Chim bay theo đội hình chữ V chủ yếu để tiết kiệm sức. Mỗi đầu cánh của con bay trước để lại một luồng khí xoáy bốc lên ở phía sau chéo bên; con bay sau đặt cánh của mình đúng vào vùng khí bốc lên ấy nên được nâng đỡ một phần. Thí nghiệm gắn thiết bị trên cò quăm hói năm 2014 đã chứng minh chim chọn đúng vị trí và còn điều chỉnh nhịp vỗ cánh khớp với con phía trước.
Vì sao xếp chữ V lại đỡ tốn sức
Một cánh đang tạo lực nâng đẩy không khí xuống phía dưới. Ở đầu cánh, không khí từ mặt dưới (áp suất cao) cuộn vòng lên mặt trên (áp suất thấp), tạo ra một xoáy khí đầu cánh. Ngay phía sau cánh là vùng khí đi xuống, nhưng ra phía ngoài đầu cánh một chút lại là vùng khí đi lên.
Con chim bay sau, lệch ra ngoài một chút so với đầu cánh con trước, sẽ có một phần cánh nằm trong luồng khí đi lên này. Nó được "nâng miễn phí", cần vỗ cánh nhẹ hơn để giữ độ cao. Con thứ ba làm tương tự với con thứ hai, cứ thế xếp thành hàng chéo. Hai hàng chéo hai bên con đầu đàn tạo thành chữ V.
Đây cũng là lý do máy bay chở khách để cách nhau rất xa khi cất hạ cánh: luồng xoáy đầu cánh của máy bay lớn đủ mạnh làm máy bay nhỏ phía sau lắc mạnh. Chim thì làm ngược lại: không tránh luồng xoáy, mà ngồi đúng chỗ có lợi của nó.
Từ lý thuyết đến thí nghiệm
Tính toán năm 1970: con số hấp dẫn nhưng quá lạc quan
Năm 1970, P. B. S. Lissaman và Carl Shollenberger công bố trên tạp chí Science một tính toán khí động học: một đàn 25 con chim bay chữ V lý tưởng có thể bay xa hơn khoảng 70% so với một con bay một mình. Con số này được dẫn đi dẫn lại hàng chục năm trong sách phổ thông. Nhưng nó dựa trên giả định cánh cố định, khoảng cách hoàn hảo và không gió, những điều chim thật không có. Về sau giới nghiên cứu coi đó là giới hạn trên lý thuyết, không phải mức tiết kiệm thật.
Bồ nông năm 2001: nhịp tim chậm hơn
Nhóm của Henri Weimerskirch nuôi và huấn luyện bồ nông trắng ở Senegal bay theo thuyền máy và máy bay siêu nhẹ, rồi gắn máy đo nhịp tim. Kết quả công bố trên tạp chí Nature năm 2001: bồ nông bay trong đội hình có nhịp tim thấp hơn khoảng 11–14% so với khi bay một mình, đập cánh thưa hơn và lượn nhiều hơn.
Cò quăm hói năm 2014: chim biết chọn chỗ
Câu hỏi còn lại: chim có thật sự "biết" đặt mình vào vị trí tốt nhất, hay chữ V chỉ là ngẫu nhiên? Nhóm của Steven Portugal và Jim Usherwood trả lời bằng một đàn cò quăm hói phương Bắc, loài chim di cư đang được tái thả ở châu Âu. Chim con được người nuôi dạy, rồi bay theo một chiếc dù lượn có động cơ để học đường di cư từ Áo sang Ý. Mỗi con đeo thiết bị định vị độ chính xác cao kèm cảm biến chuyển động.
Công bố trên Nature năm 2014 cho thấy hai điều:
- Chim chủ yếu bay ở vị trí lệch khoảng 45 độ phía sau con trước, đúng vùng mà lý thuyết khí động học dự đoán có luồng khí đi lên.
- Chim còn chỉnh nhịp vỗ cánh: khi ở vị trí chéo, đầu cánh của nó đi theo đúng đường lượn sóng mà đầu cánh con trước để lại, như bánh xe chạy trong vệt bánh xe phía trước. Khi một con bay ngay sau lưng con khác (vùng khí đi xuống), nó vỗ ngược pha để giảm ảnh hưởng xấu.
