Máy bay bay được vì cánh của nó đẩy một khối không khí rất lớn đi xuống, và không khí đẩy ngược cánh lên. Lực đẩy ngược đó gọi là lực nâng. Nó sinh ra khi cánh có hình dạng phù hợp, nghiêng một góc nhỏ so với luồng gió và đi đủ nhanh — ba điều kiện này thiếu một là máy bay rơi.
Câu trả lời ngắn thì vậy. Câu trả lời dài thú vị hơn nhiều, vì chính cách giải thích phổ biến nhất trong sách giáo khoa lại sai một nửa.
Bốn lực tác động lên máy bay
Khi đang bay bằng ở độ cao không đổi, một chiếc máy bay chịu bốn lực cùng lúc:
- Trọng lực kéo xuống. Một chiếc Airbus A321 đầy khách nặng cỡ 80–90 tấn.
- Lực nâng đẩy lên, sinh ra chủ yếu ở cánh.
- Lực đẩy kéo về phía trước, do động cơ tạo ra.
- Lực cản níu về phía sau, do ma sát và áp suất của không khí lên thân, cánh, càng.
Bay bằng đều nghĩa là bốn lực này cân bằng từng đôi: nâng bằng nặng, đẩy bằng cản. Muốn lên cao thì tăng nâng hoặc nghiêng mũi lên; muốn tăng tốc thì tăng đẩy. Mọi thao tác của phi công, xét cho cùng, là cách chỉnh bốn lực đó.
Điều nhiều người bất ngờ: động cơ không trực tiếp nâng máy bay lên. Động cơ chỉ giữ cho máy bay đủ nhanh. Chính cánh, nhờ tốc độ ấy, mới tạo ra sức nâng. Đó là lý do tàu lượn không có động cơ vẫn bay được hàng giờ — nó đánh đổi độ cao lấy tốc độ, giống như xe đạp thả dốc.
Cánh máy bay có hình dạng gì
Cắt ngang một cánh máy bay, ta được một hình gọi là tiết diện cánh (airfoil): mép trước tròn và dày, mép sau mỏng và nhọn, mặt trên thường cong hơn mặt dưới. Đường thẳng nối mép trước với mép sau gọi là dây cung cánh.
Góc giữa dây cung và hướng gió thổi tới gọi là góc tấn (angle of attack). Đây là khái niệm quan trọng nhất của khí động học cánh. Phi công không nhìn thấy nó bằng mắt, nhưng mọi thứ — lực nâng, lực cản, nguy cơ thất tốc — đều xoay quanh con số này.
Cánh cong không phải điều kiện bắt buộc. Một tấm ván phẳng nghiêng một góc vẫn tạo được lực nâng; máy bay nhào lộn có cánh gần đối xứng vẫn bay lộn ngược được. Độ cong chỉ giúp cánh tạo lực nâng hiệu quả hơn, ít cản hơn, ở góc tấn nhỏ hơn.
Bernoulli hay Newton: tranh cãi lâu đời
Hỏi một người từng học vật lý phổ thông, phần lớn sẽ trả lời bằng định luật Bernoulli: không khí đi qua mặt trên chạy nhanh hơn, áp suất giảm, nên cánh bị "hút" lên. Hỏi người khác, họ trả lời bằng định luật III Newton: cánh hất không khí xuống, không khí đẩy cánh lên.
Sự thật là cả hai đều đúng — chúng là hai cách mô tả cùng một hiện tượng. Không khí đổi hướng đi xuống (Newton) thì đồng thời áp suất quanh cánh phải thay đổi (Bernoulli). Không thể có cái này mà không có cái kia. Nhà khí động học nghiêm túc không chọn phe, họ giải cả hệ phương trình dòng chảy.
Lời giải thích sai được in trong nhiều sách
Cái sai nằm ở một chi tiết nghe rất hợp lý: "hai phân tử khí tách nhau ở mép trước phải gặp lại nhau ở mép sau cùng lúc, mặt trên dài hơn nên khí phải chạy nhanh hơn". Người ta gọi đây là thuyết thời gian đi qua bằng nhau.
Thí nghiệm trong hầm gió cho thấy điều đó không xảy ra. Không khí qua mặt trên chạy nhanh hơn nhiều so với mức thuyết này dự đoán, và tới mép sau sớm hơn hẳn không khí đi mặt dưới. Không có quy luật nào bắt chúng phải gặp lại nhau. Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA có hẳn một trang giáo dục ghi rõ đây là lời giải thích sai. Nếu thuyết đó đúng, máy bay sẽ cần bay nhanh hơn nhiều mới cất cánh được, và máy bay không thể bay lộn ngược.
