Dù hoạt động thế nào: lực cản, cánh ram-air và bốn giây mở dù

Chiếc dù hoạt động bằng cách tạo lực cản không khí đủ lớn để cân bằng trọng lượng người nhảy, kéo tốc độ rơi từ gần 200 km/h xuống chỉ còn vài mét mỗi giây. Dù tròn kiểu cũ chủ yếu "phanh" thẳng đứng; còn dù thể thao hiện đại là một cánh bay hai lớp bơm phồng bằng gió, vừa tạo lực cản vừa tạo lực nâng nên bay tới trước và lái được như một chiếc tàu lượn mềm.

Nguyên lý cơ bản: lực cản chống lại trọng lực

Mọi vật rơi trong không khí đều chịu hai lực ngược chiều: trọng lực kéo xuống và lực cản đẩy lên. Lực cản tăng theo bình phương tốc độ và tăng theo diện tích bề mặt hứng gió. Khi hai lực bằng nhau, vật thôi tăng tốc và rơi đều — đó là tốc độ giới hạn.

Một người nằm sấp có diện tích hứng gió chưa tới một mét vuông, nên tốc độ giới hạn khoảng 190–200 km/h. Một cánh dù thể thao có diện tích khoảng 13–28 mét vuông (người nhảy thường gọi theo feet vuông, từ khoảng 140 đến 300). Diện tích tăng hàng chục lần, nên tốc độ cần để lực cản cân bằng trọng lượng giảm xuống còn rất thấp. Đây là toàn bộ bí mật của chiếc dù tròn: mở to ra, rơi chậm lại.

Dù tròn và dù cánh: hai cách nghĩ khác nhau

Dù tròn (round canopy) là một mái vòm vải, không khí bị nhốt bên dưới và thoát ra từ lỗ đỉnh hoặc mép dù. Nó đơn giản, mở chắc, nhưng gần như chỉ đi xuống và trôi theo gió. Dù quân sự loại tròn cổ điển cho tốc độ xuống khoảng 5–7 m/s — tương đương nhảy từ trên một bức tường cao chừng hai mét, nên người lính phải học cách tiếp đất lăn tròn.

Dù cánh (ram-air) có hai lớp vải trên và dưới, nối với nhau bằng các vách ngăn thành nhiều ô (cell), thường 7 hoặc 9 ô. Mép trước của các ô để hở. Khi dù bay tới, gió dồn vào miệng ô, làm cánh căng phồng thành một tiết diện giống cánh máy bay. Từ đây chiếc dù tạo ra lực nâng, bay tới trước với tốc độ khoảng 30–50 km/h tuỳ loại, và chỉ hạ độ cao chừng 4–6 m/s.

Bên trong một bộ dù thể thao

Thứ người nhảy đeo trên lưng gọi là bộ đai – túi dù (harness-container). Nó chứa hai chiếc dù hoàn toàn độc lập:

• Dù chính ở ngăn dưới, do chính người nhảy (đã có giấy phép) tự xếp sau mỗi lần nhảy.
• Dù dự phòng ở ngăn trên, do thợ xếp dù có chứng chỉ gấp và niêm phong.
• Thiết bị tự mở (AAD), một máy tính nhỏ đo độ cao và tốc độ rơi, có thể tự cắt mở ngăn dù dự phòng.
• Hệ thống ba vòng (three-ring) nối dù chính với đai, cho phép tháo bỏ dù chính chỉ bằng một lần kéo tay cầm.

Hệ thống ba vòng do Bill Booth phát minh năm 1976. Ba vòng kim loại lồng vào nhau nhân lực giữ lên nhiều lần, nên một sợi dây nhỏ cũng giữ được tải của cả người lẫn dù. Kéo tay cầm tháo, sợi dây đó tuột ra, các vòng trượt khỏi nhau và dù chính bay đi trong tích tắc. Nhờ thiết kế này mà việc bỏ một chiếc dù hỏng để mở dù dự phòng trở nên nhanh và chắc chắn.

Bốn giây mở dù: từng bước một

Cú mở dù trông như một khoảnh khắc, nhưng thật ra là một chuỗi bước được tính toán kỹ:

1. Ném dù mồi: người nhảy rút một chiếc dù nhỏ (pilot chute) từ túi ở đáy bộ dù và ném ra luồng gió.
2. Rút chốt: dù mồi hứng gió, kéo căng sợi dây nối (bridle), rút chốt khoá ngăn dù chính.
3. Kéo túi dù: túi chứa dù chính được kéo ra khỏi lưng người nhảy.
4. Thả dây dù: các dây treo xếp gọn trên túi lần lượt duỗi ra, kéo căng theo chiều dài.
5. Cánh bung: túi mở, cánh dù ra gió và bắt đầu căng phồng.
6. Thanh trượt hãm: một miếng vải hình vuông gọi là slider, xuyên bởi bốn nhóm dây, trượt dần từ đỉnh xuống, giữ cho cánh không bung quá nhanh.

