Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 44)

Chương 12

HÊ, NHÌN ĐI… NÓ BAY KÌA!

Khí động lực học và những máy bay đầu tiên

Không bao lâu sau khi những máy bay đầu tiên được phát minh, chúng đã trở thành vũ khí quan trọng của chiến tranh. Ban đầu chúng chủ yếu được dùng cho quan sát và trinh thám, nhưng người ta sớm thấy rõ rằng chúng có thể giữ một vai trò quan trọng hơn nhiều. Chúng có thể được dùng để thả bom lên phe địch. Chỉ mười năm sau khi anh em Wright lái chiếc máy bay đầu tiên của họ thì Thế chiến Thứ nhất bùng nổ, thế nhưng khi ấy máy bay đã được sử dụng trong chiến tranh. Năm 1911, quân Italia đã dùng một máy bay thả lựu đạn lên quân Turk ở Lybia. Và chuyện trở nên rõ ràng là máy bay sẽ hữu ích trong chiến tranh, công nghệ gắn liền với chúng phát triển nhanh chóng, và chẳng bao lâu sau khi Thế chiến Thứ nhất bùng nổ chúng đã được sử dụng rộng rãi bởi cả hai phe.

NHỮNG KHÁM PHÁ DẪN TỚI MÁY BAY

Mặc dù ngày trọng đại nhất trong lịch sử máy bay là ngày 17 tháng Mười Hai năm 1903, khi anh em Wright thực hiện chuyến bay đầu tiên của họ trên một cỗ máy có sức đẩy, nặng hơn không khí, thế nhưng đó chẳng phải là nỗ lực đầu tiên mà con người từng cố gắng để bay. Nhiều phát triển quan trọng đã dẫn tới ngày hôm ấy, và tôi sẽ bắt đầu với chúng.

Chúng ta đã thấy trước đây rằng Leonardo da Vinci từng ám ảnh với chuyển động bay. Ông không những quan sát lũ chim chóc bay trong hàng trăm giờ, mà ông còn nghiên cứu luồng không khí và nước xung quanh các vật thể thuộc nhiều hình dạng khác nhau dưới những điều kiện khác nhau. Ông để ý thấy nước chảy nhanh lên khi nó đi vòng qua một tảng đá trên dòng suối, và ông giả định rằng không khí làm y như vậy. Phần nhiều cố gắng của ông tiến tới thử phát triển một cặp cánh, giống như cặp cánh chim, mà con người có thể dùng để bay. Ông đã không thành công, nhưng ông đã thật sự thiết kế một trực thăng và một cái dù, và cả hai thiết kế này được vận hành được. Ngoài ra, ông còn nói rằng động lực học chất lưu đối với một vật đang chuyển động trong một chất lưu và đối với chất lưu đang chuyển động qua vật đó là giống nhau. Và cuối cùng ông còn nghiên cứu cặn kẽ về lực kéo theo, lực ma sát mà một vật chịu khi nó chuyển động trong một chất lưu.

Tuy nhiên, chính Galileo là người chỉ ra rằng lực kéo theo tác dụng lên một vật đang chuyển động trong một chất lưu tỉ lệ thuận với khối lượng riêng của chất lưu đó, trong đó khối lượng riêng là khối lượng trên đơn vị thể tích. Nhà khoa học Pháp Edme Mariotte tiến thêm một bước nữa vào năm 1673 khi ông chỉ ra rằng lực kéo theo còn tỉ lệ với vận tốc của vật bình phương (v2).

Tuy nhiên, một trong những khám phá ý nghĩa nhất liên quan đến hàng không học xảy ra vào năm 1738 khi Daniel Bernoulli ở Hà Lan chỉ ra rằng trong một chất lưu đang chảy thì áp suất giảm khi vận tốc của chất lưu tăng. Và tất nhiên điều này áp dụng cho mọi chất lưu, kể cả không khí. Cuối cùng nó được gọi là nguyên lí Bernoulli. Gần như đồng thời khi ấy, nhà hóa học Pháp Henri Pitot giải thích một dụng cụ ông gọi là ống pitot trong đó độ biến đổi vận tốc có thể được đo dễ dàng khi đường kính của ống thay đổi.1

Một tiến bộ nữa trong việc tìm hiểu lực kéo theo xảy ra vào năm 1759 khi kĩ sư người Anh John Smeaton phát minh ra một dụng cụ dùng để đo lực kéo theo tạo ra trên một bánh guồng chuyển động trong không khí. Ông chỉ ra rằng D = ksv2, trong đó D là lực kéo theo, s là diện tích bề mặt, v là vận tốc của cánh, và k là một hằng số sau này gọi là hệ số Smeaton.

