🚀 Vòm dù luôn tiến về phía trước
Sau khi tìm hiểu cách luồng khí chạy quanh biên dạng cánh tạo ra lực nâng để giữ chúng ta trên không, ta có thể tự hỏi làm thế nào luồng không khí này được tạo ra khi không có động cơ đẩy chúng ta đi?
🤔 Tại sao dù lượn bay được về phía trước?
Bởi vì biên dạng cánh đặc biệt có khả năng biến đổi chuyển động hướng xuống thành lực đẩy và di chuyển về phía trước. Chuyển động hướng xuống tạo ra bởi trọng lực Trái Đất và trọng lượng của dù lượn (bao gồm cả phi công và dù). Chuyển động hướng xuống này tạo ra một luồng khí đến từ bên dưới, tương tác với biên dạng cánh đặc biệt để tạo ra lực đẩy và chuyển động về phía trước. ▶ Ví dụ, nếu chúng ta đặt một vật thể có biên dạng đối xứng hình tròn vào một luồng khí thẳng đứng ổn định, sự tăng tốc của luồng khí quanh hai bên sườn sẽ tạo ra hai lực nâng ngang tự triệt tiêu lẫn nhau, Ry. ▶ Nếu biên dạng của vật thể có hình bán nguyệt, thì sẽ chỉ có một lực ngang không bị triệt tiêu, Ry, nghĩa là chuyển động hướng xuống sẽ tạo ra lực và chuyển động sang ngang. Sự tương tự này cũng đúng với biên dạng cánh cổ điển, nơi độ bo tròn quanh mép trước tạo ra lực hút về phía trước.
Chuyển động hướng xuống thường được tạo ra bởi lực trọng trường; tức là một cánh dù không có trọng lượng không thể bay về phía trước, và cánh dù càng chịu tải nặng thì lực đẩy và tốc độ tiến về phía trước càng lớn.
✨ Điều kỳ diệu nằm ở hình dáng! Cánh bay có thể được làm bằng gỗ, vải buồm, kim loại, sợi thủy tinh, nhưng chính hình dáng biên dạng đặc biệt của nó mới là thứ khiến nó bay được về phía trước. Hai cánh có cùng hình dáng nhưng khối lượng khác nhau sẽ lướt trên cùng một quỹ đạo, chỉ khác là cánh nặng hơn sẽ bay nhanh hơn, cả theo phương thẳng đứng lẫn phương ngang. Trong khí động học, các lực, vận tốc và gia tốc (hoặc các thành phần của chúng) song song với bề mặt Trái Đất được gọi là phương ngang và được ký hiệu bằng chỉ số "x" (ví dụ: Fx, Vx, ax). Các thành phần vuông góc với bề mặt Trái Đất được gọi là phương thẳng đứng và ký hiệu bằng chỉ số "y" (ví dụ: Fy, Vy, ay). Ngoài hệ quy chiếu "Trái Đất", chính các lực, vận tốc và gia tốc đó có thể được xem xét theo hệ quy chiếu bề mặt cánh. ▶ Các thành phần song song với bề mặt cánh được gọi là thành phần tiếp tuyến và ký hiệu bằng "T" (ví dụ: RT, aT). ▶ Các thành phần vuông góc với bề mặt cánh được gọi là thành phần pháp tuyến và ký hiệu bằng "N". Sử dụng cánh làm hệ quy chiếu với các thành phần pháp tuyến RN và tiếp tuyến RT của lực khí động học là cần thiết để giải thích quá trình bay lướt tự thân (self-driven gliding flight). Các thành phần khác – lực nâng (Ry) và lực cản (Rx) – bắt nguồn từ lý thuyết khí động học máy bay có động cơ và không thể giải thích được chuyển động tiến về phía trước cũng như động lực học của dù lượn. Cánh có khả năng cảm ứng chuyển hóa lực (inductive ability) để biến đổi luồng khí và chuyển động pháp tuyến (vuông góc với bề mặt - VN) thành lực tiếp tuyến (hướng tới trước và dọc theo bề mặt - RT). Trong vật lý, "cảm ứng/quy nạp" có nghĩa là tác động gián tiếp. Gián tiếp, vì vật thể không di chuyển cùng hướng với lực tác động lên nó mà di chuyển theo một hướng hoàn toàn khác. Trọng lực kéo cánh dù xuống dưới, nhưng nó phản ứng bằng cách tiến về phía trước. Bạn càng kéo nó xuống, nó bay lên trước càng nhanh. Khả năng chuyển hóa lực này phụ thuộc vào: ▶ Hình dáng biên dạng: Rõ rệt hơn ở các biên dạng dày với đường cong mặt trên lớn hơn và độ bo tròn ở mép trước nhiều hơn. ▶ Tốc độ bay: Càng cao thì khả năng chuyển hóa lực càng mạnh. Đó là lý do tại sao việc phục hồi sau thất tốc ở các cánh dù kích thước nhỏ lại gây ra những cú lao về phía trước (surge) dữ dội hơn. ▶ Góc tới: Góc tấn càng cao thì tỷ lệ thành phần pháp tuyến VN từ tổng tốc độ bay V càng lớn (nhiều không khí đi tới từ bên dưới, vuông