Khám phá hiện tượng vòng băng, những đĩa băng tròn hoàn hảo quay chậm trong sông và hồ. Chúng tôi giải thích cơ chế hình thành của chúng, tầm quan trọng của xoáy nước và cách chính sự quay điêu khắc các cạnh băng thành những vòng tròn hoàn hảo. Chúng tôi phân tích khám phá khoa học gần đây về cách thay đổi mật độ nước do nhiệt độ có thể gây ra sự quay ngay cả trong nước tĩnh. Hướng dẫn về một trong những cảnh tượng yên bình và kỳ diệu nhất của mùa đông.
Vòng Băng: Những Đĩa Băng Quay Hoàn Hảo trong Sông
Vật lý hay Ma thuật? Khoa học đằng sau những đĩa đóng băng thách thức trí tưởng tượng
Trang hoàng bề mặt đóng băng của các con sông ở những vùng như Scandinavia, Canada hoặc Nga, vòng băng trông giống như những đĩa than trắng khổng lồ quay lặng lẽ trong nước. Với đường kính từ vài centimet đến hơn 15 mét, những đĩa này hoàn hảo về mặt hình học đến mức thường khiến những người quan sát may mắn phải kinh ngạc. Mặc dù trông như do con người tạo ra, vòng băng là kết quả của sự cân bằng tinh tế giữa thủy động lực học, nhiệt độ và chuyển động liên tục của nước.
1. Lý Thuyết Cổ Điển: «Bẫy» Xoáy
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học tin rằng vòng băng hình thành hoàn toàn do dòng chảy của sông. Quá trình này giống như cách một mảnh gỗ được tạo hình trên máy tiện.
- Tạo Xoáy: Khi một mảnh băng bị mắc kẹt trong «xoáy» – một điểm mà dòng chảy của sông tạo thành vòng tròn do chướng ngại vật hoặc khúc cua – nó bắt đầu quay chậm.
- Điêu Khắc: Khi mảnh băng quay, nó cọ xát với băng đứng yên xung quanh hoặc bờ sông. Ma sát liên tục này «làm mịn» các góc của nó, dần dần biến nó thành một vòng tròn hoàn hảo.
- Duy Trì: Khi băng quay, nước lạnh chảy bên dưới đóng băng đều ở các cạnh, duy trì hình dạng tròn khi đĩa lớn lên.
2. Khám Phá Mới: Quay Do Nhiệt Độ
Năm 2016, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Liège đã lật đổ ý tưởng rằng chỉ dòng chảy của sông mới có thể gây ra sự quay. Họ phát hiện rằng vòng băng có thể quay ngay cả trong nước hoàn toàn tĩnh.
Vật Lý về Mật Độ: Nước có mật độ cao nhất ở 4°C. Khi băng tan nhẹ từ bên dưới, nó làm lạnh nước ngay dưới đĩa. Nước lạnh này chìm xuống, tạo ra dòng chảy thẳng đứng. Do lực Coriolis hoặc những bất thường nhỏ, nước chìm này bắt đầu xoáy, tạo ra một xoáy kéo đĩa băng vào chuyển động quay. Điều này giải thích tại sao chúng ta tìm thấy vòng băng trong các hồ không có dòng chảy rõ ràng.
3. Hiện Tượng Đĩa Khổng Lồ ở Maine
Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất xảy ra vào năm 2019 tại Westbrook, Maine, Hoa Kỳ. Một vòng băng khổng lồ đường kính 90 mét hình thành trên sông Presumpscot.
Đĩa này đã trở nên viral toàn cầu, quay ngược chiều kim đồng hồ và trở thành «điểm dừng» cho hàng trăm con chim sử dụng nó như một hòn đảo nổi. Khối lượng khổng lồ và độ tròn tuyệt đối của nó chứng minh rằng thiên nhiên có thể tạo ra các cấu trúc giống như các bộ phận cơ khí ở quy mô thành phố.
4. Tại Sao Các Cạnh Lại Mịn?
Bí mật của bề mặt mịn nằm ở ma sát và tan chảy.
- Ma Sát: Giống như bánh xe mài, sự quay buộc băng phải «mài mòn» ở những điểm nhô ra.
- Điêu Khắc Nhiệt: Nước di chuyển quanh các cạnh của đĩa ấm hơn một chút so với băng. Chuyển động này làm tan đều chu vi, đảm bảo không có góc nhọn được hình thành.
5. «Vòng Tiên» và Văn Hóa Dân Gian
Trước khi khoa học đưa ra câu trả lời, vòng băng được coi là dấu hiệu ma thuật. Trong nhiều truyền thống phương Bắc, người ta tin rằng đó là sàn nhảy cho các nàng tiên hoặc linh hồn nước. Sự im lặng ma quái đi kèm với sự quay của chúng trong cảnh quan đóng băng hoàn toàn biện minh cho những huyền thoại này. Ngay cả ngày nay, nhìn thấy vòng băng gợi lên cảm giác yên bình và «trật tự» giữa môi trường hỗn loạn của một dòng sông.
6. Tìm Chúng Ở Đâu và Khi Nào?
Vòng băng phù du. Để nhìn thấy chúng, bạn cần:
- Nhiệt độ dưới 0: Trong vài ngày liên tiếp để hình thành băng ổn định.
- Dòng Chảy Êm: Sông có dòng chảy chậm hoặc hồ có sự khác biệt về nhiệt độ.
- Buổi Sáng: Trước khi mặt trời bắt đầu làm tan các cạnh mỏng manh của đĩa.
Hình Học của Mùa Đông
Vòng băng là bằng chứng cho thấy thiên nhiên yêu thích hình dạng và quy tắc, ngay cả trong cái lạnh. Đó là sự kết hợp của ngẫu nhiên và vật lý, nơi một mảnh băng vỡ biến thành hình dạng hình học hoàn hảo. Chúng nhắc nhở chúng ta rằng bên dưới bề mặt nước đóng băng, các lực đang làm việc không ngừng, «điêu khắc» thế giới của chúng ta theo những cách mà chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu đầy đủ.
Lần tới khi bạn ở gần một dòng sông đóng băng, hãy nhìn vào các khúc cua của nó. Bạn có thể thấy một trong những «đĩa của thiên nhiên» đang thực hiện điệu nhảy vĩnh cửu, chậm rãi của nó.