Tuy nhiên, một trong những người quan trọng nhất trong lịch sử hàng không học chính là kĩ sư George Cayley người Anh. Ông thường được xem là người đầu tiên hiểu được phần lớn các nguyên lí nền tảng cơ bản và các lực liên quan trong chuyển động bay, và bởi vậy ông thường được xem là cha đẻ của khí động lực học. Đặc biệt, ông đã khám phá và nhận ra bốn lực chính gắn liền với chuyển động bay: lực nâng, trọng lực, lực đẩy, và lực kéo theo. Chúng ta sẽ khảo sát chi tiết từng lực một ở phần sau. Ông còn chỉ ra rằng cánh “vồng lên” hay cánh cong tạo ra lực nâng tốt nhất. Chuyên luận ba phần của ông mang tiêu đề “Về Hàng không”, xuất bản vào năm 1809 và 1810, là công trình xưa quan trọng nhất về chuyển động bay bằng máy bay. Phần lớn những ý tưởng cơ bản gắn liền với lực nâng, lưc kéo theo, và lực đẩy được trình bày chi tiết trong đó.

Mặc dù Cayley đã thiết kế, chế tạo, và cho bay nhiều tàu lượn, nhưng chính Otto Lilienthal người Đức mới thường được xem là “vua tàu lượn”. Ông đã có một vài tiến bộ quan trọng về tàu lượn treo, và trong quãng đời mình ông đã tiến hành trên hai nghìn chuyến bay trên tàu lượn do chính ông thiết kế. Tuy nhiên, vào tháng Tám năm 1896, trong khi thực hiện một chuyến bay, tàu lượn của ông chết máy. Ông đã cố gắng lấy lại kiểm soát bằng cách điều chỉnh vị trí cơ thể mình, nhưng ông không thành công. Tàu lượn rơi xuống đất từ độ cao năm mươi foot. Ông vẫn còn tỉnh táo lúc người ta chạy tới giúp đỡ, nhưng chẳng bao lâu sau thì ông tắt thở.

Người Mĩ đầu tiên có những đóng góp quan trọng cho ngành hàng không là Octave Chanute, một kĩ sư dân sự ở Chicago, Illinois. Ông cho xuất bản quyển sách Tiến bộ về Những chiếc máy biết bay vào năm 1894, nó là khảo luận đầy đủ nhất nghiên cứu về hàng không nặng hơn không khí tính đến khi ấy. Và mặc dù ông đã thiết kế nhiều tàu lượn và đã phát minh ra cánh giằng “dây chống”, nhưng ông chưa từng lái chiếc tàu lượn nào của mình. Có lẽ ông được nhớ tới nhất vì sự quan tâm và khích lệ mà ông dành cho anh em Wright. Thật vậy, ông đã đến thăm lán trại của họ ở gần Kitty Hawk, Bắc Carolina, vào năm 1901, 1902, và 1903 – những năm quan trọng trong việc phát triển chiếc máy bay đầu tiên của họ.

ANH EM WRIGHT

Mặc dù nhiều người đã có những đóng góp quan trọng, nhưng anh em Wright ở Dayton, Ohio, mới đáng được vinh danh với việc thiết kế và chế tạo chiếc tàu bay nặng hơn không khí có động cơ đẩy đầu tiên chở thành công một người lên không trung. Điều này xảy ra vào ngày 17 tháng Mười Hai, 1903. Đóng góp chính của họ cho hàng không học thường được xét đến là phát minh của họ về bộ điều khiển ba trục, nó cho phép phi công giữ thăng bằng và bẻ lái máy bay một cách hiệu quả.2

Orville và Wilbur Wright lớn lên ở Dayton, Ohio. Họ là hai con út trong tám người con, và theo đa số các nhà viết tiểu sử thì niềm đam mê bay lượn của họ đã khởi xuất lúc còn nhỏ khi cha họ mua cho họ một chiếc trực thăng đồ chơi chạy bằng một dây cao su. Wilbur lớn hơn Orville bốn tuổi. Cả hai anh em đều chưa học xong phổ thông, nhưng họ trở nên đam mê việc xuất bản báo chí sau khi họ xây xong một xưởng in. Họ khởi nghiệp với từ West Side News và sau này còn xuất bản những tờ báo khác.3

Orville Wright

Orville Wright

Vào năm 1892, họ mở một cửa hàng bán và sửa xe đạp. Vài năm sau, năm 1896, họ bắt đầu bán ra những chiếc xe đạp do họ chế tạo. Chính trong khoảng thời gian này công trình của Otto Lilienthal ở Đức đã thu hút sự chú ý của họ. Lilienthal đã chế tạo và bay thử vào tàu lượn. Công trình của ông truyền cảm hứng cho họ, và họ bắt đầu đọc về những thành tích hào hứng của Cayley và Canute trên thực địa, và vào năm 1899 họ bắt đầu thí nghiệm riêng của mình. Là ông anh, nên Wilbur là lãnh đạo của đội.

