Khí động học là gì: vì sao không khí vô hình vẫn cản đường mọi vật

Khí động học là môn học về cách không khí chuyển động quanh một vật và đẩy, kéo, cản vật đó ra sao. Không khí nhìn thì như không có gì, nhưng nó có khối lượng thật: một mét khối không khí ở gần mặt đất nặng khoảng 1,2 kg. Khi một chiếc xe, một quả bóng hay chính em chạy về phía trước, vật đó phải liên tục gạt đám không khí này sang hai bên — và việc gạt ấy tốn sức. Phần sức bị "ăn mất" đó gọi là sức cản không khí.

Không khí vô hình nhưng có thật

Người ta hay nghĩ không khí là "khoảng trống". Thật ra quanh em lúc nào cũng có vô số phân tử khí — chủ yếu là ni-tơ và ô-xi — chạy loạn xạ và va vào mọi bề mặt. Chính những cú va chạm nhỏ li ti đó tạo ra áp suất khí quyển.

Một căn phòng ngủ cỡ 4 m × 4 m, cao 3 m chứa 48 mét khối không khí. Nhân với 1,2 kg, căn phòng đó chứa gần 58 kg không khí — nặng ngang một người lớn. Em không cảm thấy sức nặng này vì không khí bao quanh từ mọi phía và cơ thể đã quen với nó. Nhưng hễ em di chuyển nhanh xuyên qua nó, em sẽ cảm thấy ngay: đạp xe xuống dốc, gió ép vào ngực và làm tóc bay ngược ra sau.

Điều đáng nhớ: với không khí, không phải vật đứng yên còn gió thổi, hay gió đứng yên còn vật chạy — kết quả như nhau. Đứng trước chiếc quạt thổi gió 20 km/h cũng giống như chạy xe đạp 20 km/h khi trời lặng. Đây chính là ý tưởng mà các kỹ sư dùng khi xây đường hầm gió: giữ xe đứng yên và thổi gió vào nó.

Sức cản lớn hay nhỏ phụ thuộc vào gì

Các nhà khoa học đã đo rất nhiều và rút ra bốn yếu tố chính quyết định sức cản không khí lên một vật:

1. Tốc độ. Đây là yếu tố mạnh nhất. Sức cản tăng theo bình phương tốc độ: chạy nhanh gấp đôi thì sức cản lớn gần gấp bốn, nhanh gấp ba thì gấp chín. Vì vậy đi chậm hầu như không thấy gió cản, nhưng đi nhanh thì không khí như một bức tường mềm.
2. Diện tích mặt trước. Là phần vật "chắn" luồng gió, giống bóng của vật khi chiếu đèn từ phía trước. Người đạp xe cúi rạp xuống sẽ nhỏ mặt trước hơn người ngồi thẳng lưng.
3. Hình dạng. Hai vật có cùng diện tích mặt trước có thể chịu sức cản chênh nhau hàng chục lần, chỉ vì hình dạng khác nhau.
4. Mật độ không khí. Không khí trên núi cao loãng hơn dưới đồng bằng nên cản ít hơn. Không khí lạnh đặc hơn không khí nóng một chút.

Các kỹ sư gói ảnh hưởng của hình dạng vào một con số gọi là hệ số cản, viết tắt là Cd. Số càng nhỏ thì hình càng "trơn" với gió.

Hình dạng nào lướt gió tốt nhất

Bảng dưới đây là các giá trị gần đúng thường gặp trong sách giáo khoa cơ học chất lưu. Con số thật thay đổi theo tốc độ và độ nhám bề mặt, nên em chỉ cần nhớ thứ tự lớn nhỏ.