góc với bề mặt dưới). Có một phạm vi góc tấn tối ưu mà tại đó RT và khả năng chuyển hóa lực là mạnh nhất, tùy thuộc vào biên dạng cánh. Góc tấn quá cao không phải là tốt nhất vì chúng chỉ tận dụng một phần nhỏ bề mặt cánh (đường cong ở mũi biên dạng). Lưu ý rằng các lực như RT có hiệu ứng tích lũy – bạn càng để nó hoạt động lâu, nó càng tạo ra gia tốc aT và chuyển động tiến về phía trước lớn. Nếu chúng ta thả một vòm dù lượn trong không trung, nó sẽ tăng tốc rơi xuống do trọng lực kéo. Điều này tạo ra một luồng khí từ bên dưới, luồng khí này lại tiếp tục được tăng tốc bởi độ bo tròn của mép trước, tạo ra lực hút và lực tiến về phía trước tại đó. Lực tiếp tuyến RT này sẽ bổ sung chuyển động ngang vào chuyển động rơi thẳng đứng. Ban đầu ở mức 90°, góc tấn sẽ giảm dần, và luồng khí sẽ đi đến từ một hướng mới, tác động lên một phần lớn hơn của bề mặt cong phía trên mép trước (độ võng). Điều này bổ sung thêm chuyển động về phía trước, tiếp tục khai thác bề mặt trên và bắt đầu tạo ra lực nâng cho đến khi đạt được sự cân bằng. Quá trình rơi thẳng đứng sẽ biến thành một chuyến bay lướt về phía trước.
Một ví dụ khác về khả năng chuyển hóa lực là sự bay lên của cánh dù trong quá trình cất cánh. Nó chứng minh rằng lực và chuyển động tiến về phía trước có thể được tạo ra mà không cần sử dụng trọng lực làm động cơ khi cánh dù không nằm ngang.
Khả năng chuyển hóa lực giải thích rất nhiều điều trong môn dù lượn! Nó giúp hiểu điều gì sẽ xảy ra nếu bạn ngồi vào đai quá sớm lúc cất cánh, tính ổn định và hành vi của dù lượn trong cột khí nóng (thermals) và nhiễu động, hiệu ứng chênh lệch gió (wind gradient), bay nhào lộn (acrobatics), spiral, thất tốc (stalls), spin, sập dù, cất cánh bằng tời, lý do tại sao các biên dạng "mũi cá mập" (shark-nose) khó bị thất tốc hơn, v.v.
🦅 Bay lượn
Khả năng chuyển hóa lực không thể gia tốc cánh dù tới vô hạn. Chuyển động tiến về phía trước càng nhiều thì góc tấn càng giảm, trực tiếp làm giảm "động cơ" tạo chuyển động về phía trước – tức lực tiếp tuyến RT. Sự gia tăng tốc độ bay cũng làm tăng lực cản theo cấp số nhân (V²) của các bộ phận đi kèm cánh dù – dây dù, cơ thể phi công, và đai ngồi. Do đó, tại một thời điểm nhất định, sự cân bằng lực được thiết lập, và thiết lập nên góc lướt – chuyển động tiến về phía trước thẳng đều và độ cao tụt dần.
Thông thường, người bay không thay đổi trọng lượng trong suốt chuyến bay lướt, và ngay cả khi có (ví dụ: thả túi dằn/ballast), điều này cũng không làm thay đổi tỷ lệ giữa các lực tác động. Cách duy nhất để thay đổi quỹ đạo lướt của dù lượn là thay đổi góc tấn của nó. ▶ Tăng góc tấn có thể thực hiện bằng cách kéo phanh làm gập mép sau xuống, tăng độ cong của biên dạng và sự tương tác của nó với luồng khí. Một biên dạng cong hơn tạo ra nhiều lực nâng hơn nhưng cũng nhiều lực cản hơn. Dù lượn chuyển sang một chế độ bay mới với tốc độ và độ tụt chậm hơn, đi kèm quỹ đạo lướt dốc hơn. Tại một điểm nhất định, chế độ tụt tối thiểu (minimum sink - Vy min) đạt được, mang lại thời gian bay (t) lâu nhất. Nếu ta tiếp tục kéo phanh và tăng góc tấn, ta sẽ chạm đến tốc độ bay tối thiểu hoặc tốc độ thất tốc (stall speed). Hiện tượng thất tốc bắt đầu nếu vượt qua ranh giới này. ▶ Giảm góc tấn có thể được thực hiện thông qua hệ thống tăng tốc (speed system), trong đó việc dùng chân đạp vào một thanh gác chân sẽ kéo một sợi dây, sợi dây này lần lượt kéo các dây đai (riser) A, B và C xuống. Cánh dù chuyển sang chế độ bay mới với tốc độ bay và tốc độ tụt đều cao hơn, cùng với góc lượn dốc hơn. Khi đạp hết tốc độ, ta đạt đến góc tấn tối thiểu và chế độ bay tốc độ tối đa (Vx max). Khi nhả phanh hoặc thả speed bar, chế độ bay cân bằng (trim) được khôi phục, thường là chế độ tỷ lệ lướt tốt nhất (best glide ratio - Vx/Vy = max). Chế độ này mang lại khoảng cách lướt xa nhất.