Wilbur Wright

Wilbur Wright

Trong những thập niên trước đó, người ta đã sử dụng một vài cách tiếp cận khác nhau trong nhiều nỗ lực để bay, nhưng anh em Wright xác định cách tốt nhất là tạm gác lại chuyển động bay có sức đẩy cho đến khi họ giải quyết được mọi vấn đề gắn liền với tàu lượn. Đặc biệt, họ tin rằng phi công phải có toàn quyền kiểm soát máy bay vào mọi lúc, sử dụng một hệ thống để nghiêng, rẽ hướng, và thay đổi độ cao. Họ quyết định thiết kế một hệ thống như thế trước khi bổ sung động cơ cho máy bay. Họ sớm phát hiện “sự vênh cánh”, trong đó các dây điều khiển dùng để xoay lật hay làm vênh đoạn ngoài của đôi cánh sao cho máy bay có thể nghiêng đúng cách. Việc làm vênh cánh được điều khiển bằng bốn dây, bố trí sao cho hai cánh hoạt động phối hợp với nhau. Khi lực nâng ở một cánh tăng lên, thì lực nâng ở cánh kia sẽ giảm.

Khi tàu lượn của họ cuối cùng đã sẵn sàng bay, họ viết thư cho Canute, hỏi ông nơi nào tốt nhất để bay thử. Canute đề xuất một vài nơi, nhưng nơi khiến họ quan tâm nhất là Kitty Hawk, Bắc Carolina. Ở đó có những làn gió nhẹ tuyệt vời từ Đại Tây Dương thổi vào sẽ thật hữu ích, và nó có bờ cát mịn để tiếp đất. Họ quyết định đó là nơi lí tưởng, và vào mùa thu năm 1900 họ đi đến Kitty Hawk cùng với tàu lượn của mình. Đó là một chiếc “boong kép” với hai cánh, và phía trên mỗi cánh có một mặt vồng lên (cong). Nó không có đuôi, vì lúc ấy họ thấy cái đuôi chẳng cần thiết lắm.

Họ thử cả hai phương án có người điều khiển và không người điều khiển, nhưng khi tàu lượn không người điều khiển họ đặt thêm vật nặng để bù cho trọng lượng của phi công. Wilbur là phi công trong các chuyến bay có người lái; ông nằm trườn bụng trên cánh dưới. Trong mọi lần thử, tàu lượn chỉ ở cách mặt đất chừng mười foot, và nó có các dây buộc giữ lại. Họ đặc biệt hào hứng trong việc thử nghiệm thiết bị làm vênh cánh mà họ gắn vào tàu lượn. Như vỡ lẽ, họ vô cùng hài lòng với sự hoạt động suôn sẻ của nó. Tuy nhiên, đã có phương trình Smeaton để tính lực nâng, họ thất vọng thấy lực nâng dường như quá nhỏ so với phương trình dự đoán. Tuy vậy, nói chung họ hài lòng với những kết quả của mình và biết rằng cần có thêm cải tiến.4

Tàu lượn đầu tiên của anh em Wright

Tàu lượn đầu tiên của anh em Wright

Trong vài tháng sau đó, họ làm việc cuống cuồng để chế tạo một chiếc tàu lượn mới. Nó có sải cánh lớn hơn nhiều, và có những cải tiến trên thiết bị làm vênh cánh. Lần này họ tới Kitty Hawk vào tháng Bảy, và trong tháng Bảy và tháng Tám họ đã thực hiện khoảng một trăm chuyến bay với cự li đa dạng từ hai mươi đến bốn trăm foot. Mọi thứ đều có vẻ diễn ra suôn sẻ, nhưng một lần nữa họ thất vọng với lực nâng mà tàu lượn đem lại. Nó thấp dưới mức – chỉ khoảng một phần ba – giá trị mà phương trình Smeaton dự đoán, và họ bắt đầu nghi vấn về độ chuẩn xác của phương trình.

