Câu lạc bộ dù lượn Hà nội - Hanoi Paragliding Club
Giới thiệu | Huấn luyện | Thiết bị | Thời tiết | Thành viên | Diễn đàn

Huấn luyện

Các yếu tố vật lý trong dù lượn (Phần 1)
© Stuart Caruk
Bùi Thái Giang dịch

Vì sao chúng ta lại bay như cách chúng ta hiện đang bay

Gần đây đã có rất nhiều thảo luận về những nguy hiểm liên quan đến dù lượn cấp cao hơn, bay nhanh hơn. Nó đặt ra vấn đề phải chăng chúng ta đã đẩy quá xa trong nỗ lực nâng cao hơn nữa tính năng biểu diễn của dù. Trong những cuộc thi đỉnh cao của các phi công giàu kinh nghiệm đã có một số lượng cao khác thường phải mở dù dự bị khi sử dụng dù DHV 3.

Gần đây hơn, có xu hướng ngày càng nhiều phi công chuyển sang sử dụng vòm dù DHV 2 hoặc 1-2. Nhiều phi công cho biết họ muốn có khả năng kiểm soát một cái vòm dù cấp trung bình hơn nhiều so với những gì mà họ có thể đạt được về tính năng. Nhiều phi công gần đây đã chuyển từ các dù lượn cấp cao cũ sang các vòm dù DHV 1-2 hoặc 2 và nhận thấy là mất mát đôi chút về tính năng nhưng dễ hơn nhiều trong việc giữ vòm dù ở trên đầu cũng như dựng vòm dù.

Nhiều vòm dù mới cấp DHV 1-2 có tính năng thậm chí còn cao hơn các vòm dù cấp trung trước đây, cũng chỉ mới vài năm gần đây thôi. Bởi vì đã có những cải tiến về tính năng đặc biệt nên các vòm dù này sẽ phải bay khác và đòi hỏi phi công phải dự liệu trước các chuyển động của vòm dù. Một điều dễ nhận thấy khi chơi dù lượn là nhiều phi công thiếu những hiểu biết cơ bản về lý thuyết bay. Khá nhiều phi công coi các thông tin này là hiển nhiên mà không tìm hiểu xem nguồn gốc, một thiếu sót hết sức nghiêm trọng khi xét đến các rủi ro liên quan có thể xảy ra. Không có gì phức tạp về mặt vật lý học của quá trình bay, và qua loạt bài viết này tác giả muốn nâng cao kiến thức và củng cố quy trình ra quyết định và cung cấp cho phi công kiến thức để bay tốt hơn và an toàn hơn. Nếu chúng ta đang bay một vòm dù cũ hơn và cân nhắc mua một vòm dù mới hơn, hoặc nếu đã lên đến trình độ biểu diễn cao hơn thì loạt bài này chắc chắn sẽ giúp chúng ta thực sự sử dụng được đầy đủ tiềm năng của cánh dù lượn của mình.

Để đánh giá tính năng của bất kỳ cái dù nào chúng ta cần hiểu rõ các yếu tố tác động đến lực nâng và cản, tỷ lệ dài-rộng (Aspect Ratio -- Tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của cánh dù hoặc tỷ lệ tương quan = [span -- sải cánh]mũ 2/area -- diện tích), đường cong cực (polar curve) của vòm dù. Để làm rõ xem các yếu tố trên tác động thế nào đến tính năng của dù chúng ta cần xem xét một số các khái niệm cơ bản.

Lực nâng là yếu tố cực kỳ quan trọng giúp ta bay lên được. Vì mục đích thảo luận ở đây chúng ta sẽ coi lực nâng là yếu tố khí động đỡ trọng lượng của chúng ta trong khi bay. Trong bài tiếp theo ta sẽ thảo luận cách điều khiển dù bay của mình như thế nào để tận dụng tối đa những lợi thế của cái cánh bay. Còn hiện tại ta chỉ cần xem xét một số vấn đề đơn giản. Với hầu hết các cánh bay đang được sử dụng nói chung hiện nay, có thể thấy rằng về cơ bản chúng có mặt dưới phẳng và mặt trên cong. Kể từ chuyến bay đầu tiên điều mà ta thường được nghe nói là cánh tạo ra lực nâng bởi vì dòng khí thổi vào cánh bị tách khi chạm mép trước vòm dù, một ít không khí chảy lên trên cánh và phần kia chảy dưới cánh rồi tái hợp khi chạm mép sau vòm dù. Do không khí chuyển động ở trên cánh với quãng đường dài hơn dẫn đến áp suất giảm ở mặt trên của cánh. Sự khác biệt về áp suất làm cho cánh bị hút lên và do vậy được gọi là lực nâng. Một số chúng ta có thể được nghe là cánh làm đổi hướng không khí xuống phía dưới giống như cách trong lướt ván để lướt được trên mặt nước, và đây là cách mà lực nâng được tạo ra. Thực ra cả hai cách nói trên đều đúng, nhưng đa phần lực nâng được tạo ra là do có sự khác nhau về áp suất giữa hai mặt trên và dưới của cánh.

