CreatZy Physics Notes: Từ Tàu thuỷ Đến Máy bay

Máy bay của con người hiện đại có lợi thế là di chuyển nhanh, nhưng lại quá tốn kém. Ngược lại, di sản tàu thủy của con người cổ đại là phương tiện vận tải tiết kiệm nhất nhờ vào tính "lưu chuyển" của nước, nhưng lại quá chậm chạp. Tàu thuỷ chở khách còn gặp vấn đề là sự tròng trành do sóng nước gây ra, nhất là đi trên biển. Để tận dụng tính lưu chuyển, sức đẩy của nước mà vẫn di chuyển nhanh và thăng bằng (không bị tròng trành), con người từ cổ xưa đến tận bây giờ đã nghĩ ra nhiều thứ lai tạp giữa tàu thuỷ và máy bay:

Thuyền nhiều thân (multihull): Từ thời cổ đại, những người Tamil (Ấn độ) và những người Polynesia (trong quần thể các đảo nam Thái Bình Dương) đã biết cách ghép 2 chiếc thuyền song song với nhau và cách nhau một khoảng rộng (hoặc một thuyền và một thân gỗ nổi) để tạo thành những con thuyền hai thân hết sức đơn giản mà lại rất thăng bằng trên sóng nước. Chúng đã giúp cho họ trở thành những người đầu tiên đi khai phá những hòn đảo xa xôi nhất ở giữa Thái Bình Dương, và thậm chí đến cả Nam Mỹ trước Columbus gần một nửa thiên niên kỷ. Mãi đến Thế chiến Thứ 2, "thế giới văn minh" mới quay lại phát hiện ra họ và những hòn đảo viễn dương này.
Tàu cánh ngầm (hydrofoil): "Một chiếc tàu với 2 cái cánh" là ý tưởng đơn giản của tàu cánh ngầm: 2 cánh giống như 2 cánh máy bay có tác dụng nâng thân tàu lên (khỏi mặt nước) khi di chuyển với tốc độ cao. Vậy là nó "lướt" trên mặt nước giống như ta chơi lướt ván vậy. Chỉ khác là 2 cái cánh của nó chìm dưới mặt nước nên rất ổn định chứ không bị "nhảy tưng tưng" trên sóng nước. Với thiết kế đó, tàu cánh ngầm có các ưu điểm sau:
- Di chuyển nhanh: Thân tàu không chạm nước nên chỉ ma sát với không khí (rất nhỏ). Chỉ có 2 cái chân và 2 cánh là phải "xé nước", nhưng diện tích tiếp xúc nước của chúng nhỏ hơn rất nhiều so với thân tàu.
- Thăng bằng: 2 cánh di chuyển dưới mặt nước nên không bị ảnh hưởng bởi sóng.
- Tải trọng lớn: Sức đẩy của nước lớn hơn nhiều so với sức đẩy của không khí, nên tải trọng của nó lớn hơn nhiều so với một máy bay tương đương.
- Chi phí thấp: So với một máy bay tương đương thì chi phí thấp hơn nhiều.
Máy bay mặt nước (ekranoplan): Một bước nữa đi xa hơn tàu cánh ngầm, máy bay mặt nước cách ly hoàn toàn với mặt nước nên giảm tối đa ma sát và hoàn toàn không bị sóng nước làm mất thăng bằng. Nhờ vậy mà máy bay mặt nước bay nhanh như máy bay, thăng bằng như máy bay, nhưng nhờ lực đẩy của đệm khí giữa cánh máy bay và mặt nước mà nó tiết kiệm hơn nhiều so với máy bay trên cao. Đệm khí (ground effect) là một khái niệm phức tạp của động lực học chất lưu, nhưng ta có thể hiểu đại khái như sau: Cánh máy bay được thiết kế giống như cánh quạt để "đẩy" không khí xuống dưới khi di chuyển, nhờ đó mà có phản lực đẩy cánh và cả máy bay lên. Trên không trung thì không khí bị "đẩy xuống" bao nhiêu đều "rớt" hết xuống dưới vì không có gì cản nó bên dưới (chỉ có không khí, cản không đáng kể). Còn ngay sát trên mặt nước thì do có mặt nước chắn ngay bên dưới nên khi bị đẩy xuống thì không khí bị "nén lại" (như cái lò xo) tạo nên lực đẩy cánh và cả máy bay lên trên mạnh hơn.

Galary Nhiều Thân

Catamaran "nhổng bánh":

Catamaran tốc độ cao:

Galary Cánh Ngầm

Thuyền buồm cánh ngầm:

Xe đạp nước cánh ngầm:

Cano cánh ngầm (1 cánh giữa):

Kayak cánh ngầm (1 cánh giữa):

Lướt ván cánh ngầm:

Lướt ván kéo cánh ngầm:

Lướt ván diều cánh ngầm:

Lướt ván buồm cánh ngầm: