Khinh khí cầu bay được vì không khí bên trong bóng được đốt nóng nên nhẹ hơn không khí lạnh bên ngoài, và phần chênh lệch đó tạo ra lực nổi đẩy cả bóng lẫn giỏ lên, giống như một khúc gỗ nổi trên mặt nước. Phi công không có bánh lái: muốn lên thì mở đầu đốt, muốn xuống thì để không khí nguội hoặc xả bớt khí nóng, còn hướng bay thì nhờ chọn đúng tầng gió đang thổi theo chiều mình muốn.
Nguyên lý Archimedes áp dụng cho không khí
Từ thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, Archimedes đã phát biểu rằng một vật nhúng trong chất lỏng bị đẩy lên bằng trọng lượng phần chất lỏng mà nó chiếm chỗ. Không khí cũng là một chất lưu, chỉ là rất loãng. Một khối khí bất kỳ cũng chịu lực đẩy lên bằng trọng lượng của khối không khí xung quanh có cùng thể tích. Nếu khối khí ấy nhẹ hơn, nó nổi.
Không khí nóng nhẹ hơn vì các phân tử chuyển động nhanh hơn, đẩy nhau ra xa hơn, nên trong cùng một mét khối có ít phân tử hơn. Ở mặt biển, khoảng 15°C, một mét khối không khí nặng chừng 1,2 kg. Đốt nóng lên khoảng 100°C, khối lượng riêng giảm xuống còn khoảng 0,95 kg. Mỗi mét khối khí nóng vì vậy chỉ "nổi" được chừng một phần tư ký.
Con số nhỏ đó giải thích vì sao khinh khí cầu phải to như một tòa nhà. Một khinh khí cầu chở khách cỡ vừa có thể tích vỏ bóng vào khoảng 2.500–3.000 m³. Nhân lên, lực nổi tổng cộng cỡ bảy, tám trăm ký. Trừ đi vỏ bóng, giỏ, đầu đốt và bình nhiên liệu, phần còn lại mới dành cho người.
Vì sao trời nóng thì bay kém
Lực nổi phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ giữa trong và ngoài, không phải nhiệt độ tuyệt đối bên trong. Vải vỏ bóng chỉ chịu được nóng đến một mức nhất định (thường được khuyến cáo không vượt quá khoảng 120°C ở đỉnh bóng). Ngày hè 35°C, khoảng cách tới giới hạn đó hẹp lại, bóng chở được ít người hơn. Đó là một lý do các chuyến bay ở vùng nhiệt đới hầu như đều cất cánh lúc rạng sáng, khi không khí còn mát nhất trong ngày.
Độ cao cũng làm khó: lên cao không khí loãng dần, khối không khí bị chiếm chỗ cũng nhẹ đi, lực nổi giảm theo. Những điểm bay ở cao nguyên phải tính tải trọng chặt hơn vùng đồng bằng.
Bốn bộ phận chính của một khinh khí cầu
| Bộ phận | Làm bằng gì | Nhiệm vụ |
|---|---|---|
| Vỏ bóng (envelope) | Vải nylon hoặc polyester chống xé, phủ lớp chống thấm khí; phần miệng bóng dùng vải chịu lửa | Giữ khối khí nóng; khâu từ hàng chục múi vải dọc, có dây đai chịu lực chạy từ đỉnh xuống |
| Van đỉnh (thường gọi là "van dù") | Một tấm vải tròn đậy lỗ trên đỉnh, nối với dây kéo xuống giỏ | Kéo dây để xả khí nóng, giúp hạ độ cao nhanh; khi hạ cánh thì mở hết để xẹp bóng |
| Đầu đốt (burner) | Ống thép xoắn, vòi phun, ngọn lửa mồi | Đốt khí propan, phun lửa dài vài mét vào lòng bóng |
| Giỏ (basket) | Mây đan trên khung thép, đáy gỗ | Chở người và bình nhiên liệu |
Giỏ mây nghe có vẻ cổ lỗ, nhưng đến nay vẫn là vật liệu được ưa chuộng nhất. Mây nhẹ, dẻo, khi chạm đất mạnh thì hơi nhún xuống, hấp thụ một phần cú va thay vì truyền thẳng vào chân người đứng trong giỏ. Vật liệu cứng hơn lại dễ nứt vỡ hoặc làm cú dội đau hơn.
