Thử nghiệm máy bay trong ống gió. (Hình: NASA)
Không một máy bay hay trực thăng ở trên thế giới mà không qua những thử nghiệm ở trong ống gió (wind tunnel) trước khi được phép bay thật ngoài trời. Xe lửa cao tốc cũng được thử nghiệm qua ống gió để làm sao giảm bớt sức cản của không khí.Ống gió nhiều khi cũng được dùng để thử nghiệm xe hơi và nhà cao tầng. Thế thì ống gió là gì và áp dụng của nó ra sao?
<!>
Cách hoạt động của ống gió
Nói một cách đơn giản ống gió là một ống lớn và có một cánh quạt thật mạnh để tạo ra một luồng gió thổi qua ống. Vật thể cần khảo sát như cánh máy bay hay xe hơi được cột chặt trong ống. Khi không khí di chuyển từ trước ra sau vật thể thì cũng như là vật thể di chuyển trong không khí. Các nhà khoa học dùng ống gió để nghiên cứu những gì sẽ xảy ra đối với vật thể khi bay trong không khí.
Môn khoa học chuyên nghiên cứu sự chuyển động của các vật thể trong không khí được gọi là khí động lực học (aerodynamics). Ống gió là một dụng cụ không thể thiếu được trong ngành khí động lực học.
Đứng về phương diện cấu trúc thì có hai loại ống gió, mở và kín. Ống gió mở có một cánh quạt hút không khí từ ngoài trời qua phòng thử nghiệm và ra lại ngoài trời. Ống gió mở thì đơn giản nhưng không kiểm soát được áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của khí trời. Ống gió kín cũng có cánh quạt để làm không khí luân lưu, nhưng không khí không thoát ra ngoài mà đi theo một ống kín và vòng trở lại. Với ống gió kín các nhà khoa học có thể kiểm soát và thay đổi những tính chất của không khí.
Ống gió có các thành phần chính yếu: một phòng kiểm soát, một phòng để mô hình các vật thể muốn khảo sát và động cơ quay cánh quạt để gây ra luồng không khí luân lưu. Tốc độ của không khí có thể được điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm sức quay của động cơ.
Ống gió có rất nhiều kích thước, từ nhỏ một vài centimét tới lớn như tòa nhà để có thể thử nghiệm máy bay thật. Tùy theo vận tốc gió, ống gió còn có thể chia thành nhiều loại. Loại dưới âm tốc (subsonic) với tốc độ của gió dưới 80% tốc độ âm thanh (khoảng 1,225 km/giờ hay 760 mph). Loại cận âm (transonic) có tốc độ gần với tốc độ âm thanh. Loại siêu âm (supersonic) có tốc độ lên tới sáu lần tốc độ âm thanh. Trên nữa thì gọi là cực siêu âm (hypersonic). Vì hỏa tiễn có thể có vận tốc tới 20 lần tốc độ âm thanh nên cần có ống gió có khả năng thử nghiệm với tốc độ cực siêu âm.
Sơ đồ ống gió mở. (Hình: wikipedia.org)
Sơ đồ ống gió kín. (Hình: wikipedia.org)
Ai phát minh ra ống gió
Từ thời thượng cổ con người nhìn chim bay mà ước mơ mình bay được như vậy. Nhưng những cố gắng bắt chước chim bay bị thất bại một cách thảm thương, nhiều khi bị thiệt mạng. Đến thế kỷ thứ 19 các nhà khoa học mới nhận ra là mình không hiểu gì hết về khoa học bay trên không trung, thí dụ như lực cản là gì và lực nâng là gì. Tức là chưa biết gì về động lực học. Muốn hiểu tất cả những yếu tố để con người có thể bay được thì cần phải có phòng thí nghiệm để thử nghiệm những bộ phận cũng như nguyên mẫu của bộ máy giúp người bay được. Sự suy nghĩ đó đưa các nhà khoa học tới việc thành lập ống gió.
Ông Benjamin Robins (1707-1751) là người đầu tiên gắn những vật có đủ mọi hình dạng vào đầu một đòn dài chừng 4 ft rồi quay tròn đòn đó trong không khí để nghiên cứu sức cản của không khí đối với những vật thể. Ông ta nhận thấy rằng những hình dáng khác nhau, mặc dù có cùng diện tích, gây ra sức cản không khí khác nhau.