Hình dạng (gió thổi từ trái sang)	Hệ số cản gần đúng	Ví dụ đời thường
Tấm phẳng đặt vuông góc với gió	khoảng 1,1–1,3	Tấm bìa cầm chắn gió, biển quảng cáo
Khối lập phương	khoảng 1,0	Thùng các-tông
Hình cầu	khoảng 0,4–0,5	Quả bóng
Ô tô con hiện đại	khoảng 0,25–0,35	Xe gia đình
Hình giọt nước, đầu tròn đuôi nhọn dần	khoảng 0,04–0,1	Thân cá, thân chim khi bay, cánh máy bay

Điều bất ngờ nằm ở cái đuôi. Nhiều người nghĩ chỉ cần mũi nhọn là lướt gió tốt. Thật ra phần lớn sức cản sinh ra ở phía sau vật. Khi không khí chảy qua một vật có đuôi cụt, nó không kịp bám theo bề mặt mà bị bứt ra, để lại phía sau một vùng xoáy lộn xộn, áp suất thấp. Vùng áp suất thấp này "mút" vật về phía sau. Một cái đuôi thon dần giúp dòng khí khép lại êm ái, vùng xoáy nhỏ đi, sức cản giảm hẳn.

Đó là lý do cá ngừ, chim én và cánh máy bay đều có dạng đầu tròn, đuôi thon. Thiên nhiên đã "thử nghiệm" hình dạng này qua hàng triệu năm trước khi con người có đường hầm gió.

Hai loại sức cản: ép mặt và cọ xát

Sức cản không khí thật ra gồm hai phần, và hiểu được chúng giúp em đọc được rất nhiều thiết kế.

Sức cản do áp suất (cản hình dạng)

Phía trước vật, không khí bị dồn lại nên áp suất cao. Phía sau, vùng xoáy có áp suất thấp. Chênh lệch trước–sau này đẩy vật lùi lại. Với vật to và cùn như xe tải, thùng hàng, loại cản này chiếm phần lớn.

Sức cản do ma sát bề mặt

Lớp không khí sát bề mặt bị "dính" lại, lớp ngoài trượt lên lớp trong. Sự cọ xát giữa các lớp khí tạo ra lực cản nhỏ trải đều trên toàn bộ bề mặt. Với vật dài và thon như thân máy bay, loại cản này đáng kể hơn.

Có một chuyện thú vị: đôi khi bề mặt hơi nhám lại giảm được tổng sức cản. Quả bóng golf có hàng trăm vết lõm nhỏ chính vì thế. Các vết lõm khuấy nhẹ lớp khí sát bề mặt, giúp dòng khí bám theo quả bóng lâu hơn trước khi bứt ra, nên vùng xoáy phía sau nhỏ lại. Mẹo này chỉ có tác dụng ở một khoảng tốc độ nhất định, nên không phải xe nào cũng làm nhám bề mặt.

Khí động học không chỉ là chuyện của xe đua

Hầu như mọi thứ chuyển động trong không khí đều chịu luật này:

• Xe đạp: khi đạp trên đường bằng ở tốc độ khoảng 25 km/h trở lên, phần lớn sức đạp của người đi xe là để thắng sức cản không khí, chứ không phải để thắng ma sát của bánh xe. Đó là lý do các vận động viên đua xe đạp mặc đồ bó sát, đội mũ thuôn dài và nép sau lưng nhau.
• Xe tải: nhiều xe tải đường dài gắn tấm chắn gió cong trên nóc cabin để không khí trượt qua thùng hàng thay vì đập thẳng vào mặt thùng cao hơn cabin.
• Tàu cao tốc: tàu Shinkansen của Nhật có mũi rất dài. Một phần lý do là giảm tiếng "bùm" khi tàu lao vào đường hầm, vì mũi tàu nén không khí trong hầm như một chiếc pít-tông.
• Nhà cao tầng: kiến trúc sư thử mô hình tòa nhà trong gió để biết tòa nhà rung lắc ra sao khi bão về.
• Hạt giống: hạt cây chò và cây dầu ở rừng Việt Nam có cánh, khi rơi thì xoay tròn như chong chóng. Sức cản không khí làm hạt rơi chậm, gió kịp mang hạt đi xa cây mẹ.

Thử làm: ba thí nghiệm nhìn thấy sức cản

Không cần dụng cụ đặc biệt. Làm ở nhà hoặc ở lớp, tốt nhất có một bạn ghi chép.

Thí nghiệm 1: Hai tờ giấy

1. Lấy hai tờ giấy A4 giống hệt nhau. Vo một tờ thành cục tròn chặt, tờ kia để phẳng.
2. Đứng trên mặt đất bằng (không đứng lên ghế), giơ hai tay ngang nhau và thả cùng lúc.
3. Quan sát: cục giấy vo rơi xuống gần như ngay lập tức, tờ phẳng lượn lờ rất lâu.