Năm 2015, cùng đàn cò này cho thêm một phát hiện: chim đổi phiên bay ở vị trí có lợi. Thời gian một con bay ở chỗ được nâng đỡ tương ứng khá sát với thời gian nó chịu bay ở chỗ "trả giá" cho con khác. Nói cách khác, đàn chim có một kiểu có qua có lại.
Ai bay đầu đàn
Con đầu đàn không có ai phía trước để "nâng đỡ" nên tốn sức nhất. Ở nhiều loài như ngỗng, sếu, cò quăm, vị trí đầu thay đổi liên tục trong suốt chuyến bay, không có một "thủ lĩnh" cố định. Ở các đàn gia đình như ngỗng và sếu, chim bố mẹ có kinh nghiệm thường bay đầu nhiều hơn ở những đoạn đường khó, vì chúng thuộc đường.
Vị trí ở hai đầu mút chữ V cũng không được lợi nhiều, vì chỉ có một bên được nâng. Đội hình thực tế hiếm khi đều đặn như hình vẽ: có khi hai cánh chữ V dài ngắn khác nhau, có khi chỉ là một hàng chéo (đội hình bậc thang), có khi là chữ J.
Loài nào bay chữ V, loài nào không
| Kiểu đàn | Loài tiêu biểu | Mục đích chính |
|---|---|---|
| Chữ V, hàng chéo, chữ J | Ngỗng trời, sếu, cò quăm, bồ nông, chim cốc, vịt trời | Tiết kiệm năng lượng khi bay đường dài |
| Đàn cụm dày, đổi hướng liên tục | Sáo đá, bồ câu, chim lội nhỏ như choắt, rẽ | Tránh kẻ săn mồi, giữ liên lạc trong đàn |
| Bay rời rạc, mỗi con một chỗ | Chim sẻ, chim yến, phần lớn chim nhỏ | Cánh nhỏ, xoáy đầu cánh yếu, chữ V ít tác dụng |
Kiểu xếp chữ V chỉ có lợi rõ với chim to, cánh dài, bay đều đặn đường xa. Với bồ câu, một nghiên cứu năm 2011 của Usherwood cho thấy bay theo đàn cụm còn tốn sức hơn bay một mình, vì chim phải vỗ cánh nhanh hơn để né nhau. Bồ câu bay đàn vì lý do khác: an toàn và tìm đường chung.
Đàn sáo đá: một bài toán khác hẳn
Những đám mây sáo đá chục nghìn con uốn lượn lúc hoàng hôn ở châu Âu không nhằm tiết kiệm sức. Nghiên cứu năm 2008 (Ballerini và cộng sự) dựng lại vị trí từng con bằng camera ba chiều và thấy mỗi con sáo chỉ bám theo khoảng 6–7 con gần nhất, bất kể đàn dày hay thưa. Từ quy tắc đơn giản đó, cả đàn đổi hướng như một khối, làm chim cắt khó chọn được một con để vồ.
Con người học theo: từ máy bay siêu nhẹ đến máy bay chở khách
Dẫn đường cho chim bằng máy bay siêu nhẹ
Năm 1993, nhà điêu khắc người Canada Bill Lishman dùng máy bay siêu nhẹ dẫn một đàn ngỗng Canada nuôi từ nhỏ bay di cư lần đầu. Câu chuyện của ông là cảm hứng cho bộ phim Fly Away Home (1996). Từ năm 2001 đến giữa thập niên 2010, chương trình Operation Migration ở Mỹ dùng cách tương tự để dạy sếu trắng Bắc Mỹ, một loài cực kỳ nguy cấp, bay từ bang Wisconsin xuống Florida. Đàn cò quăm hói trong thí nghiệm năm 2014 cũng được dẫn bay theo cách đó, chỉ khác là bằng dù lượn có động cơ.