Đầu đốt và nhiên liệu propan
Khí propan được chở trong các bình thép hoặc nhôm đứng trong góc giỏ, ở dạng lỏng dưới áp suất. Propan chảy lên đầu đốt, đi qua một ống xoắn được chính ngọn lửa hâm nóng, hóa hơi rồi phun ra. Một ngọn lửa mồi nhỏ cháy suốt chuyến bay, để mỗi lần phi công bóp van là lửa bùng ngay.
Tiếng gầm của đầu đốt là âm thanh đặc trưng nhất của một chuyến bay. Giữa những lần đốt là im lặng gần như tuyệt đối, vì bóng trôi cùng gió nên người trong giỏ hầu như không cảm thấy gió thổi vào mặt.
Điều người mới hay bất ngờ: khinh khí cầu phản ứng chậm. Phi công đốt lửa, phải mất một khoảng thời gian đáng kể, có khi vài chục giây, khối khí khổng lồ mới nóng lên đủ để bóng ngưng rơi và bắt đầu lên. Lái khinh khí cầu vì vậy là nghệ thuật đoán trước, không phải phản xạ.
Lên, xuống và "lái" theo gió
Khinh khí cầu chỉ có một trục điều khiển thật sự: độ cao.
- Lên: đốt lửa để tăng nhiệt độ khí trong bóng.
- Giữ độ cao: đốt từng nhịp ngắn, đều đặn, bù cho phần nhiệt mất qua vải.
- Xuống từ từ: ngừng đốt, để bóng nguội tự nhiên.
- Xuống nhanh: kéo dây van đỉnh, xả một ít khí nóng ra ngoài.
Còn hướng đi thì do gió quyết định. Nhưng gió ở sát mặt đất, ở độ cao 300 m và ở 1.000 m thường không thổi cùng một hướng, cũng không cùng một tốc độ. Phi công giỏi đọc được các tầng gió đó, rồi nâng hoặc hạ bóng để "bắt" tầng có hướng thuận. Ở vài nơi có địa hình đặc biệt, gió tầng thấp và tầng cao thổi ngược nhau, cho phép bóng đi một vòng rồi quay về gần điểm cất cánh.
Một số bóng có thêm các khe xả bên hông, cho phép xoay giỏ quanh trục đứng để hành khách nhìn về phía cảnh đẹp hoặc để phi công đặt giỏ đúng tư thế trước khi chạm đất. Xoay được giỏ, nhưng vẫn không lái được hướng bay.
Khinh khí cầu khí nóng, khí cầu khí nhẹ và loại lai
Trong tiếng Việt, "khinh khí cầu" nghĩa gốc là quả cầu chứa khí nhẹ. Thực tế có ba họ chính:
| Loại | Khí nâng | Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| Khí nóng (kiểu Montgolfier) | Không khí đốt nóng bằng propan | Rẻ, dễ bơm, dễ điều chỉnh độ cao | Tốn nhiên liệu, chỉ bay được vài giờ |
| Khí nhẹ (kiểu Charles) | Hydro hoặc heli | Lực nâng mỗi mét khối gấp khoảng bốn lần khí nóng; bay được nhiều ngày | Heli đắt, hydro dễ cháy; muốn xuống phải xả khí, muốn lên phải bỏ bớt dằn |
| Lai (kiểu Rozière) | Một túi khí nhẹ đặt trong khối khí nóng | Tiết kiệm nhiên liệu, bay đường dài | Phức tạp, chủ yếu dùng cho các chuyến kỷ lục |
Tên gọi ba họ bóng gắn với nước Pháp cuối thế kỷ 18. Anh em Joseph-Michel và Jacques-Étienne Montgolfier cho bóng khí nóng bay có người lái lần đầu ở Paris tháng 11 năm 1783; chỉ mười ngày sau, nhà vật lý Jacques Charles bay bằng bóng hydro. Pilâtre de Rozier, người có mặt trên chuyến bay đầu tiên, sau đó thử ghép hai loại khí làm một. Chuyện các chuyến bay đầu tiên ấy thuộc về lịch sử hàng không; ở đây chỉ cần nhớ rằng nguyên lý của họ đến nay gần như không đổi.
Với bóng khí nhẹ, phi công mang theo bao cát làm vật dằn. Muốn lên, đổ bớt cát. Muốn xuống, mở van xả bớt khí. Mỗi lần điều chỉnh là tiêu một ít "vốn" không lấy lại được, nên chuyến bay dài là bài toán chia khẩu phần cẩn thận.
