Hiệu ứng Coriolis: vì sao bão xoáy và chuyện bồn rửa có thật không

Hiệu ứng Coriolis là sự lệch hướng của một vật đang chuyển động khi nhìn từ một hệ đang quay như Trái Đất: ở Bắc bán cầu, vật bị lệch sang phải; ở Nam bán cầu, lệch sang trái. Nhờ đó, gió thổi vào vùng áp thấp ở Bắc bán cầu bị bẻ cong thành vòng xoáy ngược chiều kim đồng hồ — đó là vì sao bão ở Biển Đông luôn xoáy ngược chiều kim đồng hồ. Nhưng chuyện nước trong bồn rửa xoáy theo chiều nào tuỳ bán cầu thì gần như là huyền thoại: ở quy mô bồn rửa, hiệu ứng Coriolis quá nhỏ.

Coriolis là gì

Năm 1835, nhà toán học và kỹ sư Pháp Gaspard-Gustave Coriolis (người cũng viết sách về vật lý bi-a) công bố phân tích về chuyển động trong các hệ quay, cho máy móc như bánh xe nước. Ông chỉ ra rằng trong một hệ quay, ngoài lực ly tâm còn phải thêm một lực quán tính khác cho các vật đang chuyển động so với hệ. Lực này về sau mang tên ông.

Lực Coriolis có ba đặc điểm:

• Chỉ tác dụng lên vật đang chuyển động so với hệ quay; vật đứng yên không chịu.
• Vuông góc với hướng chuyển động: không làm vật nhanh hay chậm, chỉ làm lệch hướng.
• Là lực quán tính (lực ảo): đứng ngoài hệ quay nhìn vào thì không có lực nào, vật chỉ đi thẳng còn hệ thì quay bên dưới.

Hình dung bằng đu quay

Hai người ngồi đối diện trên một đu quay đang quay. Người A ném quả bóng thẳng về phía người B. Nhìn từ trên cao (ngoài đu quay), quả bóng bay thẳng. Nhưng trong lúc bóng bay, đu quay đã quay đi một chút, người B không còn ở chỗ cũ. Nhìn từ trên đu quay, quả bóng có vẻ đi cong và trượt khỏi người B. Đường cong ấy là hiệu ứng Coriolis.

Trái Đất là một "đu quay" khổng lồ quay rất chậm — một vòng mỗi ngày. Với chuyển động nhanh và ngắn như ném bóng, hiệu ứng nhỏ tới mức không nhận ra. Nhưng với chuyển động kéo dài hàng giờ, hàng ngày và trải rộng hàng trăm, hàng nghìn kilômét như gió và dòng hải lưu, hiệu ứng trở nên quyết định.

Độ lớn phụ thuộc vĩ độ

Gia tốc Coriolis theo phương ngang bằng 2·Ω·v·sin φ, với Ω là tốc độ góc của Trái Đất (khoảng 7,3 × 10⁻⁵ rad/s), v là tốc độ của vật, φ là vĩ độ.

• Ở xích đạo (sin 0° = 0): hiệu ứng theo phương ngang bằng không.
• Càng lên vĩ độ cao: hiệu ứng càng mạnh, lớn nhất ở hai cực.

Ví dụ: một khối không khí di chuyển 10 m/s ở vĩ độ 20° Bắc (gần Hà Nội) chịu gia tốc Coriolis khoảng 2 × 7,3 × 10⁻⁵ × 10 × 0,34 ≈ 0,0005 m/s². Nhỏ xíu, nhưng tác dụng liên tục trong nhiều giờ trên quãng đường hàng trăm kilômét thì đủ bẻ cong hướng gió hẳn đi.

Bão xoáy ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu

Một cơn bão là vùng áp suất rất thấp. Không khí xung quanh bị hút về tâm. Ở Bắc bán cầu, khi không khí di chuyển vào tâm, hiệu ứng Coriolis bẻ nó lệch sang phải. Không khí từ phía nam đi lên bị lệch sang đông, từ phía bắc đi xuống bị lệch sang tây... Kết quả là cả khối không khí xoáy quanh tâm theo chiều ngược kim đồng hồ (nhìn từ trên xuống). Ở Nam bán cầu thì ngược lại, bão xoáy theo chiều kim đồng hồ.

