MÁY BAY BAY ĐƯỢC LÀ DO ĐÂU?
Đa số mọi người đều có một kiểu ý tưởng nào đó về cách thức và nguyên nhân máy bay bay được, thế nhưng ít người thật sự hiểu được nó tường tận. Thật vậy, có rất nhiều thông tin sai lạc trong các sách nói về câu hỏi này. Lực nâng có thể đến từ cánh quạt, động cơ phản lực, hoặc tên lửa, nhưng ở đây chúng ta sẽ chỉ nói về cánh quạt thôi. Có ba cách tiếp cận để trả lời câu hỏi này. Thứ nhất là cái gọi là lời giải thích đơn giản, và nó dựa trên nguyên lí Bernoulli mà chúng ta đã thảo luận ở phần trước. Và tất nhiên còn có cách tiếp cận toán học cao cấp dựa trên các nguyên lí hàng không học – cách tiếp cận mà các kĩ sư hàng không học dùng để thiết kế máy bay – nó nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này. Cách tiếp cận thứ ba là cái chúng ta sẽ gọi là lời giải thích vật lí, nó dựa trên vật lí học. Nó có thể hơi phức tạp, nhưng chúng tôi sẽ cố giữ cho nó càng đơn giản càng tốt. Dẫu sao, nó là lời giải thích chính xác nhất ở mức độ này. Nó dựa trên nguyên lí Bernoulli, nhưng nó chỉ ra nhiều thứ hơn chứ không riêng gì nguyên lí này.6
Ở phần này tôi sẽ bắt đầu với cách tiếp cận đơn giản nhất bởi lẽ nó dễ hiểu nhất. Trước hết, trong lúc máy bay cất cánh và hạ cánh, cũng như khi máy bay đang bay, có bốn lực tác dụng lên nó: lực nâng, trọng lực, lực đẩy, và lực kéo theo. Như tên gọi cho biết, lực nâng là lực nâng máy bay lên khỏi mặt đất. Nó được tạo ra bởi sự tương tác giữa đôi cánh và không khí mà chúng lướt qua. Theo nguyên lí Bernoulli, áp suất không khí ở phía trên cánh giảm khi máy bay bắt đầu chuyển động vì không khí phía trên cánh chuyển động nhanh hơn so với không khí dưới mặt đất. Máy bay chuyển động càng nhanh thì độ giảm áp suất phía trên cánh càng lớn. Điều này tạo ra một chênh lệch áp suất giữa phía trên và phía dưới cánh, tạo ra một hợp lực hướng lên trên.7
Bốn lực tác dụng lên một máy bay
Ngược với lực nâng là một lực do sức nặng của máy bay, đó là trọng lực. Trong lúc cất cánh, lực nâng tăng dần dưới dạng một lực hướng lên tác dụng lên cánh, và khi cuối cùng nó lớn hơn trọng lượng của máy bay thì máy bay cất cánh. Tóm lại, máy bay rời khỏi mặt đất.
Lực thứ ba, đó là lực đẩy, là lực làm máy bay chuyển động về phía trước. Nó có thể được tạo ra bởi một cánh quạt, một động cơ phản lực, hoặc một tên lửa, nhưng ở đây chúng ta sẽ hạn chế phân tích của mình với sức đẩy do cánh quạt tạo ra. Cánh quạt được làm cong sao cho khi nó quay tròn nó đẩy không khí ra phía sau. Nó rất giống cánh máy bay ở chỗ tạo ra được hiệu áp suất, với áp suất không khí thấp hơn ở phía trước cánh quạt và áp suất không khí cao hơn ở phía sau nó. Điều này tạo ra một lực đẩy làm máy bay chuyển động về phía trước. Thế nhưng, một lần nữa, có một lực cản trở nó. Khi máy bay bắt đầu chuyển động trong không khí có sự ma sát giữa nó và không khí, và lực ma sát này được gọi là lực kéo theo. Một lần nữa, lực đẩy phải lớn hơn lực kéo theo để máy bay chuyển động về phía trước, vì hai lực ngược chiều nhau. Như đa số mọi người đều biết, lực kéo theo có thể giảm tối thiểu bằng cách uốn hình dạng của vật chuyển động. Hình “giọt nước mắt” là tốt nhất để giảm thiểu lực kéo theo.
