Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 46)

CÁC CHI TIẾT VỀ LỰC KÉO THEO

Lực kéo theo là một lực cơ học, và để có nó, vật phải tiếp xúc với không khí. Tất nhiên, đây chính là trường hợp cánh máy bay chuyển động trong không khí. Nói đơn giản, nó là lực ma sát giữa không khí và cánh, và nó được tạo ra bởi sự chênh lệch vận tốc giữa cánh và không khí. Ngoài ra, nó tác dụng trực đối với chiều chuyển động của máy bay. Và cuối cùng, nó được phân loại là lực ma sát khí động lực học.8

Có ba loại lực ma sát kéo theo: ma sát bề mặt, ma sát hình dạng, và ma sát cảm ứng. Ma sát bề mặt là lực ma sát giữa các phân tử không khí đang chuyển động và các phân tử của bề mặt rắn của cánh, vì thế nó phụ thuộc vào sự tương tác giữa các phân tử này. Điều này có nghĩa là một bề mặt rất trơn nhẵn sẽ có ma sát bề mặt thấp hơn một bề mặt gồ ghề. Nó còn phụ thuộc vào độ nhớt của không khí, trong đó độ nhớt là một số đo về mức cản trở nội của một chất lưu chống biến dạng. Ví dụ, mật đường có độ nhớt lớn hơn nước. Khi không khí tiếp xúc với một bề mặt chuyển động, không khí sẽ cố bám theo bề mặt đó. Nói cách khác, nó có một kiểu “kết dính”; bởi vậy, vận tốc tương đối giữa cánh và không khí tại mặt cánh là bằng không. Tuy nhiên, khi bạn dời ra xa cánh, thì vận tốc này dần tăng lên.

Ma sát hình dạng là một lực cản trở khí động lực học đối với chuyển động của một vật trong không khí, phụ thuộc vào hình dạng của vật đó. Hình dạng càng thuôn thì ma sát hình dạng càng nhỏ. Hình giọt nước mắt là một trong những hình dạng có ma sát hình dạng nhỏ nhất. Loại ma sát này đặc biệt quan trọng trong trường hợp xe ô tô; chúng ta uốn các góc của chúng để làm giảm loại lực kéo theo này càng nhiều càng tốt, nhờ đó làm tăng hiệu suất nhiên liệu của ô tô.

Ma sát cảm ứng xuất hiện ở gần đầu mút của cánh uốn cong hoặc biến dạng. “Độ cong hiệu dụng” gây ra một chênh lệch áp suất giữa phía trên và phía dưới của vùng gần đầu mút cánh. Nó được gọi là ma sát cảm ứng vì nó được gây ra bởi tác dụng của các xoáy ở gần đầu mút cánh. Độ lớn của nó phụ thuộc vào hình dạng cánh và lượng lực nâng mà chúng tạo ra. Cánh càng dài, càng mỏng thì lực kéo theo cảm ứng càng nhỏ.

LÁI VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY

Như ta đã thấy ở phần trước, sau nhiều thử nghiệm anh em Wright cuối cùng đã phát triển được một bộ điều khiển ba trục hiệu quả cho phép họ kiểm soát và điều khiển đúng cách máy bay của họ. Vênh cánh dùng cho nghiêng lật, hay chuyển động mạn bên, và bánh lái độ cao trên đôi cánh để điều khiển chuyển động lên xuống, hay chao liệng, còn bánh lái phía sau dùng để điều khiển chuyển động qua lại, hay rẽ hướng. Tuy nhiên, trong vòng vài năm, Glenn Curtiss ở New York đã phát triển cái ngày nay gọi là các cánh nhỏ thay thế cho sự vênh cánh của anh em Wright. Cánh nhỏ là những mặt điều khiển nhỏ gắn với rìa xé gió của cánh.

Vậy làm thế nào chúng ta giữ được kiểm soát đối với một máy bay? Như đã rõ, mỗi việc cất cánh, hạ cánh, và bay lượn đều phải thăng bằng và điều khiển khác nhau. Cánh thường được thiết kế cho lượng lực nâng thích hợp, cùng với tối thiểu lực kéo theo, trong lúc bay lượn. Thế nhưng điều khá rõ ràng là mọi thứ phải khá khác nhau trong lúc cất cánh và hạ cánh. Tốc độ của máy bay nhỏ hơn nhiều vào lúc này, và máy bay phải được điều chỉnh đúng. Và đây là chỗ các thanh mỏng và cánh vỗ xuất hiện. Không có chúng phi công sẽ không thể nào cất cánh hay hạ cánh được.

Thanh mỏng là những mặt gắn bản lề trên cạnh xé gió của cánh dùng để giảm tốc độ của máy bay để nó có thể an toàn cất cánh và hạ cánh. Chúng làm giảm quãng đường cần thiết cho cất cánh lẫn hạ cánh. Khi chúng xòe ra về phía dưới từ cạnh xé gió của cánh, chúng làm thay đổi hiệu quả hình dạng của cánh để tạo ra nhiều lực nâng hơn lúc cất cánh và nhiều lực kéo theo hơn lúc hạ cánh.

