Chim bay được nhờ ba thứ đi cùng nhau: đôi cánh có mặt cắt giống cánh máy bay để tạo lực nâng, khối cơ ngực rất lớn để vỗ cánh, và một cơ thể được "thiết kế lại" cho nhẹ mà vẫn chắc. Khi vỗ xuống, cánh vừa nâng vừa đẩy chim về phía trước; khi đã có tốc độ hoặc gặp luồng khí bốc lên, nhiều loài chỉ cần giang cánh mà lượn, gần như không tốn sức.
Cánh chim là một cánh máy bay biết đổi hình
Cắt ngang cánh một con chim, ta thấy mép trước dày và tròn, mép sau mỏng, mặt trên hơi cong. Đó đúng là dáng một biên dạng cánh (airfoil). Khi không khí chảy qua, áp suất phía trên cánh thấp hơn phía dưới, luồng khí bị bẻ xuống dưới và cánh bị đẩy lên. Đây là cùng một nguyên lý với cánh máy bay, chỉ khác ở chỗ cánh chim không cố định.
Một con chim có thể gập cánh, xoè cánh, xoay cổ tay, tách rời từng lông ở đầu cánh. Nghĩa là nó đổi được diện tích cánh, độ cong và góc tấn trong từng nhịp vỗ. Máy bay phải dùng cánh tà, cánh lái và nhiều bộ phận cơ khí mới làm được một phần nhỏ việc này.
Lông bay và "cánh con"
Phần lớn diện tích cánh là lông. Lông bay sơ cấp mọc ở phần "bàn tay" của cánh, nằm ở đầu cánh, lo phần lớn lực đẩy. Lông bay thứ cấp mọc dọc cẳng tay, lo phần lớn lực nâng. Mỗi chiếc lông bay có phiến lông không đối xứng: phía trước hẹp, phía sau rộng, nên khi gặp gió nó tự xoay vào đúng thế để tạo lực.
Ở chỗ ngón cái có một chùm lông nhỏ gọi là lông cánh con (alula). Khi chim bay chậm, chuẩn bị đáp hoặc ngóc cánh lên cao, chùm lông này bật ra, tạo một khe hở nhỏ ở mép trước cánh. Luồng khí đi qua khe giữ cho dòng chảy bám trên mặt cánh, giúp chim không bị thất tốc. Cánh máy bay chở khách có bộ phận làm việc tương tự là cánh tà trước (slat).
Bộ máy vỗ cánh: cơ ngực và chiếc ròng rọc
Lật một con chim lên, phần ngực nhô ra là xương ức có gờ lưỡi hái (keel). Đây là chỗ bám của hai khối cơ chính.
- Cơ ngực lớn kéo cánh xuống, tạo nhịp vỗ mạnh nhất. Ở chim bay giỏi, cơ bay thường chiếm khoảng 15–25% khối lượng cơ thể. Ở người, cơ ngực chỉ chiếm chừng 1% thể trọng.
- Cơ trên quạ nằm ngay dưới cơ ngực lớn nhưng lại có nhiệm vụ kéo cánh lên. Gân của nó luồn qua một lỗ nhỏ ở khớp vai, nơi ba xương gặp nhau, rồi vòng lên bám vào mặt trên xương cánh tay. Lỗ xương ấy hoạt động như một chiếc ròng rọc: cơ nằm phía dưới mà vẫn nhấc được cánh lên.
Thiết kế này giữ cho toàn bộ khối cơ nặng nằm thấp, sát trọng tâm, ngay dưới đôi cánh. Nhờ vậy chim bay ổn định như một con lắc treo.
Một nhịp vỗ có hai pha
Pha vỗ xuống là pha "làm việc": cánh duỗi thẳng, lông khép kín, quét xuống và hơi về trước, tạo cả lực nâng lẫn lực đẩy. Pha nhấc lên là pha "hồi": ở nhiều loài, cánh gập lại ở cổ tay và lông tách ra để không khí lọt qua, giảm lực cản. Chim nhỏ bay nhanh như chim sẻ còn có kiểu bay nhấp nhô: vỗ vài nhịp rồi khép cánh lại, lao đi như viên đạn, rồi lại vỗ.
Cơ thể nhẹ mà chắc
Xương rỗng nhưng không yếu
Nhiều xương của chim rỗng, bên trong có các thanh chống chéo nhau như kết cấu giàn cầu thép. Một số xương còn thông với hệ túi khí. Tuy vậy, "xương rỗng nên nhẹ" chỉ đúng một nửa. Các nghiên cứu so sánh cho thấy tổng khối lượng bộ xương chim, tính theo tỉ lệ thể trọng, không nhẹ hơn thú cùng cỡ bao nhiêu. Cái lợi nằm ở chỗ xương chim cứng hơn, nhiều xương liền lại với nhau (xương đòn chữ V, xương cùng, xương bàn tay), nên khung người vừa vững vừa gọn.
