn bão lớn, cái bọt to trên dưới một mét sẽ nằm trên bãi biển trong hàng giờ đồng hồ, hoặc thậm chí vài ngày. Vì sao có thể như vậy?

Chính lực căng bề mặt tự nhiên của nước là nguyên nhân của vấn đề.

Lực căng bề mặt ép nước thành giọt, nhưng nó khiến các bọt bóng trong nước mau vỡ. (Ảnh: ajsn/iStockPhoto)

Các phân tử nước là H₂O, và cấu tạo gồm hai nguyên tử hydrogen (H) và một nguyên tử oxygen (O). Chúng trông giống như một cái boomerang nhỏ xíu, với nguyên tử oxygen ở chính giữa nơi hai ngạnh boomerang gặp nhau, và hai nguyên tử hydrogen nằm ở hai đầu ngạnh. Góc hợp giữa hai cái ngạnh lớn hơn góc vuông một chút.

Giờ thì cái boomerang này mang điện tích trên nó. Hai nguyên tử hydrogen ở hai đầu tích điện dương, còn nguyên tử oxygen tích điện âm. Chúng ta biết rằng điện tích dương và điện tích âm sẽ hút nhau, nên các phân tử nước có xu hướng bám vào nhau.

Hãy nghĩ tới một phân tử nước nằm ngay trên mặt nước. Có các phân tử nước ở bên trái và bên phải của nó, ở phía trước và phía sau của nó, và bên dưới nó – nhưng không có phân tử nước nào ở phía trên nó.

Hãy nhìn vào cái boomerang một phân tử nước của chúng ta. Nó sẽ bị hút sang phân tử nước liền kề bên trái một chút. Nhưng lực hút đó sẽ bị cân bằng bởi lực hút của một phân tử nước khác ở liền kề bên phải. Vì thế phân tử nước của chúng ta ở chính giữa sẽ bị hút đồng đều, và sẽ có xu hướng không dịch sang trái hoặc sang phải. Tương tự như vậy, lực hút từ những phân tử nước ở phía trước và phía sau nó cũng cân bằng nhau – vì thế nó sẽ có xu hướng không dịch ra trước cũng chẳng dịch ra sau.

Nhưng các lực không cân bằng theo hướng trên dưới. Vâng, có một phân tử nước ở ngay bên dưới nó, hút nó vào trong khối nước. Nhưng không có phân tử nước nào phía trên nó, chỉ có không khí mà thôi.

Vì thế có một hợp lực hướng vào tác dụng lên mọi phân tử nước tại bề mặt. Chúng ta gọi lực này là lực căng bề mặt. Đó là nguyên do nước chảy ra từ một ống nhỏ giọt cuộn lại gần như thành một quả cầu nhỏ.

Hãy nghĩ tới các phân tử nước đang ở bên trong cái thành hết sức mỏng của một bọt bóng. Lực căng bề mặt hút những phân tử nước đó trở vào trong khối nước – và khi hút như thế, cái bọt co lại.

Để làm cho những cái bong bóng trong bọt biển bền và tồn tại trong thời gian dài, bạn phải ngăn không cho nước chảy ra khỏi thành bong bóng. Bạn có thể làm thế bằng cách giảm lực căng bề mặt, hoặc bằng cách làm cho khối chất lỏng nhớt hơn, hoặc bằng cách thêm hạt mịn vào trong nó.

Nguồn: abc.net.au