Hai tờ giấy nặng như nhau, trọng lực kéo như nhau. Khác biệt duy nhất là hình dạng và diện tích mặt trước. Đây là bằng chứng rõ nhất rằng không khí cản vật rơi.

Thí nghiệm 2: Dù giấy

Cắt một hình vuông 20 cm × 20 cm từ túi ni-lông mỏng, buộc bốn góc vào bốn sợi chỉ dài bằng nhau khoảng 25 cm, chụm đầu chỉ lại và buộc vào một chiếc kẹp giấy. Thả từ độ cao ngang vai, bấm giờ bằng điện thoại. Rồi làm thêm dù 30 cm × 30 cm và so. Em sẽ thấy dù to rơi chậm hơn. Ghi số vào bảng, mỗi kiểu thả ba lần rồi lấy trung bình.

Thí nghiệm 3: Hình dạng trước quạt

Nhờ người lớn đặt quạt bàn ở số nhỏ nhất, có lồng quạt chắc chắn. Treo lần lượt ba vật nhẹ có cùng chiều rộng bằng sợi chỉ trước quạt: một miếng bìa phẳng, một nửa quả bóng bàn cắt sẵn (người lớn cắt), và một mẩu xốp gọt hình giọt nước. Vật nào bị gió đẩy lệch nhiều nhất thì chịu sức cản lớn nhất. Không thò tay hay vật cứng vào lồng quạt.

Những hiểu lầm hay gặp

• "Vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ." Trong chân không, mọi vật rơi như nhau. Năm 1971, phi hành gia David Scott thả một chiếc búa và một chiếc lông chim trên Mặt Trăng, nơi không có không khí, và cả hai chạm đất cùng lúc. Trên Trái Đất, vật nhẹ mà to bị không khí cản nhiều hơn so với sức nặng của nó, nên mới rơi chậm.
• "Mũi nhọn là đủ." Như đã nói, cái đuôi quan trọng không kém, thậm chí hơn.
• "Khí động học chỉ quan trọng khi đi thật nhanh." Đúng là sức cản tăng rất nhanh theo tốc độ, nhưng ngay cả hạt bụi, hạt phấn hoa hay chiếc lá rơi cũng bị không khí chi phối hoàn toàn.

Câu hỏi thường gặp

Khí động học là gì nói ngắn gọn?

Khí động học là môn nghiên cứu cách không khí chảy quanh một vật đang chuyển động và các lực mà không khí tác động lên vật đó, như sức cản hay lực nâng. Nó giải thích vì sao máy bay bay được, vì sao xe đua thấp và vì sao tờ giấy phẳng rơi chậm hơn cục giấy vo.

Vì sao chạy càng nhanh càng thấy gió cản mạnh?

Vì sức cản không khí tăng theo bình phương tốc độ. Nhanh gấp đôi thì sức cản tăng gần gấp bốn. Ở tốc độ đi bộ em gần như không nhận ra, nhưng khi đạp xe xuống dốc thì gió ép vào người rất rõ.

Hệ số cản Cd là gì?

Hệ số cản là con số cho biết một hình dạng "trơn" với gió đến đâu, không tính kích thước và tốc độ. Tấm phẳng chắn gió có Cd khoảng 1,1–1,3, quả cầu khoảng 0,4–0,5, còn hình giọt nước chỉ khoảng 0,04–0,1. Số càng nhỏ, vật càng ít bị không khí cản.

Vì sao hình giọt nước lại ít bị cản?

Đầu tròn của giọt nước rẽ không khí êm, còn phần đuôi thon dần giúp dòng khí khép lại phía sau mà không bứt ra thành vùng xoáy lớn. Vùng xoáy chính là nơi sinh ra phần lớn sức cản, nên hình giọt nước có sức cản rất nhỏ.

Ở nhà có thí nghiệm nào đơn giản để thấy sức cản không khí?

Thả cùng lúc một tờ giấy phẳng và một tờ giống hệt đã vo tròn. Cục giấy vo rơi nhanh hơn hẳn dù hai tờ nặng như nhau. Muốn làm kỹ hơn, em có thể làm dù bằng túi ni-lông với hai kích thước rồi bấm giờ thời gian rơi.