Cũng có những trường hợp cực đoan: chim cốc biển (frigatebird) có bộ xương nhẹ đến mức thường được dẫn là nhẹ hơn cả bộ lông của nó.
Phổi một chiều và túi khí
Phổi của thú là túi cụt: hít vào, thở ra cùng một đường, nên luôn còn khí cũ đọng lại. Phổi chim khác hẳn. Không khí đi qua phổi theo một chiều nhờ hệ thống chín túi khí (ở phần lớn loài) phân bố khắp thân. Khí giàu oxy chạy qua phổi cả khi hít lẫn khi thở. Nhờ đó chim lấy oxy hiệu quả hơn thú, đủ sức cho cơ bay hoạt động liên tục và bay ở độ cao không khí loãng.
Bỏ bớt những thứ nặng
Chim không có răng, thay bằng mỏ sừng nhẹ, việc nghiền thức ăn chuyển xuống mề nằm gần trọng tâm. Chim mái thường chỉ còn một buồng trứng hoạt động. Nhiều loài tiêu hoá rất nhanh, không mang thức ăn nặng lâu trong bụng.
Bốn kiểu bay chính
| Kiểu bay | Cách làm | Loài tiêu biểu |
|---|---|---|
| Vỗ cánh | Liên tục tạo lực nâng và lực đẩy bằng cơ ngực | Bồ câu, vịt trời, chim sẻ |
| Lượn trượt | Giang cánh, đổi độ cao lấy tốc độ, hạ dần | Hầu hết chim khi đáp, cò khi sà xuống ruộng |
| Lượn bay lên (soaring) | Dùng luồng khí nóng bốc lên hoặc gió dội sườn núi, sóng biển để lấy thêm độ cao | Đại bàng, kền kền, cò trắng, hải âu lớn |
| Bay treo | Đứng yên một chỗ trên không | Chim ruồi (bay treo thật), cắt lưng hung (treo ngược gió) |
Lượn bay lên là kiểu "ăn gian" thông minh nhất. Một con đại bàng bắt được luồng khí nóng sẽ bay vòng tròn trong cột khí, cao dần lên mà gần như không vỗ cánh, rồi lượn sang cột khí kế tiếp. Người bay dù lượn và tàu lượn học đúng kỹ thuật này. Hải âu lớn trên biển dùng cách khác: tận dụng chênh lệch tốc độ gió sát mặt sóng và trên cao, gọi là lượn động (dynamic soaring), có thể đi hàng nghìn km mà rất ít vỗ cánh.
Dáng cánh nói lên cách sống
Nhìn hình dạng cánh là đoán được loài chim sống thế nào. Các nhà điểu học thường chia bốn nhóm:
- Cánh dài, hẹp như lưỡi kiếm (tỉ lệ dài/rộng cao): hải âu lớn, chim báo bão. Lượn cực tiết kiệm trên biển gió mạnh, nhưng cất cánh vất vả, phải chạy đà ngược gió.
- Cánh rộng, đầu cánh xẻ như ngón tay: đại bàng, kền kền, cò, sếu. Hợp lượn chậm trong luồng khí nóng; các "ngón" lông ở đầu cánh làm giảm xoáy đầu cánh.
- Cánh ngắn, tròn: gà rừng, chim trĩ, chích chòe. Bật lên rất nhanh, len lỏi trong rừng rậm, nhưng không bay xa được.
- Cánh nhọn, vuốt ra sau: chim yến, chim cắt, nhạn. Bay nhanh, ít lực cản, rất linh hoạt khi đuổi mồi trên không.
Không có dáng cánh nào tốt nhất. Cánh dài của hải âu lớn vô dụng trong rừng tre; cánh tròn của gà rừng sẽ làm nó kiệt sức nếu phải vượt biển.
Cất cánh và hạ cánh: hai lúc khó nhất
Giống máy bay, chim tốn sức nhất lúc cất cánh vì chưa có tốc độ. Chim nhỏ chỉ cần nhún chân bật lên; đôi chân góp tới phần lớn tốc độ ban đầu. Bồ câu vỗ cánh mạnh đến mức hai cánh đập vào nhau phía trên lưng, tạo tiếng "phạch phạch" quen thuộc ở quảng trường. Thiên nga và hải âu lớn phải chạy trên mặt nước hoặc mặt đất một đoạn dài, ngược gió, mới nhấc được thân nặng lên.
