Khi bạn xé băng dính, bạn đang tạo ra tiếng nổ siêu thanh.

Khi bạn xé băng dính, bạn đang tạo ra tiếng nổ siêu thanh.

Hôm nay chúng ta đang nói về một điều nhỏ nhặt mà mọi người đều đã trải qua - mở gói hàng, hay chính xác hơn là khoảnh khắc bạn xé băng dính đóng gói trong suốt ra.

Đó chỉ là loại băng dính trong suốt rẻ tiền được bán ở các cửa hàng văn phòng phẩm và hầu hết mọi người đều cho rằng chẳng có gì đáng để khám phá về nó. Tuy nhiên, đằng sau chuyển động đơn giản này là một câu đố vật lý đã khiến các nhà vật lý bối rối trong nhiều thập kỷ. Một bài báo mới được xuất bản cuối cùng đã giải quyết được bí ẩn và kết luận đáng ngạc nhiên đến mức bạn sẽ không tin ngay từ cái nhìn đầu tiên.

Nhiều người trong chúng ta vô tình phát hiện ra manh mối khi còn nhỏ. Nếu bạn chú ý kỹ đến kết cấu hồi đó, bạn sẽ nhận thấy các vết nứt ngang xuất hiện khi bạn xé băng và những vết nứt này có liên quan chặt chẽ với việc tạo ra tiếng ồn đặc biệt, sắc nét của băng. Thậm chí còn có một mẹo mà bạn có thể sử dụng: kéo băng nhẹ nhàng và đều đặn, và nó sẽ tách ra một cách trơn tru với ít vết nứt ngang hơn và ít âm thanh chói tai hơn nhiều. Khi còn nhỏ, chúng ta chỉ quan sát hiện tượng này mà không hiểu biết về khoa học, chưa bao giờ biết cơ học siêu âm đang diễn ra.

Việc xé băng tạo ra âm thanh chói tai, rùng mình, răng rắc; bạn kéo càng nhanh, tiếng ồn càng sắc nét, có thể nghe được ngay cả trên hai bàn làm việc.

Hầu hết mọi người đều cho rằng tiếng động lớn phát sinh từ ma sát: hai lớp băng dính cọ xát và rung động vào nhau, khuấy động không khí để tạo ra âm thanh, giống như cây đàn vĩ cầm trượt trên dây.

Logic này thoạt nhìn có vẻ hợp lý, nhưng nó có một lỗ hổng nghiêm trọng. Tiếng ồn thay đổi đáng kể tùy thuộc vào tốc độ kéo, góc và nhãn hiệu băng. Dao động ma sát đơn giản không thể giải thích được những biến đổi lớn như vậy.

Các nhà vật lý đã nghiên cứu câu đố này trong nhiều thập kỷ và khám phá ra một manh mối quan trọng: băng dính không tách ra một cách trơn tru. Giao diện liên kết xen kẽ giữa bám chặt và trượt đột ngột, di chuyển giật cục như dây kéo bị kẹt. Chu kỳ bám dính và trượt xen kẽ này được gọi là chuyển động dính - trượt.

Chuyển động dính-trượt là hiện tượng ma sát phổ biến tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và trong tự nhiên:

Động đất: Các lớp đá trên đường đứt gãy dính vào nhau. Căng thẳng tích tụ cho đến khi đạt đến ngưỡng tới hạn, gây ra hiện tượng trượt đột ngột.

Bóng rổ dừng nhanh: Tiếng kêu cót két phát ra khi đế giày thể thao cọ xát vào mặt sân gỗ.

Cửa gỗ lâu năm: Ma sát của bản lề tạo ra tiếng kêu cót két khi bạn đẩy cửa mở.

Viết trên bảng đen: Phấn trượt giật và phát ra âm thanh chói tai khó chịu.

Bản thân vết dính-trượt không phải là điều hiếm gặp. Tuy nhiên, chuyển động trượt của thanh trong quá trình bóc băng dính diễn ra nhanh hơn nhiều so với những gì các nhà khoa học từng giả định. Thiết bị quan sát cũ thiếu độ chính xác và tốc độ khung hình đủ để ghi lại toàn bộ quá trình, khiến nghiên cứu bị đình trệ trong nhiều thập kỷ.

Vào năm 2025, một nhóm nghiên cứu đã áp dụng công nghệ quan sát hoàn toàn mới và các ý tưởng thử nghiệm cải tiến, đồng thời lần đầu tiên hình dung đầy đủ cơ chế thực sự đằng sau tiếng ồn khắc nghiệt tạo ra khi xé băng.