Toàn bộ chuỗi này thường mất khoảng ba đến năm giây và hạ thêm vài trăm mét độ cao. Thanh trượt là chi tiết ít người để ý nhưng cực kỳ quan trọng: không có nó, cánh dù ram-air sẽ bung toàn bộ cùng lúc ở gần 200 km/h, cú giật có thể gây chấn thương hoặc rách dù. Thanh trượt biến cú bung thành một quá trình mở dần trong vài giây.

Lái dù: hai tay cầm và một cú phanh

Dưới cánh dù, người nhảy cầm hai tay điều khiển (toggle) nối với các dây ở mép sau cánh. Nguyên lý giống cánh tà máy bay:

• Kéo tay phải: mép sau bên phải bị kéo xuống, bên phải chịu nhiều lực cản hơn, dù quay sang phải.
• Kéo cả hai tay một nửa: dù chậm lại và hạ chậm hơn, gọi là bay phanh.
• Kéo cả hai tay xuống hết vào giây cuối trước khi chạm đất: gọi là "flare", biến tốc độ tới thành lực nâng ngắn hạn, giúp đáp nhẹ bằng chân.

Ngoài tay điều khiển còn có dây nâng trước và sau (riser). Kéo dây trước làm dù chúc mũi, tăng tốc; kéo dây sau làm dù bằng hơn. Người nhảy lâu năm dùng dây nâng để điều chỉnh đường bay tinh tế, còn người mới chỉ dùng tay điều khiển.

Tải cánh: con số quyết định tính cách chiếc dù

Tải cánh (wing loading) là trọng lượng người nhảy kèm đồ, chia cho diện tích cánh dù. Trong nhảy dù, đơn vị quen dùng là pound trên feet vuông. Học viên thường dùng dù lớn, khoảng 200–290 feet vuông, tải cánh dưới 1,0 — dù bay chậm, phản ứng hiền, dễ đáp.

Càng lên trình độ, người nhảy càng thu nhỏ dù. Tải cánh cao làm dù bay nhanh hơn, quay gắt hơn, mất độ cao nhiều hơn khi quay — và tha thứ ít hơn cho sai lầm. Các hiệp hội nhảy dù thường có bảng khuyến nghị tải cánh tối đa theo số lần nhảy, vì nhiều tai nạn hiện nay đến từ người thu dù quá nhanh so với tay nghề.

Vật liệu: từ lụa đến vải không thấm khí

Dù thời đầu làm bằng lụa. Thế chiến thứ hai làm thiếu lụa, nylon được đưa vào và thay thế hoàn toàn. Dù thể thao ngày nay dùng nylon ripstop dệt ô vuông chống rách lan. Có hai loại vải chính: vải độ thấm thấp (thường gọi theo mã F-111) và vải không thấm khí (zero-porosity, ZP) có lớp phủ, giữ hình cánh tốt hơn, bay tốt hơn nhưng xếp trơn khó hơn.

Dây dù cũng tiến hoá: từ Dacron dày sang Spectra, Vectran, HMA — mảnh hơn, nhẹ hơn mà chịu lực cao. Mỗi loại có ưu nhược riêng về độ co giãn và độ bền theo thời gian; thợ dù phải theo dõi và thay dây theo số lần nhảy.

Góc nhìn hôm nay: tự quan sát nguyên lý dù

Muốn hiểu chiếc dù, không cần lên máy bay. Một vài cách quan sát dễ làm:

• Thả hai tờ giấy cùng lúc, một tờ phẳng và một tờ vo tròn, sẽ thấy ngay vai trò của diện tích hứng gió.
• Xem dù lượn ở các điểm bay trong nước: cánh dù lượn cùng họ ram-air với dù thể thao, chỉ dài hơn và lượn tốt hơn nhiều.
• Bảo tàng hàng không ở nhiều nước có trưng bày dù tròn quân sự và dù cứu sinh phi công, cho thấy rõ sự khác biệt về cấu trúc.

Với ai muốn đọc kỹ thuật, sổ tay xếp dù (Parachute Rigger Handbook) của Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) được công bố miễn phí, giải thích chi tiết cấu tạo, vật liệu và cách kiểm định một bộ dù.