Lúc hạ cánh, chim làm điều mà phi công gọi là kéo đầu máy bay lên: dựng thân gần thẳng đứng, xoè rộng cánh và đuôi làm phanh, bung lông cánh con, thả chân ra trước. Ngay trước khi chạm cành, góc tấn của cánh lớn đến mức chim chủ động thất tốc, rơi nhẹ đúng vào chỗ đậu. Máy bay chở khách không dám làm thế; chim làm hàng trăm lần mỗi ngày.
Chim học bay từ đâu ra: tổ tiên khủng long
Hoá thạch Archaeopteryx, tìm thấy ở vùng đá vôi Solnhofen (Đức) từ năm 1861, sống khoảng 150 triệu năm trước, cuối kỷ Jura. Nó có lông bay như chim nhưng còn răng, móng vuốt ở cánh và đuôi dài có xương. Từ thập niên 1990, hàng loạt hoá thạch khủng long có lông tìm thấy ở Trung Quốc đã khiến giới cổ sinh vật đi tới đồng thuận: chim là hậu duệ của nhóm khủng long chân thú.
Lông có trước khả năng bay, có lẽ ban đầu để giữ ấm và khoe mẽ. Còn chuyện bay bắt đầu từ cây xuống (lượn từ cành) hay từ đất lên (vừa chạy vừa vỗ cánh) thì vẫn đang tranh cãi. Một giả thuyết được nhiều người chú ý là "chạy dốc nhờ cánh": chim non của nhiều loài hiện nay vỗ cánh để bám chân chạy lên thân cây dốc, trước khi chúng biết bay thật.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát ngay ngoài cửa sổ
Muốn hiểu chim bay, không cần đi xa. Vài việc ai cũng làm được:
- Đứng ở một quảng trường có bồ câu, quan sát lúc chúng cất cánh: chân nhún, cánh đập vào nhau, thân nghiêng thế nào.
- Chiều mát nhìn lên bầu trời đô thị, so sánh cách bay của chim yến (vỗ nhanh, lượn ngoặt gắt) với cò (vỗ chậm, đều).
- Quay video bằng điện thoại ở chế độ quay chậm khi chim đáp xuống cành, sẽ thấy rõ cánh con bật ra và đuôi xoè làm phanh.
- Nhặt một chiếc lông bay rụng, soi kỹ: phiến lông không đều hai bên, các sợi lông nhỏ móc vào nhau như khoá dán.
Người muốn đọc sâu có thể tìm cuốn Avian Flight của John Videler (Nhà xuất bản Đại học Oxford), một tài liệu chuyên sâu nhưng có nhiều hình vẽ dễ theo. Ở Việt Nam, các bảo tàng thiên nhiên như Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam (Hà Nội) có mẫu xương và mẫu chim nhồi để xem cận cảnh cấu tạo cánh.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chim bay được còn người thì không?
Chim có cơ ngực chiếm khoảng 15–25% thể trọng, phổi một chiều kèm túi khí và bộ khung nhẹ, chắc. Người có cơ ngực quá nhỏ so với khối lượng cơ thể; dù gắn cánh lớn đến đâu cũng không đủ sức vỗ để nâng mình lên. Vì vậy con người phải dùng động cơ hoặc lượn nhờ luồng khí.
Xương chim có thật sự rỗng không?
Nhiều xương chim rỗng và có thanh chống bên trong, một số xương thông với túi khí. Nhưng tổng khối lượng bộ xương, tính theo tỉ lệ thể trọng, không nhẹ hơn thú cùng cỡ là bao. Ưu điểm chính là xương chim cứng và nhiều xương liền lại, tạo khung vững mà gọn.
Chim lượn không vỗ cánh bằng cách nào?
Chim lượn bằng cách đổi độ cao lấy tốc độ, hoặc bắt các luồng khí bốc lên như khí nóng từ mặt đất, gió dội vào sườn núi. Đại bàng bay vòng trong cột khí nóng để lên cao; hải âu lớn dùng chênh lệch gió trên mặt sóng. Nhờ vậy chúng bay rất xa mà tốn ít sức.
Chim có tổ tiên là khủng long phải không?
Đúng. Giới cổ sinh vật hiện đồng thuận chim là hậu duệ của nhóm khủng long chân thú. Archaeopteryx sống khoảng 150 triệu năm trước là một mắt xích nổi tiếng, và nhiều hoá thạch khủng long có lông tìm thấy từ thập niên 1990 củng cố kết luận này.
Cánh máy bay học gì từ cánh chim?
Máy bay dùng chung nguyên lý biên dạng cánh tạo lực nâng. Một số chi tiết có bản tương tự ở chim, như cánh tà trước giống lông cánh con, đầu cánh cong vểnh giúp giảm xoáy giống các "ngón" lông ở đầu cánh đại bàng. Khác biệt lớn là chim đổi hình cánh liên tục, còn cánh máy bay gần như cố định.
