Giọng hát có thể làm vỡ ly, nhưng rất khó: người hát phải giữ đúng tần số riêng của chiếc ly, đủ to (thường trên 100 dB ở sát miệng ly) và đủ lâu, và chiếc ly phải mỏng, có sẵn chỗ yếu. Hiện tượng đằng sau gọi là cộng hưởng: khi một vật bị kích thích đúng nhịp dao động tự nhiên của nó, mỗi lần đẩy cộng dồn lên lần trước, rung động lớn dần tới mức vật có thể nứt vỡ.
Cộng hưởng là gì: chuyện cái xích đu
Cách dễ hiểu nhất là nghĩ về chiếc xích đu ở sân chơi. Mỗi xích đu có một nhịp đung đưa riêng, tuỳ chiều dài dây. Muốn đẩy em bé lên cao, ta không cần đẩy mạnh, chỉ cần đẩy nhẹ đúng lúc xích đu vừa quay về. Mỗi cú đẩy nhỏ thêm vào một chút năng lượng, và xích đu lên cao dần. Nếu đẩy sai nhịp, có lúc đẩy đúng có lúc đẩy ngược, xích đu chẳng lên được bao nhiêu.
Mọi vật đàn hồi đều có một hoặc nhiều nhịp dao động tự nhiên như vậy, gọi là tần số riêng. Dây đàn, mặt trống, thanh thép, cây cầu, cột không khí trong chai, và cả chiếc ly thuỷ tinh. Khi một lực bên ngoài tác động lặp lại đúng bằng tần số riêng đó, vật rung mạnh hơn hẳn so với bị tác động ở tần số khác. Đó là cộng hưởng.
Chiếc ly "hát" như thế nào
Gõ nhẹ thìa vào thành ly thuỷ tinh mỏng, ta nghe một tiếng "ting" ngân dài. Tiếng ấy chính là tần số riêng của ly: thành ly co giãn nhẹ, miệng ly méo qua méo lại thành hình bầu dục hàng trăm lần mỗi giây. Ly mỏng, cao và rỗng thường ngân lâu và trong; ly dày, nặng thì tiếng "cộc" tắt nhanh.
Một cách khác để nghe tần số riêng của ly là nhúng ngón tay vào nước rồi miết đều quanh miệng ly. Ma sát giữa ngón tay ẩm và thuỷ tinh tạo ra những cú "giật – trượt" liên tiếp, đúng nhịp với dao động của ly, và ly bắt đầu hát một nốt ngân nga. Rót thêm nước vào ly, nốt trầm xuống, vì thành ly phải kéo theo nước khi rung nên chậm lại.
Năm 1761, Benjamin Franklin dựa trên chính hiện tượng này để chế ra một nhạc cụ gọi là armonica thuỷ tinh: một dãy bát thuỷ tinh lồng vào nhau trên trục quay, người chơi chạm ngón tay ướt vào vành bát để tạo nốt. Nhạc cụ này từng được ưa chuộng ở châu Âu cuối thế kỷ 18.
Điều kiện để giọng người làm vỡ ly
Từ hiện tượng chiếc ly ngân tới chuyện giọng hát làm vỡ ly là một khoảng cách lớn. Phải hội đủ nhiều điều kiện cùng lúc:
| Điều kiện | Vì sao cần |
|---|---|
| Đúng tần số riêng của ly | Lệch một chút là các cú đẩy không còn cộng dồn. Người hát phải nghe tiếng "ting" của ly rồi hát trùng đúng nốt đó. |
| Rất to, ngay sát miệng ly | Năng lượng đưa vào phải lớn hơn phần ly tự mất đi qua ma sát. Các lần trình diễn thành công thường cần mức âm trên khoảng 100 dB sát ly. |
| Giữ nốt đủ lâu và đều | Biên độ rung tăng dần qua hàng trăm, hàng nghìn chu kỳ, không phải tức thì. |
| Ly mỏng, ít "giảm chấn" | Ly pha lê mỏng ngân lâu, tức mất năng lượng chậm, nên dễ tích tụ rung động. Ly dày, ly nhựa gần như không thể. |
| Có sẵn khuyết tật nhỏ | Vết xước, bọt khí, chỗ mỏng không đều là điểm vết nứt bắt đầu. |
Đã có những lần trình diễn được quay phim trong điều kiện kiểm soát, cho thấy một người có giọng khoẻ, luyện kỹ có thể làm vỡ ly pha lê bằng giọng không qua loa khuếch đại. Nhưng đó là ngoại lệ hiếm, cần nhiều lần thử. Trong lớp học vật lý, thí nghiệm phổ biến hơn là dùng loa phát đúng tần số riêng với công suất lớn, có thể quan sát miệng ly méo đi rõ rệt dưới đèn nhấp nháy trước khi vỡ.
Còn những giai thoại kiểu một danh ca opera nổi tiếng thế kỷ trước "hát vỡ ly trong tiệc" thì phần lớn không có bằng chứng ghi lại rõ ràng; nên coi là chuyện kể.
Cộng hưởng ở khắp nơi quanh ta
Chiếc ly vỡ chỉ là ví dụ ngoạn mục. Thật ra cộng hưởng có mặt trong hầu hết mọi âm thanh hay ho ta nghe hằng ngày:
- Hộp đàn: dây đàn một mình phát tiếng rất nhỏ. Thân đàn ghi-ta, bầu cộng hưởng của đàn bầu, ống tre của đàn t'rưng cộng hưởng với dây và khuếch đại tiếng ra.
- Giọng nói: dây thanh chỉ tạo tiếng ù, còn họng, miệng, mũi cộng hưởng ở những tần số khác nhau để nặn ra nguyên âm a, i, u.