Cánh vỗ thực hiện chức năng giống như vậy, nhưng chúng được gắn trên cạnh trước của cánh. Một lần nữa, chúng được dùng để tạm thời làm thay đổi hình dạng của cánh nhằm tăng lực nâng. Trên thực tế, chúng tạm thời làm thay đổi góc tấn. Sử dụng chúng, phi công có thể bay ở tốc độ thấp hươn trong lúc cất cánh và có thể hạ cánh trên đoạn đường ngắn hơn.

Thanh mỏng và cánh vỗ trên máy bay
 

Thanh mỏng và cánh vỗ trên máy bay.

Phần đuôi cho thấy bánh lái, bánh lái độ cao, và cánh cho thấy cánh nhỏ.

Phần đuôi cho thấy bánh lái, bánh lái độ cao, và cánh cho thấy cánh nhỏ.

Phần đuôi của máy bay có hai cánh nhỏ được gọi là bộ thăng bằng ngang và thẳng đứng. Chúng là các cánh vỗ dùng để điều khiển hướng của máy bay. Các cánh vỗ trên cánh đuôi nằm ngang được gọi là bánh lái độ cao, và chúng được dùng để làm máy bay chuyển động lên xuống. Chúng làm thay đổi góc tấn hiệu dụng của bộ thăng bằng ngang, làm tăng lực nâng lên phần sau của máy bay, làm phần mũi lệch xuống. Cánh đuôi thẳng đứng thực hiện chức năng như bánh lái trên tàu thuyền. Nó làm máy bay di chuyển sang trái sang phải.

Trở lại với cánh chính, chúng ta có các cánh nhỏ, chúng nằm gần phần cuối mỗi cánh. Một lần nữa, chúng là các cánh vỗ cho phép máy bay nghiêng, hay liệng, sang phải hoặc sang trái. Có một cánh nhỏ trên mỗi cánh, và chúng hoạt động ngược nhau; nói cách khác, khi cánh này lật lên thì cánh kia lật xuống. Do đó tạo ra thêm lực nâng ở một cánh, giúp máy bay nghiêng lật hoặc xoay vòng.

Một câu hỏi đặt ra ở đây là, máy bay lật nghiêng như thế nào? Điều này cũng đúng với các chuyển động khác của máy bay, và nó đưa chúng ta trở lại với trọng tâm của máy bay. Như ta đã thấy trước đây, đây là điểm bên trong máy bay, nơi xem như tập trung toàn bộ trọng lượng của nó. Giả sử bạn treo máy bay lên từ điểm này thì nó sẽ giữ nguyên cân bằng ở mọi vị trí. Với ý tưởng này trong đầu, hãy tưởng tượng một đường từ mũi máy bay chạy qua trọng tâm và xuyên đến phần đuôi. Đường này được gọi là trục lật, và khi máy bay xoay lật, hay nghiêng, nó chuyển động xung quanh trục này.

Bây giờ hãy tưởng tượng một đường khác bắt đầu từ trên nóc máy bay đi qua trọng tâm và xuyên ra ở bụng của nó. Trục này được gọi là trục rẽ hướng. Nó quan trọng khi phi công điều khiển bánh lái của máy bay. Nó tạo ra một lực sang bên làm quay đuôi sang bên này và mũi sang bên kia. Chuyển động này xung quanh trục rẽ hướng. Cuối cùng, tưởng tượng một đường đại khái song song với hai cánh và đi qua trọng tâm. Nó được gọi là trục chao liệng. Khi bánh lái độ cao của máy bay được điều khiển thay đổi (tạo ra chao liệng) thì máy bay xây dựng xung quanh trục chao liệng.

Hình minh họa các trục chao liệng, rẽ hướng, và lật nghiêng

Hình minh họa các trục chao liệng, rẽ hướng, và lật nghiêng.

LẦN ĐẦU TIÊN SỬ DỤNG MÁY BAY TRONG CHIẾN TRANH

Khía cạnh quan trọng nhất của máy bay, trong chừng mực mà quyển sách này đề cập, là công dụng của chúng trong chiến tranh. Công nghệ đã phát triển nhanh chóng sau những chuyến bay đầu tiên của anh em nhà Wright. Vào năm 1909, phi công người Pháp Louis Bleriot đã thực hiện chuyến bay đầu tiên xuyên qua Eo biển Anh. Và vào năm 1911, Glenn Curtiss người New York đã chế tạo chiếc Curtis model D; nó là máy bay đầu tiên trên thế giới được sản xuất và bán ra với số lượng lớn. Nó khác với máy bay của anh em Wright ở một điểm chính: Curtiss sử dụng các cánh nhỏ trên cánh máy bay của ông thay cho sự vênh cánh. Tuy nhiên, giống như model của anh em Wright, nó có một bộ đẩy gắn với cánh phía sau phi công. Sử dụng model D của ông, Curtiss đã trở thành phi công đầu tiên cất cánh và hạ cánh trên một con tàu. Vào năm 1913, Roland Garros người Pháp là người đầu tiên bay trên Địa Trung Hải; ông bay từ miền nam nước Pháp đến Tunisia. Vào năm 1915, Garros là người đầu tiên gắn một khẩu súng máy lên máy bay. Với nó, trong vòng hai tuần, ông đã bắn hạ bốn máy bay do thám của Đức.