Vì sao bay sáng sớm hoặc chiều muộn
Lịch bay của gần như mọi nơi trên thế giới đều giống nhau: cất cánh quanh bình minh, đôi khi thêm một đợt trước hoàng hôn. Có ba lý do:
- Gió nhẹ và đều. Đêm và rạng sáng, mặt đất nguội, lớp không khí sát đất ổn định, gió thường yếu nhất trong ngày.
- Không có luồng khí nóng bốc lên. Khi nắng lên, mặt đất nóng dần và đẩy những cột khí nóng lên cao. Dù lượn và chim ưng thích những cột khí ấy, còn khinh khí cầu thì bị chúng làm chao đảo, lên xuống khó lường.
- Không khí mát. Như đã nói, không khí càng mát, lực nổi càng dư.
Trưa nắng là giờ cấm của khinh khí cầu, đúng lúc dù lượn hoạt động mạnh nhất. Hai môn bay dùng chung một bầu trời nhưng chọn hai thời điểm gần như đối nghịch.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát nguyên lý ở đâu
Không cần lên giỏ mới hiểu được khinh khí cầu. Vài cách đơn giản:
- Đèn trời (đèn Khổng Minh) là một khinh khí cầu khí nóng thu nhỏ: giấy mỏng, khung tre, ngọn lửa ở miệng. Tuy vậy đèn trời rơi xuống vẫn còn lửa, nhiều nơi đã hạn chế hoặc cấm thả; xem trong sách vở và tranh ảnh là đủ.
- Xem bơm bóng tại lễ hội. Đến sớm, trước giờ cất cánh, sẽ thấy cả quy trình: quạt lớn thổi không khí lạnh làm bóng phồng nằm trên cỏ, rồi đầu đốt phun lửa vào, bóng từ từ dựng đứng. Đây là cảnh dạy nguyên lý tốt nhất.
- Đọc thêm. Các giáo trình vật lý phổ thông phần chất lưu và nhiệt học có đủ công thức để tự tính lực nổi theo nhiệt độ. Bảo tàng hàng không ở nhiều nước có trưng bày giỏ và đầu đốt thật; Bảo tàng Khinh khí cầu Anderson-Abruzzo ở Albuquerque (Mỹ) là một bảo tàng chuyên đề nổi tiếng về đề tài này.
Hiểu được rằng mọi chuyến bay chỉ dựa vào một phần tư ký mỗi mét khối, người ta sẽ nhìn một quả bóng khổng lồ trên trời bằng con mắt khác: đó là một cỗ máy rất đơn giản, sống nhờ sự tính toán rất kỹ.
Câu hỏi thường gặp
Khinh khí cầu bay được nhờ nguyên lý gì?
Nhờ lực đẩy Archimedes. Không khí trong bóng được đốt nóng nên nhẹ hơn không khí xung quanh có cùng thể tích. Phần chênh lệch trọng lượng đó trở thành lực nổi, nâng bóng, giỏ và người lên.
Khinh khí cầu có lái được không?
Không lái được hướng như máy bay. Phi công chỉ điều khiển độ cao bằng đầu đốt và van xả. Hướng bay do gió quyết định, và phi công chọn hướng bằng cách lên xuống tìm tầng gió thổi theo chiều mong muốn.
Khinh khí cầu dùng nhiên liệu gì?
Khinh khí cầu khí nóng dùng khí propan hóa lỏng chở trong bình đặt ở giỏ. Khí cầu khí nhẹ không đốt gì, mà dùng heli hoặc hydro có sẵn trong bóng và điều chỉnh độ cao bằng cách xả khí hoặc bỏ bớt cát dằn.
Khinh khí cầu bay cao bao nhiêu?
Chuyến bay du lịch thường ở khoảng vài trăm mét đến hơn một nghìn mét so với mặt đất, đôi khi hạ sát ngọn cây để ngắm cảnh. Độ cao cụ thể tùy quy định vùng trời nơi bay và tầng gió phi công cần dùng.
Vì sao khinh khí cầu chỉ bay vào sáng sớm?
Sáng sớm gió nhẹ và ổn định nhất, chưa có các cột khí nóng bốc lên từ mặt đất bị nắng hun, và không khí mát giúp bóng dư lực nổi. Giữa trưa, các luồng khí nóng làm bóng chao đảo, rất khó kiểm soát.
Giỏ khinh khí cầu làm bằng gì?
Phần lớn giỏ vẫn được đan bằng mây trên khung thép, đáy lót gỗ. Mây nhẹ, bền, hơi đàn hồi nên khi hạ cánh mạnh thì nhún xuống, đỡ cho hành khách một phần cú va chạm.
