Lý thuyết nhàu nát là gì? Một mảnh giấy nhàu nát thì có gì hay?

Gần đây mình có đọc qua một số cuộc sách về triết học Hy Lạp. Ấn tượng với suy nghĩ “tri thức là hồi tưởng”. Dường như thật sự chẳng có gì mới dưới mặt trời. Khi chúng ta nghĩ rằng mình biết một cái gì đó. Thì chẳng qua là hệ quả của sự so sánh với cái đã có sẵn trong chúng ta.

Ở đây, có một cái có sẵn. Một tờ giấy nháp mà có thể đôi khi bạn nhàu nát rồi vo tròn nó, xong vứt rất nhanh vào sọt rác cho chính xác. Và mọi thứ kết thúc ở đó. Nhưng với Jovana Andrejevic thì chưa.

Lý thuyết nhàu nát là gì?

Lý thuyết nhàu nát là lý thuyết mô tả một mô hình vật lý cho những gì xảy ra khi các tấm mỏng bị nhàu nát, mở ra rồi tiếp tục nhàu nát.

Người ta kỳ vọng nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này, có khả năng tìm ra nhiều giải pháp trong ứng dụng thực tế. Cụ thể là những vấn đề liên quan đến việc vật liệu sẽ thay đổi như thế nào dưới tác động lặp đi lặp lại có yếu tố ngẫu nhiên.

Như là nghiên cứu địa chất, công nghệ pin, hay những quan sát về cách mà cánh côn trùng đập liên tục cho đến việc DNA gói vào nhân tế bào…Bạn có thể thấy, ứng dụng rất đa dạng và rộng rãi.

Quan sát thí nghiệm: Nhàu nát tờ giấy nhiều lần

Để bắt đầu tiếp cận vấn đề sao cho dễ hiểu, bạn có thể thực hiện thí nghiệm đơn giản như sau:

• Vật liệu thí nghiệm phải là ở dạng tấm và tương đối mỏng. Nghĩa là có độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dài và chiều rộng. Bạn có thể lấy một tờ A4 Double A để thực hiện.
• Khi bạn cố nhàu nát một tờ giấy thẳng. Hành động này sẽ tạo ra nhiều nếp ngăn một cách hỗn loạn, ngẫu nhiên. Nếp ngăn đây có thể hiểu như là đường ranh giới giữa các mặt phẳng.
• Sau đó, bạn cố mở thẳng tờ giấy ra lại và tiếp tục lặp lại hành động nhàu nát.
• Lúc này, câu hỏi đặt ra là: Những nếp ngăn mới sẽ hình thành thế nào? Có quy luật nào trong chuyện này không? Nếu tiếp tục lặp lại hành động nhàu nát lần nữa thì số lượng nếp ngăn và mặt phẳng mới sẽ ra sao? Quá trình phân mảnh có tính chất gì? Có phương trình hóa được không?

Đó chính là bài toán của “mấy người vừa điên vừa rảnh”. Đùa thôi! Toán học là thế đó. Phát hiện ra quy luật bên trong những việc tưởng chừng vô thưởng vô phạt. Nhưng ứng dụng của nó thì cực kỳ rộng lớn.

Trong bài báo gửi lên Nature, thí nghiệm của Jovana Andrejevic được thực hiện bằng một tờ giấy cuộn cong và đặt đứng trong một cái xi lanh. Việc nén xi lanh này như là đang nhàu nát nó. Bạn có thể xem video mô phỏng dưới đây.

Tiếp đó, nhà nghiên cứu sử dụng một máy quét laser cực nhạy để phát hiện sự xuất hiện của các nếp mới hình thành.

Hệ số Delta là tỷ lệ giữa chiều cao của tờ giấy và chiều cao của xi lanh. Khi pít tông ép xuống, chiều cao của tờ giấy giảm. Hệ số Delta nhỏ dần. Và số lượng nếp ngăn mới dày đặc hơn.

Việc tiếp theo là sử dụng kiến thức về thống kê để tính toán và phương trình hóa hiện tượng. Nếu bạn có kiến thức chuyên môn về toán, có thể đọc chi tiết nghiên cứu này trên Nature. Nó chỉ vừa được công bố vào tháng 3/2021 vừa qua.

Một cách nôm na, có thể gợi ý cho bạn đọc một vài kết luận như là:

• Một tấm càng bị nhàu nát, nó càng chống lại việc nén hơn nữa. Nên sẽ càng cần nhiều lực hơn để thành công trong việc nhàu nó thêm.
• Càng nhàu nát nhiều lần thì số lượng nếp ngăn mới xuất hiện càng giảm. Nghĩa là càng có ít nếp ngăn mới hơn.

Trực giác của bạn có phát hiện được thêm điều gì không? Ví dụ, tổng chiều dài của các nếp ngăn này thế nào?

Lý thuyết nhàu nát thì có tiềm năng gì? Vì sao nó thú vị?

Từ nghiên cứu lý thuyết nhàu nát, người ta bắt đầu có những liên đới đến những hiện tượng tương tự xảy ra trong đời sống.

• Bạn có thấy tờ giấy nhàu nó giống như những ngọn núi được hình thành do va chạm không. Nó cũng cố thêm lý thuyết phân mảnh, giúp tính toán sự va chạm giữa các vật liệu. Hay gần đây nhất, áp dụng tính toán sự va chạm giữa các tảng tăng trôi.
• Ngoài ra, nó giúp tính toán một vật liệu sẽ hư hỏng ra sao dưới một tác động lặp đi lặp lại. Có rất nhiều điều chịu tác động lặp đi lặp lại xunh quanh chúng ta. Từ cánh côn trùng đập, cho đến hoạt động DNA trong nhân tế bào…

Viết tới đây, làm mình tưởng tượng lịch sử của “lý thuyết dây” với những nút thắt tưởng chừng vô thưởng vô phạt. Nhưng không ngờ đóng vai trò quan trọng để giải thích những vấn đề vật lý lượng tử.

Các nguồn được sử dụng trong bài viết:

• https://science.howstuffworks.com/crumple-theory.htm
• https://www.popularmechanics.com/science/math/a35913950/crumple-theory-paper-creases/
• Ảnh Thumbnail của NewyorkTimes.