Ảnh vệ tinh các cơn bão vào Việt Nam luôn cho thấy những dải mây xoắn ốc ngược chiều kim đồng hồ quanh mắt bão. Gió mạnh nhất nằm ở vùng quanh mắt bão, nơi khoảng cách tới tâm nhỏ và không khí xoáy nhanh do bảo toàn mô men động lượng (bài về sao xung và thiên hà).

Vì sao bão không hình thành sát xích đạo

Ở gần xích đạo (khoảng trong 5° vĩ độ), hiệu ứng Coriolis quá yếu. Không khí bị hút vào vùng áp thấp đi thẳng vào tâm và lấp đầy nó mà không xoáy được. Vì vậy bão nhiệt đới hầu như chỉ hình thành từ khoảng vĩ độ 5° trở lên. Đây là lý do các nước sát xích đạo như Singapore gần như không bao giờ có bão.

Huyền thoại bồn rửa

Một niềm tin phổ biến: nước trong bồn rửa, bồn cầu ở Bắc bán cầu luôn xoáy ngược chiều kim đồng hồ khi chảy xuống, còn ở Nam bán cầu thì ngược lại. Ở một số điểm du lịch trên đường xích đạo, người ta còn biểu diễn nước xoáy đổi chiều khi dời chậu sang hai bên vạch xích đạo vài mét.

Thực tế: với bồn rửa đường kính vài chục centimét, nước chảy trong vài chục giây, gia tốc Coriolis nhỏ hơn hàng triệu lần so với các yếu tố khác — hình dạng bồn, hướng vòi xả, những chuyển động nhỏ còn sót lại khi đổ nước. Chiều xoáy trong bồn rửa thường do những yếu tố ngẫu nhiên này quyết định. Màn biểu diễn ở xích đạo là mẹo: người biểu diễn khéo léo tạo vòng xoáy ban đầu khi đổ nước.

Tuy nhiên, hiệu ứng có thể quan sát được nếu thí nghiệm cực kỳ cẩn thận. Năm 1962, giáo sư Ascher Shapiro (Viện Công nghệ Massachusetts, MIT) dùng một bể tròn lớn đường kính khoảng 1,8 m, để nước đứng yên khoảng một ngày cho hết mọi chuyển động, nhiệt độ ổn định, rồi mở lỗ xả nhỏ ở đáy. Nước xoáy ngược chiều kim đồng hồ, đúng như dự đoán cho Bắc bán cầu. Các thí nghiệm lặp lại ở Úc cho kết quả ngược chiều. Kết luận: hiệu ứng có thật, nhưng chỉ thấy được trong điều kiện phòng thí nghiệm, không phải trong bồn rửa hằng ngày.

Coriolis ở những chỗ khác

• Dòng hải lưu: các vòng hải lưu lớn ở Bắc Thái Bình Dương, Bắc Đại Tây Dương xoay theo chiều kim đồng hồ.
• Đường bay đường dài: phi công và hệ thống dẫn đường tính tới sự quay của Trái Đất.
• Cảm biến con quay trong điện thoại: dùng chính lực Coriolis trên khối silic rung để đo xoay (bài về con quay hồi chuyển).
• Sông ở vùng vĩ độ cao: một số nhà địa lý từng cho rằng Coriolis làm sông xói bờ phải mạnh hơn ở Bắc bán cầu; ảnh hưởng này rất nhỏ và còn tranh luận, các yếu tố địa hình thường lấn át.

Góc nhìn hôm nay: thí nghiệm đĩa xoay và bút dạ

1. Đặt một tờ giấy tròn lên đĩa xoay (bàn xoay bánh kem hoặc mâm xoay).
2. Một người xoay đĩa chậm đều ngược chiều kim đồng hồ (như Trái Đất nhìn từ cực Bắc).
3. Người kia cầm thước kẻ cố định trên không, kéo bút dạ thẳng theo thước từ tâm ra mép giấy.
4. Nhìn tờ giấy: đường vẽ cong sang phải so với hướng đi — đó là hiệu ứng Coriolis ở Bắc bán cầu.
5. Đổi chiều xoay đĩa: đường vẽ cong sang trái, như ở Nam bán cầu.

Muốn tìm hiểu thêm về bão và gió mùa, các tài liệu phổ biến kiến thức của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia và Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) là nguồn đáng tin.