Muốn kiểm chứng ư? Hãy thực hiện một thí nghiệm đơn giản. Lấy một tờ giấy cứng và đặt nằm ngang trên mặt tấm kính. Đặt một quyển sách ở trên tờ giấy gần nhưng không chạm vào tờ giấy. Nhấc nhanh quyển sách. Điều gì sẽ xảy ra? Tờ giấy bị nâng lên theo quyển sách. Tại sao? Nhấc quyển sách lên sẽ làm giảm áp suất ở phía trên tở giấy, và tờ giấy bị nâng lên vào chỗ áp suất thấp hơn giống như ta được nâng lên khi bay.

Lực nâng là tốt, lực cản là xấu, nhưng chúng ta lại cần cả hai để bay được. Bằng cách học để vận dụng tổng lực cản trên cánh bay, chúng ta có thể cải thiện đáng kể tính năng khi bay. Về cơ bản có 2 loại lực cản đối với dù lượn trong khi bay:

Cản hình học hay ngoại biên: là lực cản xuất hiện khi chuyển động hình dáng cơ bản của cánh, các đường và phi công trong không khí. Rất dễ để đưa ra ví dụ về lực cản hình học. Cho xe chạy trên đường nhưng mở cửa sổ, và chìa tay thẳng đứng ra ngoài cửa sổ. Nếu đi chậm, thì có thể giữ tay ở một chỗ dễ dàng . Khi tăng dần tốc độ ta sẽ thấy ngày càng khó để giữ tay khỏi bị thổi về phía sau vì lực cản ngày càng tăng. Xoay tay nằm ngang ra theo hướng xe chạy sẽ làm giảm đáng kể lực cản và do vậy sẽ dễ dàng giữ tay ở một chỗ. Chú ý* Một điều hiển nhiên là chớ nên thử như thế khi xe chạy nhanh. Một người cũng là phi công đã thử làm như thế khi đang bay bằng cách mở ô cửa nhỏ trên [buồng lái] máy bay thể thao trong khi đang bay ở tốc độ 160 MPH (257.5 km/h). Kết quả là anh này bị gẫy 3 ngón tay khi bị gió dập tay vào cạnh sau của ô cửa này!

Nhìn vào hình 1, ta có thể thấy là không có lực cản khi tốc độ không khí là 0, và lực cản sẽ tăng theo cấp hàm mũ khi tăng tốc độ không khí. Theo lý thuyết, lực cản tăng bằng bình phương tốc độ. Điều đó có nghĩa là nếu ta đi nhanh gấp đôi, lực cản sẽ tăng lên 4 lần. Với máy bay thông thường, lực cản cao hơn rất nhiều so với dù lượn do có tốc độ cao hơn. Điều đó giải thích vì sao máy bay phải bay trên một quãng đường dài để thu càng và nói chung chế tạo máy bay càng nhẵn càng tốt. Do dù lượn bay với tốc độ thấp hơn nên ích lợi từ việc tạo hình khí động [để giảm sức cản] là không hiệu quả như đối với máy bay, nhưng việc giảm lực cản của cánh bay và phi công bay trong không khí chắc chắn sẽ có tác dụng tích cực. Ta có thể quan sát thấy điều này trong các cuộc thi, các phi công thường mặc đồ bay bó sát và trơn láng, ngồi với tư thế ngả người về sau, sử dụng mũ bay hình giọt nước, sử dụng dây siêu nhỏ (microline) để kết nối phi công với vòm dù.

Cản cảm ứng: là tương đối khó lượng hóa hơn một chút, nhưng nó được tạo ra như là sản phẩm phụ của việc tạo lực nâng. Chúng ta đều biết là áp suất cao hơn ở mặt dưới cánh và áp suất thấp hơn ở mặt trên cánh. Chúng ta cũng biết là sự khác biệt về áp suất cùng với việc làm lệch hướng dòng khí tạo ra lực nâng giúp ta bay được. Chúng ta nói chung không quan tâm nhiều đến việc những khác biệt về áp suất như vậy tác động lên chuyển động của không khí trên toàn cánh, nhưng chuyển động này lại cực kỳ quan trọng vì bất kỳ sự hòa trộn nào cũng đều làm tăng cản cảm ứng tạo bởi cánh và thậm chí triệt tiêu lực nâng quanh các đầu mút cánh.

Nếu ta cộng lại tất cả áp suất trên cánh, sẽ thấy là áp suất là cao nhất ở giữa của mặt dưới cánh và thấp nhất là ở giữa của mặt trên cánh. Dòng khí chuyển động ở cánh bị làm lệch hướng khỏi điểm có áp suất cao ở dưới cánh và về phía áp suất thấp trên mặt cánh. Điều đó làm cho dòng khí chuyển động qua cánh dù lượn bị lệch hướng theo hướng ra ngoài khỏi chỗ áp suất cao hơn ở dưới cánh và hướng vào trong ở chỗ áp suất thấp hơn ở trên mặt cánh.