Một trong những yếu tố trong phương trình ấy là một hằng số gọi là hằng số Smeaton. Giá trị của nó đã được tính ra trong những năm trước đó và đã trở thành giá trị được chấp nhận, nhưng anh em Wright đoan chắc rằng nó không đúng, và chỉ có một cách duy nhất để chứng minh. Họ phải xây dựng một đường hầm gió; và thật vậy, trong năm sau đó họ đã xây dựng một đường hầm gió trong cửa hàng xe đạp của họ. Nó dài sáu foot, và từ tháng Mười đến tháng Mười Hai năm 1901 họ đã kiểm tra hai trăm hình dạng cánh khác nhau, so sánh các kết quả thực nghiệm của họ với các dự đoán của phương trình Smeaton. Và quả thật họ đã đúng; hằng số Smeaton là không đúng. Không những họ hiệu chỉnh phương trình, mà họ còn học được rất nhiều thứ về cánh máy bay. Như lời Fred Howard, một trong những nhà viết tiểu sử về họ, “Chúng là những thí nghiệm khí động lực học quan trọng nhất và thành công nhất từng được tiến hành trong một khoảng thời gian ngắn chỉ với một vài vật liệu và chi tiết không tốn kém lắm.”5 Các thử nghiệm cũng cho thấy các cánh dài, hẹp hơn thì tốt hơn cái họ đang sử dụng.

Với hiểu biết mới của mình, anh em Wright hăm hở bắt tay vào chế tạo một tàu lượn mới. Nó có cánh dài hơn, hẹp hơn với mặt vồng lên giảm bớt. Lúc này họ cũng nhận thấy rằng việc làm vênh cánh gây ra một lực kéo theo nữa tại đầu cánh, và họ phải đưa nó vào xem xét. Cuối cùng, họ còn gắn thêm vào mẫu mới của họ một cái đuôi với một bánh lái. Tuy nhiên, họ sớm tìm thấy trong những thử nghiệm ban đầu rằng, bánh lái thẳng đứng trên đuôi là quan trọng không chỉ trong việc rẽ hướng, mà cả trong việc rẽ nghiêng và khi hạ độ cao sau khi rẽ. Bây giờ họ có “bộ điều khiển ba trục”: vênh cánh để nghiêng lật, bánh lái độ cao để chao liệng (chuyển động lên xuống), và bánh lái phía sau để rẽ hướng (chuyển động sang bên). Và từ tháng Chín đến tháng Mười năm 1902 họ đã tiến hành một nghìn thử nghiệm. Lúc này họ đã sẵn sàng gắn động cơ cho tàu lượn để đẩy nó.

Loại động cơ nào là tốt nhất? Rõ ràng nó phải càng nhẹ càng tốt, và do vậy, họ quyết định nó phải làm bằng nhôm. Họ đã kiểm tra với một vài nhà sản xuất động cơ, nhưng không ai có thể sản xuất kiểu động cơ mà họ muốn, vì thế họ quyết định tự mình chế tạo nó. May mắn thay, anh thợ máy ở cửa hàng xe đạp của họ là một chuyên gia về động cơ. Họ nói với anh ta cái họ muốn, và trong vòng sáu tuần lễ anh ta đã hoàn thành nó. Nó được đúc bằng nhôm, và như thường gặp lúc ấy, nó có hệ thống bơm nhiên liệu rất thô sơ; xăng được đưa vào nhờ trọng lực.

Chiếc Flyer I, như họ gọi, có sải sánh chỉ nhỉnh bốn mươi foot và cân nặng 605 pound, và nó có một động cơ mười hai mã lực. Nó được làm bằng gỗ vân sam, với hai cánh bọc muslin. Cánh quạt dài tám foot và được thiết kế để tối đa hóa lực nâng. Sau một số suy nghĩ họ quyết định sử dụng thiết kế “cánh đẩy” với các cánh gắn phía sau phi cộng để chúng đẩy con tàu chứ không hút lấy nó.

Tàu lượn đầu tiên của anh em Wright

Ảnh trên: Mẫu tàu lượn năm 1901 của anh em Wright

Ảnh dưới: Mẫu năm 1903 trong đó họ thực hiện chuyến bay đầu tiên được cấp sức đẩy mười hai mã lực.