Ông George Cayley (1773-1857) cũng dùng tay quay như ông Robins để đo sức cản và sức nâng của nhiều dạng khác nhau của cánh như cánh chim. Trước thời ông Cayley người ta nghĩ là muốn bay thì phải gây ra một sức vừa nâng lên khỏi mặt đất và vừa đẩy ra đằng trước như là chim hay trực thăng. Ông Cayley nhận xét là không cần phải làm như vậy mà chỉ cần dùng động cơ đẩy ra đằng trước. Sự chuyển động của không khí tác động vào cánh máy bay mà tạo ra sức nâng. Đó là một khám phá có tính cách đột phá, sau này là nguyên tắc căn bản của tất cả các máy bay, trừ trực thăng.
Cánh tay quay có nhiều khuyết điểm như có nhiều nhiễu loạn không khí và chuyển động là quay tròn chứ không đi thẳng. Các nhà khoa học thấy cần phải có một phương cách tốt hơn. Ông Frank Herbert Wenham (1824-1908), một hội viên của Hội Hàng Không Anh Quốc, được coi là người đầu tiên chế tạo ra ống gió vào năm 1871. Ống gió của ông Wenham dài 3.7 mét (12 ft) và 45.7 centimét (12 inch) vuông. Ông ta dùng một động cơ hơi nước để quay cánh quạt ở cuối ống gió. Cánh quạt này hút không khí qua ống gió, gây ra sự chuyển động của không khí và có thể tạo ra luồng gió với tốc độ 64 km/g (40 mph). Ông Wenham dùng ống gió để nghiên cứu về tỷ lệ sức nâng và sức cản của nhiều kiểu cánh khác nhau.
Một cánh bay được thử nghiệm trong ống gió. (Hình: magazine.iit.edu)
Hai anh em nhà ông Wright được coi là người đầu tiên bay được lên không trung bằng máy bay của mình. Hai ông Wright sau mấy năm nghiên cứu và thử nghiệm máy bay mà vẫn không thành công nên quyết định xây dựng một ống gió để có điều kiện nghiên cứu kỹ lưỡng về kiểu mẫu máy bay của mình. Nhờ những dữ liệu thu lượm được khi dùng ống gió hai ông Wright đã sửa đổi lại kiểu mẫu của mình cho thích ứng với khí động lực học. Vào năm 1903 hai ông đã thành công bay lên khỏi mặt đất.
Áp dụng của ống gió
Ống gió được dùng nhiều để thử nghiệm máy bay, xe hơi, xe lửa cao tốc, nhà cao tầng, tua bin gió và nhiều thứ khác.
Máy bay: Ống gió của cơ quan NASA là một trong những ống gió lớn nhất thế giới. NASA dùng ống gió để nghiên cứu làm sao cho máy bay tốt và an toàn hơn. Các kỹ sư của NASA có thể thử nghiệm những máy bay kiểu mới, những chất liệu mới cũng như là hình dạng mới của một bộ phận của máy bay. NASA còn dùng ống gió để thử nghiệm các loại hỏa tiễn.
Xe hơi: Một tiêu chuẩn khi vẽ kiểu xe là làm sao càng tốn ít xăng càng tốt. Một yếu tố làm hao xăng là sức cản không khí khi xe chạy nhanh. Các nhà sản xuất xe hơi đều dùng ống gió để khảo sát kiểu vẽ mới để làm sao cho xe ít bị cản gió nhất. Ống gió còn dùng để nghiên cứu xe khi chạy nhanh không bị gió làm bốc lên khỏi mặt đất, vì như vậy thì không được an toàn.
Nhà cao tầng: Bạn có biết là khi trời có gió to phần cao nhất của những nhà chọc trời có thể đung đưa qua lại hơn một thước. Cho nên khi xây nhà cao tầng nhà thiết kế thường làm một mô hình nhà nhỏ trong đó có nhiều dụng cụ đo lường và cho vào một ống gió với luồng gió mạnh thổi vào. Mục đích là để đo lực áp đặt vào tòa nhà là bao nhiêu và cần phải xây dựng với vật liệu như thế nào để chịu được lực tối đa của gió. Nhiều nhà cao tầng còn làm một hệ thống giảm dao động để làm tòa nhà bớt đung đưa, vì dao động nhiều sẽ khiến cho nhiều người cảm thấy chóng mặt như bị say sóng.
Hà Dương Cự
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét