Con người học bay từ chim theo một con đường vòng: suốt nhiều thế kỷ ta bắt chước hình dáng, buộc cánh vào tay rồi vỗ, và lần nào cũng thất bại. Bước ngoặt đến khi các nhà nghiên cứu thôi chép cái vẻ ngoài mà học nguyên lý: cánh cố định tạo lực nâng, lượn trên luồng khí, và giữ thăng bằng bằng cách vặn đầu cánh. Từ George Cayley, Otto Lilienthal đến anh em Wright, mỗi bước tiến lớn đều bắt đầu từ việc quan sát chim kỹ hơn người đi trước.
Những người nhảy tháp: thời kỳ chép hình dáng
Thần thoại Hy Lạp kể chuyện Daedalus làm cánh bằng lông chim gắn sáp cho mình và con trai Icarus; Icarus bay quá gần Mặt Trời, sáp chảy, rơi xuống biển. Đó là truyền thuyết, nhưng hình ảnh "gắn lông vào tay" đã ám ảnh người muốn bay suốt hai nghìn năm.
Lịch sử ghi lại nhiều người thử thật, thường bằng cách nhảy từ tháp cao:
- Abbas ibn Firnas ở Córdoba (Andalusia), thế kỷ 9, được kể đã khoác bộ cánh và lượn một đoạn rồi rơi, bị thương ở lưng. Câu chuyện chỉ được chép lại trong sách của al-Maqqari viết vào thế kỷ 17, cách sự kiện hơn 700 năm, nên giới sử học coi là có phần truyền thuyết.
- Eilmer xứ Malmesbury, một tu sĩ người Anh đầu thế kỷ 11, theo sử gia William xứ Malmesbury (thế kỷ 12) đã nhảy từ tháp tu viện với đôi cánh buộc vào tay chân, lượn được khoảng hơn 200 mét rồi rơi gãy hai chân. Ông cho rằng mình hỏng vì quên gắn đuôi.
Lời nhận xét của Eilmer, nếu đúng là của ông, rất đáng chú ý: ông đã nhìn ra rằng chim cần đuôi để giữ thăng bằng. Nhưng những người nhảy tháp có chung một sai lầm: tin rằng sức tay người đủ để vỗ cánh như chim.
Leonardo da Vinci và Borelli: từ quan sát đến phép tính
Khoảng năm 1505, Leonardo da Vinci viết một cuốn sổ tay nhỏ ngày nay gọi là Codex về chuyến bay của chim (Codice sul volo degli uccelli), hiện lưu tại Thư viện Hoàng gia Turin (Ý). Ông vẽ chim bay trong gió, ghi chú cách chim dùng cánh và đuôi để giữ thăng bằng, và nhận ra trọng tâm chim nằm ở đâu so với cánh.
Leonardo cũng vẽ nhiều máy bay vỗ cánh (ornithopter) cho người đạp bằng chân tay, và một "vít khí" giống cánh quạt trực thăng. Không thiết kế nào được chế tạo thành công vào thời ông; các bản vẽ cũng nằm trong sổ tay tư nhân, không ảnh hưởng gì tới những người đi sau mãi tới thế kỷ 19 khi chúng được công bố. Giá trị lớn nhất của ông là phương pháp: quan sát chim như một hiện tượng vật lý.
Borelli: phép tính dập tắt giấc mơ vỗ cánh
Năm 1680, sách De Motu Animalium (Về chuyển động của động vật) của Giovanni Alfonso Borelli được xuất bản sau khi ông mất. Borelli so sánh cơ ngực của chim với cơ của người và kết luận: tỉ lệ cơ bay trên thể trọng ở chim lớn hơn ở người nhiều lần, nên người không thể bay bằng sức mình. Kết luận ấy đúng, và nó buộc những người đi sau phải tìm hướng khác: nếu không vỗ được như chim, thì hãy lượn như chim.
George Cayley: tách cánh nâng khỏi cánh đẩy
Nhà quý tộc người Anh George Cayley thường được gọi là cha đẻ của khí động học. Năm 1799, ông khắc lên một đồng bạc hình vẽ một cỗ máy bay có cánh cố định, bộ phận đẩy riêng và đuôi điều khiển. Ý tưởng then chốt: cánh chim làm hai việc cùng lúc (nâng và đẩy), còn máy bay nên tách hai việc đó ra. Cánh cố định lo lực nâng, một thứ khác lo lực đẩy.
Cayley đo lực nâng trên các mặt cánh nghiêng, nghiên cứu hình dạng thân chim để giảm lực cản, và năm 1853 chế tạo một tàu lượn chở được người, mang người đánh xe của ông lượn qua một thung lũng nhỏ ở Brompton (Yorkshire). Từ đây, chim không còn là thứ để chép nguyên mẫu mà là một bài toán khí động học cần giải mã.
Otto Lilienthal: người đàn ông bay như cò
Kỹ sư người Đức Otto Lilienthal và em trai Gustav nghiên cứu chim từ nhỏ, đặc biệt là cò trắng. Năm 1889, ông xuất bản cuốn Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst (Chuyến bay của chim là nền tảng của nghệ thuật bay), trong đó có các bảng đo lực nâng của cánh cong. Ông chỉ ra rằng cánh hơi cong như cánh chim tạo lực nâng tốt hơn hẳn mặt phẳng.
Từ năm 1891 đến 1896, Lilienthal thực hiện khoảng 2.000 lần bay lượn bằng tàu lượn tự chế, có lần lượn được khoảng 250 m. Ông điều khiển bằng cách đung đưa thân người để dời trọng tâm, giống cách người bay dù lượn, tàu lượn treo ngày nay. Ảnh chụp Lilienthal bay được in khắp báo chí châu Âu và Mỹ, chứng minh cho cả thế giới thấy người có thể bay. Tháng 8/1896, tàu lượn của ông bị thất tốc, rơi từ độ cao khoảng 15 m; ông mất ngày hôm sau.
Anh em Wright: chiếc hộp giấy và đầu cánh chim kền kền
Cái chết của Lilienthal thúc Wilbur và Orville Wright vào cuộc. Họ nhận ra vấn đề lớn nhất không phải là lực nâng hay động cơ, mà là giữ thăng bằng và điều khiển. Dời trọng tâm bằng thân người như Lilienthal chỉ đủ cho tàu lượn nhỏ.
Wilbur quan sát chim kền kền gà tây lượn và thấy chúng giữ thăng bằng khi gặp gió nghiêng bằng cách vặn nhẹ đầu cánh, một bên ngóc lên, một bên chúc xuống. Năm 1899, khi đang xoắn thử một hộp giấy dài rỗng hai đầu trong cửa hàng xe đạp, ông nghĩ ra cách làm cánh máy bay cũng xoắn được như thế. Đó là kỹ thuật vặn cánh (wing warping), dùng dây kéo xoắn hai đầu cánh ngược chiều nhau để nghiêng máy bay. Kỹ thuật này về sau được thay bằng cánh lái (aileron) gắn bản lề, nhưng nguyên lý là một: điều khiển nghiêng bằng cách đổi lực nâng ở hai đầu cánh.
Ngày 17/12/1903 ở Kitty Hawk, chiếc Wright Flyer bay chuyến có động cơ đầu tiên được thừa nhận rộng rãi. Trong cỗ máy ấy có cánh cố định của Cayley, cánh cong của Lilienthal và cái vặn đầu cánh học từ chim kền kền.
Dòng thời gian tóm tắt
| Năm | Người | Học được gì từ chim |
|---|---|---|
| Đầu thế kỷ 11 | Eilmer xứ Malmesbury | Cần đuôi để giữ thăng bằng (theo lời kể) |
| Khoảng 1505 | Leonardo da Vinci | Quan sát trọng tâm, cánh và đuôi trong gió |
| 1680 | Giovanni Borelli | Cơ người quá yếu để vỗ cánh như chim |
| 1799–1853 | George Cayley | Tách lực nâng khỏi lực đẩy, cánh cố định |
| 1889–1896 | Otto Lilienthal | Cánh cong tạo lực nâng tốt hơn, bay lượn thật |
| 1899–1903 | Anh em Wright | Vặn đầu cánh để điều khiển nghiêng |
Sau năm 1903: chim vẫn còn dạy tiếp
- Đầu cánh cong vểnh (winglet): thập niên 1970, kỹ sư Richard Whitcomb của NASA nghiên cứu các mặt cánh nhỏ dựng đứng ở đầu cánh để giảm xoáy đầu cánh. Ý tưởng thường được đem so với các "ngón" lông xoè ở đầu cánh đại bàng, kền kền. Ngày nay hầu hết máy bay chở khách mới đều có đầu cánh vểnh, giúp tiết kiệm nhiên liệu vài phần trăm.
