Vì sao cát lại mềm?

Câu trả lời nghe có vẻ vô lý, nhưng đó là sự thật. Hiểu được dòng chảy của các vật liệu dạng hạt như cát là một vấn đề lớn chưa được giải quyết trong ngành vật lý.

Nếu bạn làm một chiếc đồng hồ cát mà dùng nhiều loại cát có kích thước, hình dáng hạt khác nhau thì không có công thức nào để dự đoán được chiếc đồng hồ của bạn sẽ mất bao lâu để toàn bộ số cát đó trôi xuống hết hoặc thậm chí cát có trôi xuống hay không.

Giáo sư Karen Daniels, nhà vật lý học ở Trường đại học Bắc Carolina, Mỹ, người nghiên cứu cát và các vật liệu dạng hạt khác – một lĩnh vực được các nhà khoa học gọi là “vật chất mềm” – cho biết rất khó hiểu được cát một phần vì các loại hạt có nhiều thuộc tính khác nhau, như kích thước, hình dạng, độ nhám và đặc biệt một lý do chúng ta không có một lý thuyết chung, đó là tất cả những thuộc tính này đều quan trọng.

Nhưng các nhà khoa học cũng đã cố gắng tìm hiểu từng loại hạt một. Không chỉ tìm hiểu về các thuộc tính của các loại hạt, họ còn rất quan tâm đến cách tập hợp với nhau của chúng. Các hạt được đóng gói lỏng lẻo tạo cảm giác mềm vì chúng có chỗ để chảy quanh tay bạn, nhưng cũng cùng những hạt đó được đóng gói thật chặt thì chúng không có chỗ để di chuyển để dành chỗ cho tay bạn vì thế bạn sẽ cảm thấy chúng rắn chắc. Điều này giải thích một phần cho câu hỏi vì sao các lớp cát trên bề mặt ở bãi biển lại cho cảm giác mềm hơn các lớp cát bên dưới: là vì các hạt ở các lớp sâu hơn bị ép lại gần nhau hơn.

Việc chúng ta thất bại trong việc tìm ra một lý thuyết chung cho cát không phải vì thiếu cố gắng. Đối với mọi thứ từ chế biến nông sản đến dự báo sạt lở đất, hiểu được dòng chảy của các vật liệu dạng hạt là cực kỳ quan trọng, và chúng ta chưa làm được tốt những việc này. Giáo sư Daniels nói rằng “Những người làm công việc xử lý hạt ở các nhà máy kỹ thuật hóa chất đều có thể cho bạn biết những chiếc máy này rất hay hỏng. Bất cứ ai từng cố gắng sửa chữa một chiếc máy xay cà phê tự động đều biết nó thường xuyên bị tắc. Đây là những việc không bao giờ diễn ra trôi chảy.”

Cũng may là không phải chúng ta hoàn toàn không hiểu chút nào. Ở một mức độ nào đó, các nhà khoa học vẫn có thể cho biết điều gì khiến cho cát mềm hơn hoặc rắn hơn.

Cát có hạt tròn thường mang lại cảm giác mềm hơn, vì các hạt cát trượt qua nhau dễ dàng hơn. Cát có hạt nhỏ cũng không gây cảm giác sần sùi khi từng hạt bị ấn vào da bạn. Nhưng nếu cát có hạt quá nhỏ thì hơi ẩm khiến chúng dính vào nhau làm cho cát có cảm giác rắn chắc và lổn nhổn.

Giáo sư Daniels cho biết loại vật liệu dạng hạt mềm nhất bà từng chạm tay vào là chất Q-Cell, một loại bột silica dùng để trám các vết lõm trên ván lướt sóng. Bột này được làm từ các hạt rỗng nên cảm giác cực kỳ nhẹ, và chất liệu silica luôn khô nên không bị vón cục. Bà so sánh cách trôi của loại bột này giống như một xô đầy cát mịn, khô lấy ở bãi biển.

Nếu một bãi biển toàn “cát” Q-Cell, nó có thể sẽ rất mềm mịn nhưng lại không dễ chịu lắm. Các loại bột mịn, khô là bụi chứ không phải cát, và nếu hít phải thì vô cùng nguy hiểm cho phổi. Bãi biển lý tưởng là bãi biển với cát có kích thước và hình dạng hạt cân đối với độ mịn, độ bay, độ vón và một loạt các thuộc tính khác làm cho cát mềm và dễ chịu khi bước chân lên. 

Với rất nhiều yếu tố chủ quan cần xem xét như vậy thì thật khó để nói chính xác cát ở bãi biển nào là lý tưởng nhất.