HỎI. Bạn cần phải thả một miếng thịt bò bít tết từ độ cao nào để nó bị nướng chín khi chạm đất?
— Alex Lahey
ĐÁP. Tôi hy vọng là bạn thích món bít tết tái Pittsburgh[1] của mình. Và bạn có lẽ cần phải rã đông nó sau khi nhặt lên.
Mọi vật thể sẽ trở nên rất nóng khi chúng trở về từ không gian. Khi chúng đi vào bầu khí quyển, không khí bị nén lại phía trước vật do không kịp dạt ra – và không khí bị nén làm vật nóng lên. Nói chung, hiệu ứng trên bắt đầu xảy ra ở tốc độ khoảng hơn Mach 2. (Đó là lý do mép trước của cánh máy bay Concorde[2] được làm bằng vật liệu chịu nhiệt.)
Vận động viên nhảy dù Felix Baumgartner đã nhảy từ độ cao 39 km và đạt tốc độ Mach 1 ở độ cao khoảng 30 km. Khi đó, không khí bị nóng lên một vài độ nhưng không gây hiệu ứng nào đáng kể vì nhiệt độ tại độ cao đó thấp hơn nhiệt độ đóng băng nhiều. (Trước khi anh ta nhảy, nhiệt độ vào khoảng âm 40 độ, một điểm nhiệt độ kỳ diệu vì bạn không cần quan tâm đó là độ F hay độ C, nó như nhau cho cả hai nhiệt giai.)
Theo như những gì tôi biết thì câu hỏi về miếng thịt bít tết này trước đây đã được nói đến trong một thread dài dòng trên trang 4chan, cuộc tranh luận nhanh chóng chia thành những lời đả kích chứa thông tin nghèo nàn trong lĩnh vực vật lý xen lẫn những câu thóa mạ đồng tính luyến ái. Câu chuyện rốt cuộc đã chẳng đi đến đâu.
Với cố gắng tìm ra một câu trả lời tốt hơn, tôi đã chạy một loạt các mô phỏng khi miếng thịt được thả rơi từ những độ cao khác nhau.
Một miếng thịt bò 220 gram có hình dạng và kích cỡ khá giống một đĩa tròn khúc côn cầu nên tôi áp dụng các hệ số cản lấy từ trang 74 của cuốn Vật lý về môn khúc côn cầu cho miếng thịt của mình (đích thân tác giả Alain Haché đã sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm để đo nó). Miếng thịt không phải là đĩa puck khúc côn cầu, nhưng hệ số cản chính xác hóa ra lại không tạo ra nhiều khác biệt ở kết quả thu được.
Do việc trả lời những câu hỏi dạng này thường bao gồm việc phân tích những đối tượng bất thường trong những điều kiện vật lý cực đoan, mà tôi thường chỉ có thể tìm thấy trong những nghiên cứu quân sự của Mỹ từ thời chiến tranh Lạnh. (Rõ ràng là chính phủ Mỹ đã chi hàng đống tiền vào bất cứ vấn đề gì, dù chỉ có hơi chút liên quan đến nghiên cứu vũ khí.) Để biết không khí sẽ làm nóng miếng thịt như thế nào, tôi đã đọc những bài nghiên cứu về quá trình nóng lên ở phần mũi của những tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) khi chúng tái nhập khí quyển. Hai trong số những nghiên cứu hữu ích nhất là “Những dự đoán về sự nung nóng khí động của đầu tên lửa chiến thuật” và “Tính toán về lịch sử nhiệt độ khi tái nhập của tàu.”
Sau cùng, tôi phải tìm hiểu xem chính xác thì tốc độ truyền nhiệt qua một miếng thịt là như thế nào. Tôi bắt đầu xem một số bài báo về sản xuất thức ăn công nghiệp, trong đó mô phỏng luồng nhiệt đi qua các phần khác nhau của miếng thịt. Tôi phải mất kha khá thời gian mới nhận ra có một cách dễ hơn nhiều để biết được cách kết hợp thời gian và nhiệt độ nào sẽ có hiệu quả trong việc làm nóng các lớp khác nhau của miếng bít tết: đó là xem một cuốn sách nấu ăn.
Cuốn sách tuyệt vời Bếp núc với dân khoa học (Cooking for Geeks) của Jeff Potter đưa ra những thông tin khoa học về việc nấu món thịt, đồng thời giải thích ảnh hưởng của các mức nhiệt độ lên món bít tết và tại sao. Cuốn Khoa học nấu ăn ngon (The Science of Good Cooking.) của Cook cũng rất hữu dụng.
