Sương mù và góc nhìn vật lý

Bài viết liên quan

Nhìn màn sương mù buổi sáng, có khi nào bạn tự đặt câu hỏi: những nhân tố nào đã giữ cho nó ở bên trên mặt đất hay không?

Đa số các hạt sương có đường kính cỡ 10 µm (có thể nhỏ hơn và lớn hơn), còn khối lượng riêng của nước trong đó là ρ=1000kg / m³ , do đó lực đẩy Acsimét không liên quan gì trong vấn đề này. Gió cũng không đóng vai trò gì ở đây, vì vận tốc của nó có thể có thành phần thắng đứng hướng cả lên trên lẫn xuống dưới và cũng có thể bằng không. Vậy liệu có thể các giọt sương thực hiện chuyển động Brown trong không khí khiến cho chúng không rơi xuống mặt đất? Cũng không phải, bởi lẽ đường kính lớn nhất của các hạt thực hiện chuyển động Brown chỉ cỡ 1 µm, điều này có nghĩa là, những va chạm của các phân tử không khí vào giọt sương từ các phía cân bằng nhau (do có kích thước lớn hơn tới 10 lần), khiến cho giọt sương không thể thực hiện chuyển động Brown được. 

Bạn có thể nghĩ rằng các giọt sương rơi rất chậm trong không khí do lực cản của nó, nhưng những tính toán không khẳng định ý nghĩ đó. Sự tính toán không mấy phức tạp về mặt vật lý có liên quan đến độ nhớt của không khí (do đó vượt ra ngoài khuôn khổ chương trình vật lý ở các trường phổ thông) cho thấy rằng một lớp sương dầy tới 10m sẽ rơi hết xuống đất chỉ trong 56 phút! Nhưng thực tế ai cũng thấy là không phải như vậy.

Bây giờ chúng tôi đưa ra giả thiết rằng trong quá trình tạo thành sương mù, các giọt nước rất nhỏ đã bị nhiễm điện dương và ở trạng thái cân bằng trong hai trường thẳng đứng có chiều ngược nhau, đó là trọng trường có cường độ g =9,8m/s hướng xuống dưới và điện trường của Trái Đất có cường độ E =130V / m hướng lên trên. Dễ dàng thấy rằng điều kiện cân bằng có thể viết dưới dạng: mg = qE, trong đó m và q là khối lượng và điện tích của giọt sương. Tất nhiên, phải tính tới chuyện lực điện không được làm vỡ giọt sương. Để viết điều kiện bền vững của giọt sương ta có thể đặt một yêu cầu đơn giản là năng lượng điện của giọt sương không được vượt quá năng lương bề mặt của nó, tức là

trong đó R là bán kính giọt sương,  σ  =7,2.10N/m là hệ số sức căng bề mặt của nước, 
ε₀ = 8,85.10^-12 (C²/Nm²) là hằng số điện. Từ các hệ thức trên (và cả hệ thức m = 4/3πR³ ρ), ta tìm được bán kính giọt sương:

Kết quả này khẳng định giả thiết nêu trên của chúng ta.

Văn Thành Nam (St)

Chia sẻ bài viết