Khi cuối cùng đã sẵn sàng, họ mang tàu lượn đến Kitty Hawk, hay chính xác hơn, một địa điểm thuộc Kitty Hawk gọi là Kill Devil Hills, nơi gồm những đụn cát cao tới một trăm foot. Họ tới lán trại của mình vào đầu tháng Mười Hai, 1903. Sau một trì hoãn do cánh đẩy bị gãy, họ bắt đầu các thử nghiệm vào ngày 14 tháng Mười Hai. Một lần nữa lại có trục trặc, nhưng họ nhanh chóng khắc phục được; rồi đến cái ngày lịch sử ấy: 17 tháng Mười Hai. Cố gắng đầu tiên được thực hiện bởi Orville; nó gồm một chuyến bay 120 foot trong thời gian mười hai giây. Hai chuyến bay tiếp theo lần lượt đi được 175 và 200 foot. Wilbur và Orville thay phiên nhau làm phi công. Lần đầu tiên trong lịch sử thế giới, một con người bay lượn trên một một chiếc máy bay có sức đẩy đi được một quãng đường đáng kể. Anh em Wright ngây ngất; họ gửi điện báo cho bố mình nhờ ông ta thông tin đến báo chí. Thật bất ngờ, Tạp chí Dayton từ chối đăng tải câu chuyện, họ nói các chuyến bay đó quá ngắn thành ra đâu có gì quan trọng. Thế nhưng tin tức về sự kiện ấy rò rĩ sang những tờ báo khác, họ nhanh chóng đăng tải một câu chuyện hết sức không chính xác làm nản lòng anh em nhà Wright. Các vấn đề sớm được làm sáng, nhưng lạ thay, câu chuyện thoạt đầu chẳng mấy thu hút công chúng.

Anh em nhà Wright tiếp tục chế tạo chiếc Flyer II của họ vào năm 1904, và nó được thử nghiệm ở gần nhà hơn, trên một khoảng đồng trống cách Dayton chừng tám dặm. Không có “gió biển” thổi, việc cất cánh khó khăn hơn, nên họ chế tạo một máy phóng nhờ vật nặng để việc cất cánh dễ dàng hơn. Tuy nhiên, chiếc máy bay mới ấy có sức đẩy lớn hơn, và họ sớm cho nó bay theo vòng tròn. Vào ngày 20 tháng Chín, 1904, họ bay vòng tròn hoàn chỉnh đầu tiên, nhưng đến ngày 1 tháng Mười Hai họ đã bay được gần ba dặm trong bốn vòng tròn phía trên lán trại của mình.

Năm 1905, họ chế tạo Flyer III. Nó có một cải tiến chính: cả ba trục – lên xuống, nghiêng lật, và rẽ hướng – nay đã có bộ điều khiển độc lập của chúng. Một chuyến bay gần hai mươi lăm dặm đã được thực hiện trong những thử nghiệm này.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Chốt đáp số cho bài toán bán kính proton
20/09/2019
Vào năm 2010, các nhà vật lí ở Đức báo cáo rằng họ đã thực hiện được phép đo đặc biệt chính xác về kích cỡ proton,
Tranh cãi vẫn chưa dứt về chuyện tìm thấy sóng hấp dẫn
18/09/2019
Nhóm hợp tác giành giải Nobel LIGO vừa công bố một bài báo mô tả chi tiết hơn bao giờ hết về cách nhóm này phân tích các tín
Lần đầu tiên nghe được ‘tiếng khóc chào đời’ của một lỗ đen mới sinh
17/09/2019
Nếu thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vẫn đúng, thì một lỗ đen ra đời từ sự va chạm chấn động vũ trụ của hai
Tìm hiểu nhanh vật lí hạt (Phần 7)
16/09/2019
Nhà nguyên tử luận đầu tiên Cuộc hành trình của chúng ta đã xuất phát từ đâu? Tôi cho rằng “vật lí hạt” đã khởi
Tìm hiểu nhanh vật lí hạt (Phần 6)
16/09/2019
Tìm kiếm mã code Richard Feynman vĩ đại (1918-88), người cùng nhận Giải Nobel Vật lí cho những đóng góp của ông cho triết học
Giải được bí ẩn nhiễm điện do cọ xát
15/09/2019
Đa số mọi người đều từng trải nghiệm cảm giác tóc dựng đứng sau khi cọ xát bong bóng lên đầu mình hay tia lửa xoẹt
Các nguyên tử tăng tốc đến 5000 km/s khi chúng rơi vào siêu lỗ đen
15/09/2019
Các quan sát về chất khí đang bị nuốt vào siêu lỗ đen tại tâm của các quasar đã làm sáng tỏ thêm về cách những vật thể
Phát hiện hơi nước trên một hành tinh đá ở xa
14/09/2019
Các nhà khoa học vừa phát hiện thấy hơi nước trong khí quyển của một hành tinh đá ở cách Trái Đất 110 năm ánh sáng. Tên

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com