Tuy nhiên, việc sử dụng chính thức đầu tiên của máy bay trong chiến tranh xảy ra vào năm 1911 khi quân Italia, lúc ấy đang tham chiến với người Turk, sử dụng một máy bay để thả lựu đạn lên phe địch dưới mặt đất. Tuy nhiên, lúc Thế chiến Thứ nhất bùng nổ vào năm 1914, ở mỗi phe chỉ có vài chiếc máy bay, và những chiếc sẵn dùng đều tương đối chậm. Chẳng hạn, model sớm nhất của người Anh có tốc độ tối đa là bảy mươi hai dặm trên giờ, và nó được cấp sức đẩy bởi một động cơ chín mươi mã lực. Thế nhưng công nghệ phát triển nhanh chóng, và vào cuối cuộc chiến, chiếc SES của Anh, một chiến đấu cơ, đã có tốc độ tối đa 138 dặm trên giờ và được cấp sức đẩy bởi một động cơ hai trăm mã lực.9

Lúc mở đầu cuộc chiến, toàn bộ máy bay đều có thiết kế bộ đẩy với cánh quạt phía sau phi công, và đa số được dùng cho quan sát và do thám. Tuy nhiên, chẳng mấy chốc thì người ta phát hiện thấy một cánh quạt ở phía trước, hút lấy máy bay, là hiệu quả hơn, và vào cuối cuộc chiến toàn bộ máy bay đều là kiểu bộ hút, hay thiết kế “máy kéo”. Toàn bộ máy bay buổi đầu còn có các động cơ quay với piston gắn theo một vòng tròn xung quanh trục khuỷu. Trên thực tế, các piston quay tròn, mang một cánh quạt quay cùng với chúng. Tuy nhiên, người ta sớm phát hiện thấy rằng động cơ canh thẳng hàng, làm mát bằng nước, thì mạnh hơn nhiều. Và vào cuối cuộc chiến, hầu như toàn bộ máy bay đều có động cơ sắp thẳng hàng.10

Mặc dù lúc đầu cuộc chiến máy bay chỉ được dùng cho quan sát, nhưng các tướng lĩnh ở cả hai phe sớm nhận ra rằng chúng có thể được khai thác hiệu quả hơn nhiều, chúng sớm được dùng cho việc ném bom chiến thuật và chiến lược, và cho chiến tranh trên biển. Và, tất nhiên, máy bay chiến đấu sớm được phát triển, và nó giữ một vai trò quan trọng trong cuộc chiến.

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
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 56)
22/10/2019
Định luật Bode về khoảng cách hành tinh 1766 Johann Elert Bode (1747–1826), Johann Daniel Titius (1729–1796) Định luật Bode, còn gọi
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 55)
22/10/2019
Hiệu ứng giọt đen 1761 Torbern Olof Bergman (1735-1784), James Cook (1728-1779) Albert Einstein từng nói rằng điều khó hiểu nhất ở
Tương lai nhân loại - Michio Kaku (Phần 28)
22/10/2019
HAI CÁCH ĐỂ SỐ HOÁ TÂM TRÍ Thực ra có hai phương án tiếp cận riêng biệt để số hóa bộ não con người. Đầu tiên là Dự
Tương lai nhân loại - Michio Kaku (Phần 27)
22/10/2019
MỘT QUAN ĐIỂM KHÁC VỀ SỰ BẤT TỬ Adaline có thể hối hận về món quà bất tử, và có lẽ cô ấy không đơn độc, nhưng
Thời gian là gì? (Phần 2)
21/10/2019
Vậy thì hãy nói đi: Thời gian là gì? Hãy nói một chút về lũ chồn sương. Để nắm rõ hơn cách các nhà vật lí nghĩ về
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 86)
16/10/2019
Chất siêu chảy Khi những chất lỏng nhất định, ví dụ helium lỏng, khi được làm lạnh xuống chỉ bằng vài độ trên không
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 85)
16/10/2019
Định tuổi bằng phóng xạ Là một ứng dụng tài tình của hiện tượng lượng tử phóng xạ, phép định tuổi bằng phóng xạ
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 26)
14/10/2019
QUÊN VIỆC QUÊN ĐI, VÀ KÝ ỨC CHỤP ẢNH Mặc dù các kỹ năng tự kỷ thông minh có thể được bắt đầu bằng một số chấn

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