Kết hợp tất cả thông tin lại, tôi nhận thấy rằng miếng thịt sẽ tăng tốc nhanh tới khi chúng rơi tới độ cao khoảng 30 – 50 km, nơi không khí đủ đặc để bắt đầu làm nó rơi chậm lại.
Tốc độ rơi của miếng thịt giảm đều khi không khí trở nên đặc hơn. Bất kể đang rơi nhanh đến thế nào thì khi xuống tới các lớp khí quyển thấp hơn, nó nhanh chóng giảm tới vận tốc rơi bão hòa. Dù độ cao ban đầu của miếng thịt là bao nhiêu, nó luôn mất sáu hoặc bảy phút để rơi từ độ cao 25 km xuống mặt đất.
Ở phần lớn đoạn đường 25 km này nhiệt độ không khí ở dưới mức đóng băng, nghĩa là miếng thịt sẽ phải hứng chịu những trận gió lạnh không ngớt dưới 0 độ, mạnh như trong những trận bão suốt sáu đến bảy phút. Thậm chí nếu miếng thịt chín trong khi rơi, thì bạn có lẽ sẽ phải rã đông nó khi rơi xuống đất.
Miếng thịt chạm đất với vận tốc rơi bão hòa khoảng 30 ms. Để hình dung ra chuyển động đó, bạn hãy tưởng tượng miếng thịt bị ném xuống đất bởi một tay ném bóng chày chuyên nghiệp. Nếu miếng bít tết bị đông lạnh, dù chỉ một phần, nó rất dễ vỡ vụn. Nhưng nếu nó rơi xuống nước, bùn hoặc lá cây có lẽ không sao.[3]
Một miếng thịt rơi từ độ cao 39 km có khả năng sẽ không vượt qua được bức tường âm thanh, không như Felix. Nó cũng sẽ chẳng bị nóng quá nhiều. Điều này phù hợp với việc quần áo của Felix đã không bị cháy sém khi anh tiếp đất.
Những miếng thịt có lẽ vẫn có thể còn nguyên vẹn khi vượt qua bức tường âm thanh. Ngoài Felix ra vẫn có những phi công phải phóng ra khỏi máy bay ở tốc độ siêu thanh và còn sống để kể về nó.
Để vượt qua bức tường âm thanh, bạn sẽ cần phải thả miếng thịt từ độ cao khoảng 50 km. Nhưng tầm đó không đủ để làm chín miếng thịt.
Chúng ta phải lên cao hơn.
Nếu được thả rơi từ độ cao 70 km, miếng thịt sẽ chuyển động nhanh đến mức bị không khí nóng 180°C (350°F) nướng cháy trong phút chốc. Không may là đợt hun nóng này chỉ kéo dài một phút, và bất kỳ ai có kinh nghiệm bếp núc cơ bản đều có thể nói cho bạn biết rằng một miếng thịt đặt vào lò nướng ở 180°C trong 60 giây sẽ không chín được.
Từ độ cao 100 km – ranh giới được định nghĩa chính thức của rìa không gian – bức tranh cũng không sáng sủa hơn. Miếng thịt có một phút rưỡi ở tốc độ trên Mach 2. Bề mặt ngoài miếng thịt có thể sẽ cháy sém nhưng nó sẽ không thực sự chín do thời gian gia nhiệt ngắn ngủi sẽ nhanh chóng bị thay thế bởi những luồng gió giá lạnh ở tầng bình lưu.
ở tốc độ siêu thanh cấp 1 và cấp 2,[4] một sóng xung kích hình thành quanh miếng thịt bảo vệ nó khỏi những cơn gió càng ngày càng mạnh. Các tính chất cụ thể của mặt đầu sóng xung kích này – và cả áp suất cơ học (ứng suất) lên miếng thịt – phụ thuộc vào việc một miếng phi lê sống 220 gram lộn vòng như thế nào ở tốc độ siêu thanh cấp 2. Tôi đã tìm kiếm tài liệu nhưng không thể tìm thấy bất kỳ nghiên cứu nào về vấn đề này.