Hình 1: Đường cong lực cản

Khi không khí rời khỏi mép sau cánh sẽ tạo thành xoáy vì có sự dịch chuyển trên toàn cánh về hướng của không khí. Khối khí xoáy dần tạo thành hai dòng xoáy đằng sau cánh chuyển động ngược chiều kim đồng hồ ở mép phải còn theo chiều kim đồng hồ ở mép trái khi nhìn từ phía sau cánh. Khối khí xoáy này là nguyên nhân gây ra lực cản liên quan đến lực nâng được tạo ra. Nó sẽ hút cánh về phía sau nhằm lấp khoảng trống được tạo ra giống như là có ai đó bám giữ sau xe lúc chuẩn bị vượt đèn giao thông. Hiệu ứng này được mô tả trong Hình 2.

Các cột khí xoáy này thực ra là các lốc xoáy nhỏ chuyển động theo chiều ngang và nên được hiểu theo đúng nghĩa này. Vì những lý do mà chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ dưới đây, cánh tải nặng, bay ở góc tấn lớn có thể tạo ra những rối loạn trong không khí (*). Nếu muốn thấy một hình ảnh rõ ràng ta có thể đến bất cứ một sân bay nào khi trời hơi mưa hoặc sương mù để quan sát các dòng lốc xoáy tạo ra sau đầu mút cánh các máy bay. Nhiều máy bay hạng nhẹ đã bị lật nhào hoặc đập xuống đất trong quá trình cất hạ cánh đằng sau máy bay hạng nặng hơn do gặp phải rối loạn không khí. Nếu ta bay theo sau một dù lượn khác, đặc biệt là tải nặng và chuyển động chậm; có nhiều khả năng sẽ gặp phải như nhẹ thì một chút gió va đập còn nặng thì xẹp hoàn toàn vòm dù, tùy theo cách ta bay vào hay cắt qua.

Hình 2: Chuyển động của không khí trên toàn bộ cánh

Cản cảm ứng tạo ra do chuyển động của cánh trong không khí có liên quan trực tiếp đến tỷ lệ dài-rộng của cánh. Tỷ lệ dài rộng của cánh là tỷ số của sải cánh trung bình chia cho khổ cánh trung bình. Nhìn vào hình 3 ta có thể thấy là tác dụng của hai cánh khác nhau có cùng diện tích. Cánh bên trái thì ngắn, mập và có tỷ lệ dài rộng của cánh thấp điển hình cho dù lượn giành cho người mới chơi. Ở bên phải, là cánh có tỷ lệ dài rộng của cánh là cao điển hình cho cánh dù của người bay ở cấp trung hay thi đấu. Ta có thể thấy cánh dù có tỷ lệ dài rộng của cánh cao sẽ tạo ra ít cản cảm ứng, bởi vì không khí phải đi trên quãng đường ít hơn trên cánh và do đó không khí bị lệch hướng hay lực cản tạo ra được giảm thiểu.

Cản cảm ứng tăng lên khi tốc độ giảm đi bởi vì dòng khí bị lệch hướng trên toàn bộ cánh. Nếu một cánh chuyển động nhanh trong không khí, nó không mấy khi bị lệch trên toàn cánh. Để không khí chuyển động chậm lại một chút trên cánh và không khí bị lệch hướng thêm. Điều này làm không khí bị trộn vào nhau nhiều hơn và tạo ra xoáy lóc lớn hơn và tăng cản cảm ứng. Lực cản sẽ tiếp tục tăng cho đến điểm tại đó cánh dù thất tốc.

Nếu ta quan sát một tàu lượn ta có thể nhận thấy là cánh của nó rất hẹp và dài. Khi ta cho rằng nói chung là bay ở tốc độ thấp thì ta có thể lý giải được lý do tại sao người ta lại thiết kế như vậy. Do nó bay chậm nên cản hình học không phải là điều đáng lo ngại so với cản cảm ứng, và cản cảm ứng đòi hỏi phải có khổ cánh ngắn nhằm giảm thời gian không khí phải đi khi di chuyển trên cánh. Ngược lại, máy bay bay với tốc độ cao quan tâm nhiều đến việc tăng cản hình học và cánh dài dẫn đến thiệt hại rất nhiều do lực cản hình học. Để giảm lực cản này, nói chung máy bay sẽ có cánh ngắn và mập. Do không khí chuyển động nhanh qua cánh mập, cho nên ít có khả năng bị lệch hướng trên toàn cánh, và do đó cản cảm ứng không phải là điều đáng lo ngại.

Do dù lượn nói chung bay chủ yếu ở tốc độ thấp, cho nên việc giảm cản cảm ứng sẽ làm cho tính năng bay tốt hơn là giảm cản hình học của cánh. Điều này dẫn đến kết luận là cánh dài và hẹp thì tốt cho mục đích của dù lượn. Và thực tế cho thấy, một số nhà thiết kế có thể đã đi quá xa dẫn đến tạo ra các cánh dù có thiên hướng làm cho nhiều phi công phải ngạc nhiên.

Trong bài tiếp theo ta sẽ xem xét đường cong cực của cánh và làm thế nào để ta sử dụng thông tin thu được để tối đa hóa tính năng bay

Hình 3: Tác động của tỷ lệ dài rộng của cánh

Xem tiếp