Công thức lực nâng nói gì
Kỹ sư tính lực nâng bằng một công thức gọn:
L = ½ × ρ × v² × S × CL
Trong đó ρ là mật độ không khí, v là tốc độ, S là diện tích cánh, CL là hệ số nâng (phụ thuộc hình dạng cánh và góc tấn). Đọc công thức này, ta hiểu ngay nhiều chuyện thực tế:
| Yếu tố | Ảnh hưởng | Ví dụ ngoài đời |
|---|---|---|
| Tốc độ (v²) | Gấp đôi tốc độ thì lực nâng gấp bốn | Máy bay phải chạy đà tới 250–300 km/h mới rời đất |
| Mật độ khí (ρ) | Không khí loãng thì nâng kém | Ngày nắng nóng hay sân bay vùng núi cao, máy bay cần đường băng dài hơn |
| Diện tích cánh (S) | Cánh rộng thì nâng nhiều | Airbus A380 có diện tích cánh khoảng 845 m², xấp xỉ diện tích hai sân bóng rổ |
| Hệ số nâng (CL) | Tăng khi góc tấn tăng, khi thả cánh tà | Lúc cất và hạ cánh, cánh tà được thả ra để bay chậm mà không rơi |
Chữ v² là chìa khoá. Vì lực nâng tăng theo bình phương tốc độ, khi chạy chậm cánh gần như vô dụng, nhưng khi đã nhanh thì sức nâng dồi dào. Ở độ cao hành trình, không khí chỉ còn khoảng một phần tư mật độ so với mặt đất, nên máy bay phải bay nhanh hơn nhiều để bù lại.
Thất tốc: khi cánh ngừng nâng
Tăng góc tấn thì lực nâng tăng — nhưng chỉ tới một giới hạn. Với nhiều loại cánh, quanh 15 độ, luồng khí trên mặt cánh không còn bám theo bề mặt được nữa mà bong ra thành xoáy hỗn loạn. Lực nâng tụt đột ngột. Hiện tượng này gọi là thất tốc (stall).
Cái tên dễ gây hiểu lầm. Thất tốc không phải "động cơ tắt" và cũng không chỉ xảy ra khi bay chậm. Nó xảy ra bất cứ khi nào góc tấn vượt mức tới hạn — kể cả khi bay nhanh mà kéo cần lái quá gắt. Bay chậm chỉ khiến chuyện đó dễ xảy ra hơn, vì muốn giữ đủ lực nâng ở tốc độ thấp phải tăng góc tấn.
Vì vậy máy bay chở khách có nhiều lớp cảnh báo: còi, cần lái rung lên (stick shaker), và trên các dòng máy bay điện tử, hệ thống tự giới hạn góc tấn. Bài học xương máu của ngành là chuyến AF447 năm 2009: báo cáo của cơ quan điều tra Pháp BEA kết luận máy bay rơi vào thất tốc ở độ cao lớn và không được kéo ra kịp. Từ đó, huấn luyện xử lý thất tốc và mất kiểm soát được tăng cường trên toàn thế giới.
Cánh không chỉ nâng: xoáy đầu cánh và cánh nhỏ cong lên
Áp suất dưới cánh cao hơn trên cánh. Ở đầu mút cánh, không khí tìm đường vòng từ dưới lên trên, tạo thành hai cuộn xoáy kéo dài phía sau máy bay. Những ngày ẩm, đôi khi thấy được chúng như hai sợi khói xoắn khi máy bay hạ cánh.
Xoáy đầu cánh gây hai hệ quả:
- Tốn nhiên liệu: năng lượng làm xoáy là năng lượng mất đi, gọi là lực cản cảm ứng. Những "cánh nhỏ" dựng đứng ở đầu cánh (winglet, sharklet) sinh ra để giảm phần lãng phí này.
- Nguy hiểm cho máy bay phía sau: xoáy của một chiếc thân rộng có thể làm máy bay nhỏ bay sau bị lật. Vì thế kiểm soát viên không lưu phải giãn cách giữa các máy bay theo hạng trọng lượng, máy bay nhỏ đi sau máy bay lớn phải chờ lâu hơn.
