💨 Luồng khí quanh vòm dù, lực khí động học và lực nâng
Mọi vật thể chuyển động trong không khí đều tương tác với không khí bằng cách tạo ra một lực khí động học. Tốc độ di chuyển của cánh dù trong không khí được gọi là airspeed (V). Airspeed và lực khí động học luôn tồn tại, bất kể là cánh dù di chuyển qua không khí hay không khí di chuyển quanh một cánh dù đứng yên, ví dụ như trong buồng gió. Bất kỳ lực nào cũng có thể được chia thành các thành phần khác nhau dựa trên các hệ tọa độ (hệ quy chiếu) khác nhau. Lực khí động học tổng phần (R) phụ thuộc vào hướng và tốc độ di chuyển; hướng và tốc độ của luồng không khí chảy quanh cánh dù (vectơ airspeed V). Thành phần vuông góc với V được gọi là lực nâng (lift - Ry), và thành phần ngược chiều với V được gọi là lực cản (drag - Rx). Hơn nữa, chúng ta sẽ tiếp tục sử dụng những tên gọi phổ biến này, nhưng phải nhớ rằng đây không phải là những lực độc lập mà chỉ là các thành phần của một lực duy nhất – lực khí động học tổng phần R.
Lực nâng và lực cản là những khái niệm thuận tiện để giải thích cơ bản về cách hoạt động của một cánh bay. Một cánh bay sẽ hiệu quả hơn nếu nó tạo ra nhiều lực nâng hơn và ít lực cản hơn. Lực nâng có thể được tạo ra bởi: ▶ Một luồng không khí chảy quanh một vật thể được đặt bất đối xứng trong đó; ▶ Một luồng không khí chảy quanh một vật thể có hình dạng bất đối xứng; ▶ Sự kết hợp của cả hai yếu tố trên – một luồng không khí chảy quanh một vật thể có hình dạng bất đối xứng và được đặt ở vị trí bất đối xứng.
Khi một vật thể đối xứng được đặt bất đối xứng trong luồng khí, luồng khí sẽ gây ra áp suất lên bề mặt tiếp xúc của nó và tạo ra một lực khí động học vuông góc với bề mặt đó.
📐 Góc tấn
Góc giữa bề mặt vật thể và hướng của luồng không khí được gọi là góc tấn (angle of attack - α) và là một thông số bay vô cùng quan trọng. Nó xác định hướng và độ lớn của lực khí động học tổng phần, tức là độ lớn và tỷ lệ giữa thành phần lực nâng (Ry) và lực cản (Rx).
Một ví dụ điển hình về vật thể đặt bất đối xứng trong luồng khí là khi chúng ta thò tay ra ngoài cửa sổ của một chiếc ô tô đang chạy. Khi đó, ta có thể cảm nhận được lực khí động học tổng phần bằng cách thay đổi độ nghiêng của lòng bàn tay (góc tấn). ▶ Ngay cả những góc tấn nhỏ cũng làm tăng lực nâng và đẩy tay chúng ta lên trên. ▶ Góc tấn lớn hơn tạo ra nhiều lực cản hơn và đẩy tay chúng ta về phía sau. ▶ Góc tấn 90° tạo ra lực cản tối đa và hoàn toàn không có lực nâng. ▶ Góc tấn 0° giảm thiểu lực cản và cho phép tay chúng ta "cắt" qua không khí dễ dàng hơn. ▶ Góc tấn âm tạo ra lực nâng hướng xuống, đẩy tay chúng ta xuống dưới. Góc tấn âm được sử dụng trong thiết kế xe đua, nơi các cánh gió (spoiler) đặc biệt tạo ra lực khí động học hướng xuống, làm tăng áp lực xuống mặt đất và tăng độ bám của lốp xe. Điều này cho phép xe đua vào cua gấp hơn với bán kính nhỏ hơn và tốc độ cao hơn.
🔄 Nguyên lý tạo lực nâng qua hình dạng bất đối xứng
Một cách khác để tạo ra lực nâng là thông qua sự tương tác của luồng khí với một vật thể có hình dạng bất đối xứng. Quá trình này áp dụng định luật bảo toàn dòng chảy, dựa trên thực tế là vật chất và chuyển động không tự nhiên sinh ra và không tự nhiên mất đi, tức là lưu lượng dòng chảy đi vào bằng lưu lượng dòng chảy đi ra. Do đó, ở những nơi dòng chảy bị thắt hẹp, tốc độ V của nó sẽ tăng lên, và ngược lại: ▶ Bạn có thể tăng tốc độ dòng nước bằng cách dùng ngón tay bịt một phần đầu vòi tưới cây, làm nước phun xa hơn. ▶ Dòng sông chảy xiết hơn ở những đoạn bờ sông hẹp lại và chảy chậm lại ở những nơi bờ sông phình rộng ra. ▶ Gió thổi mạnh hơn qua các ngọn đồi và sườn núi vì diện tích mặt cắt ngang của luồng khí bị thu hẹp từ bên dưới so với luồng khí không có chướng ngại vật ở cùng độ cao. ▶ Bạn không thể thổi bay một quả bóng bàn ra khỏi một chiếc phễu vì diện tích mặt cắt ngang mở rộng quá nhanh của phễu làm giảm mạnh tốc độ luồng khí.