- Bay êm như cú: kỹ sư Eiji Nakatsu của Công ty Đường sắt Tây Nhật Bản học răng cưa trên lông cú để giảm tiếng ồn cho cần lấy điện của tàu Shinkansen dòng 500 (cuối thập niên 1990), và học mỏ chim bói cá để thiết kế mũi tàu giảm tiếng nổ khi vào hầm. Các nhà sản xuất quạt và cánh tua bin cũng thử răng cưa kiểu cú.
- Cánh đổi hình: các phòng thí nghiệm đang nghiên cứu cánh có thể cong, gập, xoay liên tục như cánh chim, thay cho các cánh tà, cánh lái rời rạc.
- Bay lượn tận dụng khí nóng: phi công tàu lượn và dù lượn hiện nay nhìn chim săn mồi bay vòng để tìm cột khí nóng. Thấy đại bàng lượn vòng là biết chỗ đó có luồng khí bốc lên.
Góc nhìn hôm nay: bài học "học nguyên lý, đừng chép hình dáng"
Câu chuyện con người học bay là ví dụ kinh điển về cách học từ thiên nhiên. Những người chép đúng hình dáng cánh chim đều thất bại; những người hiểu chim làm gì với không khí thì thành công, dù máy bay của họ chẳng giống chim chút nào. Ngày nay ngành này có tên là phỏng sinh học (biomimetics).
Người muốn tìm hiểu tiếp có thể:
- Đọc cuốn The Wright Brothers của David McCullough (2015), kể kỹ quá trình anh em Wright quan sát chim và thử tàu lượn ở Kitty Hawk.
- Xem bản số hoá Codex về chuyến bay của chim mà Viện Smithsonian từng giới thiệu trực tuyến.
- Tự gấp một chiếc tàu lượn giấy, rồi bẻ nhẹ mép sau hai đầu cánh ngược chiều nhau: tàu sẽ nghiêng và quay vòng, đúng nguyên lý vặn cánh của anh em Wright.
- Ra một quả đồi lộng gió buổi trưa nắng, quan sát chim diều lượn vòng: đó là những gì Lilienthal đã ngắm trước khi bay.
Câu hỏi thường gặp
Ai là người đầu tiên học bay từ chim?
Rất nhiều người thời cổ trung đại đã thử bắt chước chim bằng cách buộc cánh vào tay rồi nhảy từ tháp, như Abbas ibn Firnas (thế kỷ 9) hay Eilmer xứ Malmesbury (thế kỷ 11), nhưng các câu chuyện này có phần truyền thuyết. Người đầu tiên nghiên cứu chuyến bay của chim một cách khoa học, có ghi chép để lại, thường được nhắc là Leonardo da Vinci, khoảng năm 1505.
Vì sao người không bay được bằng cách vỗ cánh?
Năm 1680, Giovanni Borelli đã chỉ ra rằng cơ ngực người quá nhỏ so với thể trọng. Ở chim bay giỏi, cơ bay chiếm khoảng 15–25% thể trọng, ở người chỉ chừng 1%. Vì vậy con người phải chuyển sang cánh cố định và dùng động cơ hoặc luồng khí để bay.
Anh em Wright học gì từ chim?
Wilbur Wright quan sát chim kền kền vặn nhẹ đầu cánh để giữ thăng bằng khi gặp gió. Từ đó ông nghĩ ra kỹ thuật vặn cánh (wing warping) để điều khiển máy bay nghiêng trái phải. Đây là chìa khoá giúp chiếc Wright Flyer bay có điều khiển năm 1903.
Otto Lilienthal là ai?
Otto Lilienthal là kỹ sư người Đức, nghiên cứu chuyến bay của cò và xuất bản sách về chủ đề này năm 1889. Từ 1891 đến 1896 ông bay lượn khoảng 2.000 lần bằng tàu lượn tự chế, chứng minh người có thể bay. Ông mất năm 1896 sau một lần tàu lượn bị thất tốc.
Máy bay hiện đại còn học gì từ chim?
Đầu cánh vểnh giảm xoáy giống các lông xoè ở đầu cánh đại bàng, răng cưa giảm ồn học từ lông cú, và nghiên cứu cánh đổi hình liên tục như cánh chim. Phi công tàu lượn, dù lượn còn nhìn chim săn mồi lượn vòng để tìm luồng khí nóng.