Bất kể chế độ bay nào, trọng lực và khả năng chuyển hóa lực luôn là động cơ của chuyến bay lướt. Độ cao chính là nhiên liệu.
🌍 Vì sao cần các chế độ bay khác nhau?
Thường thì dù lượn được cân bằng để bay ở tỷ lệ lướt tốt nhất (tốc độ trim), nhưng điều này chỉ xét tương đối với không khí hoặc với mặt đất khi không có gió. Khi có gió thổi (khối không khí di chuyển dọc theo mặt đất): ▶ Nếu là gió ngược (headwind), tốc độ của nó (Vx wind) bị trừ đi khỏi thành phần ngang của tốc độ bay (Vx) để ra tốc độ di chuyển so với mặt đất: Vx ground = Vx – Vx wind. ▶ Ngược lại, nếu là gió xuôi (back wind), tốc độ gió được cộng vào tốc độ bay để ra tốc độ so với mặt đất: Vx ground = Vx + Vx wind. Trong cả hai trường hợp, thời gian bay (t) là như nhau (tốc độ chìm Vy=const), nhưng chúng ta bay được khoảng cách (s) trên mặt đất khác nhau vì s = Vx ground * t.
Nếu tốc độ gió ngược cao hơn tốc độ bay của dù lượn, chúng ta sẽ bị thổi lùi so với mặt đất nhưng vẫn đang bay tới so với không khí. Tốc độ bay, hay cảm giác gió trên mặt phi công, vẫn giống hệt nhau bất kể là bay với gió xuôi 20 km/h, không có gió, hay gió ngược 300 km/h vì luồng khí, góc tấn và lực khí động học là hoàn toàn như nhau. Trọng lượng của dù lượn (G), biên dạng cánh và khả năng chuyển hóa lực khiến nó di chuyển xuyên qua khối không khí, mà bản thân khối không khí này lại có chuyển động riêng so với mặt đất.
Khi dù lượn bay qua vùng khí đi xuống (khí giáng / -Vy wind), nó làm tăng tốc độ tụt so với mặt đất (Vy ground = Vy – Vy wind), làm giảm thời gian bay (t) và khoảng cách (s), trong khi tốc độ bay tới mặt đất (Vx ground) và tốc độ không khí (Vx) vẫn giữ nguyên. Ngược lại. Khi dù lượn bay qua vùng không khí đi lên (khí thăng / + Vy wind), tốc độ này được cộng vào tốc độ tụt trong không khí của dù lượn Vy, và dù lượn giảm tốc độ tụt tương đối so với mặt đất (Vy ground = Vy + Vy wind). Điều này làm tăng thời gian bay và khoảng cách bay so với mặt đất. Nếu khối không khí bốc lên nhanh hơn tốc độ tụt tự thân của dù lượn (Vy wind > Vy), thì dù lượn sẽ tăng độ cao so với mặt đất (Vy gr > 0). Một lần nữa, dù bay trong vùng khí thăng hay vùng khí giáng, góc tấn, lực khí động học, tốc độ bay và cảm giác gió trên mặt vẫn gần như nhau, được xác định bởi chế độ bay của chúng ta – tuỳ mức độ kéo phanh hoặc đạp speed bar. Thông thường, phi công cố gắng tăng khoảng cách lướt của họ bằng cách thay đổi chế độ bay (đổi góc tấn), qua đó bù đắp một phần hoặc tận dụng ảnh hưởng của gió. Nếu muốn lướt xa hơn, chúng ta nên bay chậm khi xuôi gió hoặc trong vùng nâng, và bay nhanh khi ngược gió hoặc vùng dìm. Người mới bắt đầu nên nhớ rằng khi bay ngược gió hoặc vùng giáng, họ sẽ bay được quãng đường ngắn hơn và khi bay xuôi gió hoặc trong vùng nâng, họ sẽ bay được xa hơn. Vì vậy, hãy luôn chuẩn bị tinh thần để hạ cánh ở một nơi khác với dự kiến ban đầu. Khoảng cách lướt ngắn hơn cũng có nghĩa là bạn có ít sự lựa chọn về bãi hạ cánh hơn.
Nguồn: www.skynomad.com
— Viết bởi Nikolay Yotov - Đặng Văn Mỹ dịch