Cánh dài và hẹp (như cánh tàu lượn, cánh Boeing 787) giảm lực cản cảm ứng tốt hơn cánh ngắn và bè. Đó là lý do máy bay đường dài ngày càng có sải cánh rất dài, còn chiếc Boeing 777X phải làm đầu cánh gập được để vừa với cổng đỗ ở sân bay.
Thử tự cảm nhận lực nâng
Không cần hầm gió, có vài cách để thấy lực nâng tận tay:
- Bàn tay ra cửa sổ ô tô (khi ngồi ghế phụ, đường vắng, xe chạy chậm): duỗi phẳng bàn tay, nghiêng mép trước lên một chút, tay sẽ bị đẩy lên. Nghiêng quá nhiều, tay bị hất ngược ra sau — đó là cảm giác gần giống thất tốc.
- Thổi lên mặt tờ giấy: cầm một dải giấy ngay dưới môi, thổi ngang qua mặt trên, dải giấy nâng lên.
- Máy bay giấy: gấp nếp mép sau cánh lên một chút, máy bay ngóc mũi; gấp xuống, nó cắm đầu. Đó chính là nguyên lý của cánh lái độ cao.
Muốn đi sâu hơn, cuốn Understanding Flight của David Anderson và Scott Eberhardt giải thích lực nâng theo hướng Newton, rất dễ đọc với người không học kỹ thuật. Trang giáo dục "Beginner's Guide to Aeronautics" của Trung tâm Glenn thuộc NASA cho phép thử thay đổi góc tấn, tốc độ và xem lực nâng biến đổi ngay.
Góc nhìn hôm nay: một bài toán chưa hề cũ
Hơn một thế kỷ sau chuyến bay của anh em Wright năm 1903, lực nâng vẫn là đề tài nghiên cứu. Mỗi phần trăm lực cản giảm được trên cánh là hàng nghìn tấn nhiên liệu tiết kiệm mỗi năm cho một hãng bay lớn. Cánh hiện đại được tạo hình bằng mô phỏng máy tính, uốn cong chủ động khi bay, làm bằng vật liệu composite nhẹ và dẻo hơn nhôm.
Lần tới ngồi ghế cạnh cửa sổ phía trên cánh, hãy để ý: khi máy bay bay qua vùng khí động, đầu cánh dập dềnh lên xuống cả mét. Đó không phải dấu hiệu nguy hiểm. Đó là cánh đang làm việc — uốn mình chịu sức nâng đỡ cả trăm tấn kim loại, người và hành lý giữa không trung.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao máy bay nặng hàng trăm tấn mà vẫn bay được?
Vì cánh đẩy một lượng không khí khổng lồ xuống dưới mỗi giây, và không khí đẩy ngược cánh lên với lực bằng trọng lượng máy bay. Lực nâng tăng theo bình phương tốc độ, nên khi đủ nhanh, cánh lớn tạo ra sức nâng đủ đỡ cả máy bay nặng vài trăm tấn.
Lực nâng của máy bay là do Bernoulli hay Newton?
Cả hai. Định luật Bernoulli mô tả sự chênh áp suất giữa mặt trên và mặt dưới cánh, còn định luật III Newton mô tả việc cánh hất không khí xuống. Đây là hai cách nhìn của cùng một hiện tượng, không loại trừ nhau.
Thất tốc máy bay là gì?
Thất tốc là khi góc tấn của cánh vượt mức tới hạn, luồng khí bong khỏi mặt trên cánh và lực nâng tụt đột ngột. Nó không phải là tắt động cơ. Máy bay chở khách có còi, cần lái rung và hệ thống bảo vệ để cảnh báo hoặc ngăn tình huống này.
Máy bay có bay lộn ngược được không?
Máy bay nhào lộn bay lộn ngược được vì cánh của chúng gần đối xứng và phi công giữ góc tấn phù hợp. Điều này cũng chứng minh độ cong của cánh không phải nguồn gốc duy nhất của lực nâng. Máy bay chở khách không được thiết kế và chứng nhận để bay như vậy.
Vì sao trời nóng máy bay cất cánh khó hơn?
Không khí nóng loãng hơn, mật độ thấp hơn nên cánh tạo ít lực nâng hơn ở cùng tốc độ, động cơ cũng cho lực đẩy yếu hơn. Máy bay phải chạy đà dài hơn, đôi khi phải giảm tải trọng ở những sân bay nóng hoặc nằm trên vùng cao.
