🚀 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.