Máy bay chở khách bay "nương gió"
Ngành hàng không dân dụng cũng thử học chim. Năm 2021, Airbus cho hai máy bay A350 bay thử trên Đại Tây Dương, chiếc sau bay cách chiếc trước khoảng 3 km, đặt mình vào luồng khí đi lên từ xoáy đầu cánh chiếc trước. Hãng công bố mức tiết kiệm nhiên liệu trên 5% cho chiếc bay sau. Khoảng cách lớn hơn nhiều so với chim vì xoáy của máy bay lớn rất mạnh và kéo dài; để đưa vào khai thác thương mại, cần thêm quy trình kiểm soát không lưu và hệ thống tự động giữ vị trí.
Góc nhìn hôm nay: ngắm đàn chim bay ở Việt Nam
Ca dao Việt Nam nhắc nhiều tới cò: "Con cò bay lả bay la". Chiều chiều, đàn cò trắng bay về tổ trên đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long thường kéo thành hàng chéo hoặc chữ V lỏng, nhất là khi bay đoạn dài từ ruộng về vườn cò.
Muốn thấy đội hình chữ V rõ ràng hơn, có thể:
- Đến các vườn cò, sân chim như vườn cò Bằng Lăng (Cần Thơ), vườn chim Bạc Liêu, Thung Nham (Ninh Bình) vào lúc chiều muộn khi chim về tổ.
- Theo dõi đàn vịt trời, le le trú đông bay qua các hồ lớn, đầm lầy vào mùa đông.
- Đến Vườn quốc gia Tràm Chim (Đồng Tháp) vào mùa khô, nơi sếu đầu đỏ từng về trú hằng năm; số sếu đã giảm mạnh nên đây còn là bài học về giữ đồng cỏ ngập nước.
Khi thấy một đàn chữ V trên trời, thử đếm xem chim đầu đàn có đổi chỗ không, hai cánh chữ V dài bằng nhau không. Chỉ vài phút quan sát là thấy đàn chim không đứng yên như hình vẽ trong sách.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chim bay theo hình chữ V?
Chim bay chữ V để tiết kiệm sức. Đầu cánh con bay trước tạo luồng khí xoáy bốc lên ở phía sau chéo bên; con bay sau đặt cánh vào luồng khí đó nên được nâng đỡ một phần. Chữ V còn giúp mỗi con nhìn rõ con phía trước để giữ khoảng cách.
Bay chữ V tiết kiệm được bao nhiêu sức?
Tính toán lý thuyết năm 1970 cho con số khoảng 70% cho đàn 25 con, nhưng đó là giới hạn trên. Thí nghiệm thật trên bồ nông năm 2001 cho thấy nhịp tim khi bay trong đội hình thấp hơn khoảng 11–14% so với bay một mình. Mức tiết kiệm thực tế phụ thuộc loài, gió và độ chính xác của vị trí.
Con chim đầu đàn có phải luôn là một con không?
Không. Ở ngỗng, sếu, cò quăm, vị trí đầu đàn đổi phiên liên tục vì đây là chỗ tốn sức nhất. Nghiên cứu năm 2015 trên cò quăm hói cho thấy chim còn đổi phiên khá công bằng giữa vị trí được lợi và vị trí phải gánh.
Máy bay có bay theo đội hình chữ V để tiết kiệm nhiên liệu không?
Đang thử nghiệm. Năm 2021 Airbus cho hai máy bay A350 bay cách nhau khoảng 3 km, chiếc sau tận dụng luồng khí bốc lên từ chiếc trước, và công bố tiết kiệm nhiên liệu trên 5%. Để dùng thường xuyên còn cần quy trình không lưu và hệ thống tự động giữ vị trí.
Vì sao chim sẻ, bồ câu không bay chữ V?
Chim nhỏ có cánh ngắn, xoáy đầu cánh yếu và vỗ cánh rất nhanh, nên lợi ích của chữ V gần như không đáng kể. Bồ câu bay theo đàn cụm vì an toàn và tìm đường chung; đo đạc còn cho thấy kiểu bay cụm làm chúng tốn sức hơn bay một mình.