- Ống tai của chính ta: ống tai ngoài dài khoảng 2,5 cm, kín một đầu, cộng hưởng ở khoảng 3.000 Hz. Nhờ vậy tai nhạy đặc biệt với vùng tần số này, trùng với nhiều phụ âm của tiếng nói.
- Âm thoa "hát theo": đặt hai âm thoa cùng tần số trên hai hộp gỗ cạnh nhau, gõ một chiếc rồi chặn nó lại, ta vẫn nghe chiếc kia ngân. Nó đã nhận năng lượng qua không khí nhờ cộng hưởng.
- Tiếng ù của đồ vật: xe chạy qua, một ô cửa kính hay nắp nồi bỗng rung lạch cạch ở một tốc độ máy nhất định, rồi im khi máy chạy nhanh hơn. Đó là lúc rung của động cơ trùng tần số riêng của ô kính.
Khi cộng hưởng làm hỏng công trình
Kỹ sư phải tính kỹ cộng hưởng khi xây cầu, nhà cao tầng, máy móc. Vài câu chuyện thường được nhắc:
- Cầu treo Broughton, Anh, năm 1831: một đoàn lính đi đều bước qua cầu, cầu rung mạnh rồi sập một phần. Từ đó trong quân đội Anh hình thành thói quen "phá nhịp bước" khi qua cầu, để bước chân không trùng nhịp với cây cầu. Cầu này vốn đã có điểm yếu ở chốt nối, nên nhịp bước chỉ là giọt nước tràn ly.
- Cầu Tacoma Narrows, Mỹ, năm 1940: hay được kể là "sập vì cộng hưởng với gió". Thực ra các kỹ sư ngày nay giải thích đây là hiện tượng rung do gió phức tạp hơn, gọi là dao động tự kích (flutter): gió không thổi theo nhịp nào, chính chuyển động của mặt cầu làm lực gió thay đổi và nuôi dao động. Đây là ví dụ hay về một "chuyện ai cũng biết" mà vẫn bị kể sai.
- Cầu đi bộ Thiên niên kỷ, London, năm 2000: vừa khánh thành đã lắc ngang khi đông người. Bước chân người đi đường vô thức khớp nhịp với độ lắc của cầu, làm nó lắc thêm. Cầu phải đóng cửa để lắp thêm bộ giảm chấn.
Cách chống cộng hưởng trong kỹ thuật thường là: làm vật cứng hơn để đẩy tần số riêng ra xa nguồn rung, thêm bộ giảm chấn để vật mất năng lượng nhanh hơn, hoặc tránh cho máy chạy lâu ở đúng tốc độ "nguy hiểm".
Góc nhìn hôm nay: thử cộng hưởng an toàn ở nhà
Không cần, và không nên, thử làm vỡ ly. Mảnh thuỷ tinh rất sắc, còn hét thật to sát vật thể thì hại cả cổ họng lẫn tai. Những thí nghiệm sau vừa vui vừa an toàn:
- Ly hát: lấy một ly thuỷ tinh mỏng chân cao, giữ chặt đế, nhúng ngón tay vào nước rồi miết đều quanh miệng ly. Đổi lượng nước để đổi nốt. Có thể xếp vài ly để "chơi" vài nốt nhạc.
- Con lắc đôi: treo hai con lắc dài bằng nhau trên cùng một sợi dây ngang. Đẩy một con, sau ít lâu con kia cũng đung đưa theo, rồi năng lượng chuyền qua lại giữa hai con.
- Đàn ống hút: cắt vài ống hút dài ngắn khác nhau, thổi ngang qua miệng ống (bịt đầu dưới bằng ngón tay) để nghe cột không khí cộng hưởng.
Muốn đọc thêm, chương "Dao động cưỡng bức – cộng hưởng" trong sách vật lý phổ thông giải thích kỹ phần toán; còn ai thích nhạc cụ có thể tìm hiểu cách các nghệ nhân chọn gỗ, khoét bầu cộng hưởng cho đàn bầu, đàn đáy.
Câu hỏi thường gặp
Giọng hát có làm vỡ ly được không?
Có, nhưng rất hiếm và khó. Người hát phải giữ đúng tần số riêng của ly, đủ to và lâu, và ly phải mỏng, có sẵn chỗ yếu. Đa số người, kể cả ca sĩ, không làm được việc này với ly thông thường.
Cộng hưởng là gì?
Cộng hưởng là hiện tượng một vật dao động rất mạnh khi bị tác động lặp lại đúng bằng tần số dao động tự nhiên của nó. Mỗi lần tác động cộng dồn năng lượng lên lần trước, giống như đẩy xích đu đúng nhịp.
Vì sao miết ngón tay ướt quanh miệng ly lại phát ra tiếng?
Ngón tay ẩm bám rồi trượt liên tục trên thuỷ tinh, tạo ra những cú đẩy nhỏ đúng nhịp dao động riêng của ly. Ly cộng hưởng và ngân thành một nốt; thêm nước vào thì nốt trầm xuống.
Vì sao lính được dặn không đi đều bước khi qua cầu?
Bước chân đều có thể trùng với tần số riêng của cầu và làm cầu rung mạnh dần. Sau vụ sập cầu treo Broughton ở Anh năm 1831, thói quen phá nhịp bước khi qua cầu được áp dụng để tránh rủi ro này.
Cầu Tacoma Narrows sập vì cộng hưởng phải không?
Cách kể này phổ biến nhưng chưa chính xác. Các kỹ sư giải thích cầu sập vì dao động tự kích do gió (flutter): chính chuyển động của mặt cầu làm lực gió thay đổi và nuôi dao động, chứ không phải gió thổi theo một nhịp đều trùng tần số riêng.