Để tiện cho mô phỏng này, tôi giả định rằng ở các tốc độ thấp hơn một vài dạng xoáy được hình thành lật ngược miếng thịt, trong khi ở tốc độ siêu thanh cấp 2 miếng bít tết bị nén thành hình dạng phỏng cầu kém ổn định. Tuy nhiên, giả định này chẳng khác nào đoán bừa. Nếu ai đó trong các bạn đặt một miếng bít tết vào trong một hầm lốc siêu thanh cấp 2 để có dữ liệu tốt hơn về điều này, làm ơn cho tôi xin đoạn phim tư liệu.
Nếu bạn thả miếng thịt từ độ cao 250 km, mọi thứ bắt đầu nóng lên; 250 km là nằm trong vùng quỹ đạo thấp của Trái đất. Tuy nhiên, vì miếng thịt được thả rơi từ trạng thái đứng yên nên nó sẽ không chuyển động nhanh như một vật tái nhập từ quỹ đạo.
Trong trường hợp này, miếng thịt đạt tốc độ tối đa Mach 6, và mặt ngoài của nó thậm chí có thể bị cháy sém rất thơm. Nhưng không may là phần bên trong vẫn chưa chín. Trừ phi nó lộn vòng với tốc độ siêu thanh cấp 2 và vỡ tung thành từng mảnh.
Từ các độ cao lớn hơn, sức nóng bắt đầu thực sự đáng kể. Sóng xung kích phía trước miếng thịt nóng tới hàng nghìn độ (Fahrenheit hay Celsius đều đúng cả). Vấn đề là nhiệt độ này đốt cháy hoàn toàn mặt ngoài của miếng thịt, biến nó thành một lớp carbon. Nói cách khác, bít tết đã cháy thành than.
Việc miếng thịt cháy đen khi rơi vào lửa là chuyện bình thường. Vấn đề là ở chỗ việc cháy đen ở tốc độ siêu thanh cấp 2 sẽ làm cấu trúc của lớp thịt cháy đó không còn nguyên vẹn, và phần đó sẽ bị gió thổi bay, lộ ra một lớp mới và lại cháy thành than. (Nếu nhiệt độ đủ cao, lớp bề mặt sẽ đơn giản là bị thổi bay do bị đốt nóng quá nhanh. Hiện tượng này có liên quan tới “vùng bào mòn” đã được mô tả trong các bài báo về tên lửa đạn đạo xuyên lục địa ICBM.)
Thậm chí từ những độ cao đó, miếng thịt vẫn không được gia nhiệt đủ lâu để chín hẳn.[5] Chúng ta có thể thử ở những tốc độ cao hơn nữa, và có thể kéo dài thời gian rơi bằng việc thả xiên nó từ quỹ đạo.
Nhưng nếu có đủ nhiệt độ hoặc thời gian cháy, miếng thịt sẽ bị tróc dần ra do lớp ngoài cùng liên tục bị đốt cháy và bị thổi bay. Nếu phần lớn miếng thịt còn lại có thể chạm mặt đất, bên trong nó vẫn sống.
Đó là lý do tại sao ta nên ném miếng bít tết xuống Pittsburgh.
Có một giai thoại nổi tiếng là những công nhân thép ở Pittsburgh đã nấu món bít tết bằng cách đặt chúng lên bề mặt kim loại nóng sáng đang ra lò ở các xưởng đúc, cháy đen bên ngoài trong khi bên trong vẫn sống. Đây được cho là nguồn gốc của cụm từ “thịt tái Pittsburgh.”
Vậy, hãy thả miếng thịt của bạn từ một tên lửa đạn đạo, gửi một đội tìm kiếm để mang nó về, phủi qua rồi hâm nóng nó, cắt bỏ những phần bị cháy thành than, và thưởng thức.
Chỉ cần bạn đề phòng vi khuẩn que gây bệnh đường ruột salmonella. Và cả chủng Andromeda[6].
❀ ❀ ❀
[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.
[2] Trong phim Star Wars, con tàu Death Star bắn một chùm tia phá hủy toàn bộ Alderaan chỉ trong một phần tí teo của giây. (ND)
[3] Một khẩu súng vạn năng, không thể bị phá hủy nhưng ta có thể nắm giữ mà không lo cánh tay bị xé nát. Đừng lo lắng, chuyện đó sau này sẽ xảy ra ngay!
[4] …trừ phi Kyp Durron sử dụng Thần lực để lôi nó lên.
[5] Nguyên văn: Tickling the dragon’s tail.
[6] Khi kéo tay ra, hãy để ý đến những triệu chứng của bệnh giảm áp suất do các bọt nitơ trong mạch máu ở tay.