Nếu lực nâng lớn hơn trọng lượng của máy bay, và lực đẩy lớn hơn lực kéo theo, thì máy bay rời khỏi mặt đất. Bởi thế, về cơ bản máy bay bay được là do nguyên lí Bernoulli, đó là lời giải thích được nêu ra trong đa số sách vở và báo chí đại chúng. Thế nhưng nếu bạn xét kĩ vào lời giải thích này, thì bạn dễ thấy rằng nó chưa hoàn chỉnh. Cánh không có mặt vồng (cong) cũng tạo ra lực nâng, và nếu bạn tính cần vồng lên bao nhiêu để một máy bay nhỏ cất cánh, bạn sẽ thấy độ dài phía trên cánh phải lớn hơn 50 phần trăm so với độ dài phía dưới. Điều này trông giống chiếc cánh được vẽ trong hình bên dưới, và chúng ta biết rằng ở đa số máy bay độ dài phía trên cánh chỉ lớn hơn độ dài phía dưới chừng 2 phần trăm thôi.
Lời giải thích đơn giản về lực nâng bằng nguyên lí Bernoulli
LỜI GIẢI THÍCH VẬT LÍ, CHÍNH XÁC HƠN VỀ LỰC NÂNG
Giải thích đơn giản ở trên có nhiều trục trặc. Trước tiên, nó dựa trên cái gọi là nguyên lí thời gian đi bằng nhau. Nguyên lí này nói rằng phần không khí hay thể tích không khí đi qua phía trên cánh cùng đổ về và nhập lại tại cạnh kéo lê với phần không khí hay thể tích không khí đi bên dưới. Các thí nghiệm đường hầm gió cho thấy điều này không đúng. Thể tích không khí đi qua phía trên cánh đi tới cuối cánh trước khi thể tích bên dưới đi tới nó.
Hơn nữa, kiểu giải thích Bernoulli bỏ qua thực tế rằng công được thực hiện bởi lực nâng. Lực nâng rõ ràng cần nguồn cấp và một lực. Và điều này liên quan đến định luật Newton thứ nhất. Như ta đã thấy trước đây, định luật Newton thứ nhất nói rằng một vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, và một vật chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng trừ khi chịu một lực ngoài tác dụng. Trong cách lí giải Bernoulli không có bằng chứng của một lực ngoài tác dụng. Các đường dòng phía trên và phía dưới cánh là như nhau trong cách lí giải này. Nhưng trên thực tế ta dễ thấy rằng có uốn cong của dòng không khí; điều này có nghĩa là có một gia tốc, và do đó phải có một lực tác dụng lên cánh (định luật Newton thứ hai: F = ma).
Hãy xét lực này. Định luật Newton thứ ba cho chúng ta biết rằng ứng với mỗi tác dụng có một phản tác dụng bằng về độ lớn. Ta dễ dàng chỉ ra rằng tác dụng trong trường hợp này là lực do cánh thực hiện lên không khí. Phản tác dụng là lực nâng do tác dụng này gây ra. Ta có thể hiểu điều này tốt hơn nếu ta trở lại với định luật Newton thứ hai. Các biến trong bài toán của chúng ta bao gồm lực tác dụng lên cánh, nó bằng khối lượng không khí đang chuyển động xuống dưới nhân với độ biến thiên vận tốc không khí. Đây là lực nâng tác dụng lên cánh, và thực tế nó là lượng không khí chuyển động xuống dưới trên mỗi giây nhân với vận tốc không khí hướng xuống dưới. Vì thế, nhìn tổng thể, chính vận tốc hướng xuống của không khí đem lại lực nâng. Tôi cũng nên nói rõ rằng vận tốc hướng xuống bên dưới cánh được gọi là vận tốc cuộn xuống (nó tạo ra áp suất tăng), và có một vận tốc cuộn lên ở đầu trước cánh cũng tạo ra áp suất tăng.
Lời giải thích vật lí, chính xác hơn về lực nâng, cho thấy vị trí của áp suất tăng và giảm.
Kiểu giải thích Bernoulli còn bỏ qua một thứ khác là góc tấn. Đây là góc giữa cánh (hay một đường đi qua tâm cánh) và không khí đang tiến tới. Nó có tác dụng lớn đối với lực nâng. Khi góc tấn tăng, không khí bị trệch hướng qua một góc lớn hơn và thành phần thẳng đứng của vận tốc tăng lên. Điều này gây ra một sự gia tăng lực nâng. Tuy nhiên, rốt lại, ở góc chừng 15 độ thì lực nâng đạt tối đa, và vượt quá góc này thì lực nâng giảm.
Hình vẽ cánh cho thấy góc tấn.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