Việc thiết lập thí nghiệm rất đơn giản: các nhà nghiên cứu dán băng dính trong suốt thông thường vào một tấm kính. Trong khi bóc băng, nhiều thiết bị đồng thời ghi lại toàn bộ quá trình tách:

Một camera tốc độ cao gắn dưới kính đã ghi lại hình dạng bong tróc của các lớp dính và tốc độ lan truyền của các vết nứt trong thời gian thực qua tấm kính;

Hệ thống hình ảnh Schlieren: Không khí không thể nhìn thấy được bằng mắt thường nhưng ánh sáng bị bẻ cong nhẹ khi đi qua không khí có mật độ khác nhau. Thiết bị quang học này phóng đại và ghi lại độ lệch ánh sáng đó, làm cho sóng nén và sóng xung kích hình thành trong không khí có thể nhìn thấy được;

Micrô có độ chính xác cao đã ghi lại âm thanh một cách đồng bộ, khớp chính xác từng xung âm thanh với vết nứt vật liệu tương ứng được ghi lại trên máy ảnh.

Thí nghiệm quay cảnh ở tốc độ khung hình cực cao 2 triệu khung hình mỗi giây. Để so sánh, phim tiêu chuẩn chỉ chạy ở tốc độ 24 khung hình/giây và các video chuyển động chậm phổ biến có tốc độ 240 khung hình/giây. Hai triệu khung hình có nghĩa là mọi chuyển động nhỏ trong vòng một giây sẽ được chia thành hai triệu khung hình riêng lẻ.

Bằng cách căn chỉnh chính xác tín hiệu âm thanh với cảnh quay trực quan, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã xác định được nguồn gốc thực sự của tiếng ồn chói tai của băng.

Khi bạn kéo băng lên trên, một vết nứt ngang hình thành ngay sau ranh giới giữa phần đã bóc và phần chưa bóc. vuông góc với chiều dài của băng, vết nứt chạy dọc theo băng từ mép này sang mép kia.

Vết nứt lan nhanh hơn tốc độ âm thanh trong không khí, được coi là vết nứt siêu âm; Thời điểm vết nứt siêu âm chạm đến mép băng, năng lượng lớn sẽ phóng vào không khí và tạo thành sóng xung kích hình vòng cung lan tỏa ra bên ngoài. Nó có hình dạng chính xác của sóng xung kích, chỉ ở quy mô cực nhỏ;

Sóng xung kích này về cơ bản là một vụ nổ âm thanh nhỏ, tuân theo nguyên tắc vật lý giống hệt như vụ nổ âm thanh được tạo ra khi máy bay chiến đấu phá vỡ rào cản âm thanh;

Chu kỳ lặp lại liên tục: sau một vết nứt ngang và tiếng nổ siêu âm, một vết nứt ngang siêu âm mới hình thành sâu hơn ở phía trên, giải phóng sóng xung kích không ngừng cho đến khi bạn ngừng xé băng.

Âm thanh chói tai liên tục mà chúng ta nghe thấy không phải là một tiếng rung đơn lẻ. Thay vào đó, vô số sóng xung kích nhỏ lần lượt đập vào màng nhĩ. Sóng xung kích xảy ra ở tần số cao đến mức tai người không thể phân biệt được từng xung riêng lẻ, hòa quyện với nhau tạo thành tiếng ồn chói tai dai dẳng.

Công chúng có quan điểm truyền thống rằng ma sát trên băng tạo ra các rung động làm khuấy trộn không khí và tạo ra tiếng ồn. Tuy nhiên, cơ chế vật lý thực tế lại kể một câu chuyện khác: việc xé băng sẽ gây ra sự đứt gãy siêu âm của vật liệu. Năng lượng khổng lồ được giải phóng ngay lập tức ở các cạnh vết nứt, nén không khí xung quanh và tạo ra tiếng ồn chói tai thông qua sóng xung kích. Mặc dù hai cách giải thích này chỉ khác nhau ở một động từ, logic vật lý cơ bản của chúng hoàn toàn khác nhau.

Phần hấp dẫn nhất của nghiên cứu này không chỉ là những phát hiện thử nghiệm phản trực giác - nó tiết lộ một sự thật sâu sắc: vô số thói quen tầm thường trong cuộc sống hàng ngày che giấu những bí ẩn vật lý vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. Một cuộn băng văn phòng phẩm đơn giản có giá chỉ một đô la Mỹ, hành động xé nó một cách ngẫu nhiên, các vết nứt ngang có thể nhìn thấy và tiếng ồn dao động dao động, tất cả đều liên kết thành một hệ thống phức tạp của vật lý sốc, bao gồm vết nứt siêu âm và tiếng nổ siêu âm thu nhỏ. Trong những khoảnh khắc bình thường nhất của cuộc sống hàng ngày ẩn chứa sự lãng mạn thuần khiết nhất của khoa học.