Song song với các quá trình trên, ở những khu vực tốc độ của chất lưu (V) tăng lên, áp suất xung quanh (p) sẽ giảm xuống và ngược lại. Đây được gọi là Nguyên lý Bernoulli.
▶ Súng phun sơn (airbrush) sử dụng luồng khí tốc độ cao để hút sơn từ bên dưới lên. ▶ Nếu bạn thổi không khí vào giữa hai tờ giấy đặt song song và gần nhau, áp suất tĩnh giữa chúng sẽ giảm xuống, khiến chúng xích lại gần nhau do bị đẩy bởi áp suất môi trường xung quanh (đang tương đối cao hơn). Vì hiệu ứng này, hai con tàu đi ngược chiều không nên đi qua quá sát nhau, vì tốc độ dòng chảy tương đối giữa chúng tăng lên sẽ làm giảm áp suất và có thể tạo ra lực hút, có nguy cơ làm chúng đâm vào nhau. ▶ Các biên dạng cánh bay (profile) cổ điển có bề mặt trên cong vồng lên, hoạt động như một chướng ngại vật: nó làm giảm diện tích mặt cắt ngang của luồng khí, tăng tốc luồng khí và tạo ra một vùng áp suất giảm, "hút" cánh bay lên trên.
Thông thường, việc tạo lực nâng bằng luồng khí chảy quanh một biên dạng bất đối xứng được kết hợp với việc tạo lực nâng do vật thể đặt bất đối xứng trong dòng khí. Lực khí động học R và các thành phần lực nâng, lực cản của nó phụ thuộc vào: ▶ Biên dạng của cánh (wing's profile) ▶ Góc tấn α ▶ Bình phương tốc độ airspeed V² ▶ Diện tích bề mặt cánh S ▶ Mật độ không khí ρ
⚠️ Thất tốc (stall) và các nguy hiểm
Việc tăng góc tấn trực tiếp làm tăng lực nâng, nhưng vượt quá một góc tấn nhất định, luồng khí trên bề mặt trên sẽ bị xé rách đột ngột khỏi bề mặt vòm dù, khiến nó mất đi phần lớn lực nâng. Hiện tượng thất tốc (stall) xảy ra – dù không còn bay nữa mà rơi xuống nhanh chóng, chỉ tạo ra lực cản.
Thất tốc rất nguy hiểm, bởi vì: ▶ Nó phát triển nhanh và đột ngột ▶ Cú rơi diễn ra rất nhanh và mạnh ▶ Luồng khí hỗn loạn quanh cánh dù khiến việc kiểm soát trở nên khó khăn
🚫 KHÔNG BAO GIỜ BAY VỚI GÓC TẤN QUÁ LỚN!
Vì góc tấn rất khó quan sát và đo lường, để tránh thất tốc, cách dễ nhất là chú ý đến tốc độ airspeed (tốc độ bay so với không khí) – cảm giác gió tạt vào mặt bạn. Bất kỳ thao tác kéo phanh nào cũng làm tăng góc tấn và làm chậm dù lượn lại. Do đó, nếu trong quá trình bay lướt, chúng ta: ▶ Cảm thấy bay chậm lại (giảm cảm giác gió vào mặt) ▶ Nhìn thấy tay mình đang kéo phanh quá sâu, thấp dưới hông ▶ Cảm thấy sức cản quá lớn từ cánh dù tác động lên lực kéo phanh của chúng ta 👉 ...thì khi đó chúng ta đang ở rất gần điểm thất tốc và phải phục hồi airspeed ngay lập tức bằng cách nhả phanh – CAO HẾT TAY LÊN (HANDS UP)! Cần phân biệt thất tốc (stall) với sập dù (collapse), nơi cánh dù đạt đến góc tấn âm. Luồng khí dội từ trên xuống, làm biến dạng và gập mép trước (leading edge) – phần đầu của cánh dù. Thất tốc cũng có thể làm biến dạng cánh, nhưng điều này xảy ra ở mép sau (trailing edge) – phần đuôi của cánh, và nguyên nhân là do đạt góc tấn quá cao.
Nguồn: www.skynomad.com
— Viết bởi Nikolay Yotov - Đặng Văn Mỹ dịch
