Máy bay lượn tự do như côn trùng

Một nghiên cứu mới mở ra khả năng chế tạo những chiếc máy bay có thể lượn tự do giữa không trung, giống cách nhiều loài côn trùng duy trì chuyển động linh hoạt. Phát hiện này thách thức quan niệm quen thuộc rằng một vật thể muốn bay ổn định phải phân bổ trọng lượng thật cân bằng. Thay vào đó, khả năng lượn có thể phụ thuộc mạnh vào vị trí trọng tâm, đặc biệt là cách trọng lượng được sắp xếp từ trên xuống dưới. Công trình do nhóm chuyên gia thuộc Đại học New York, Mỹ, dẫn đầu bởi giáo sư Jun Zhang thực hiện trong một nghiên cứu về chuyển động trên không. Các nhà khoa học tập trung tìm hiểu điều gì giúp một cấu trúc duy trì trạng thái cân bằng khi không có lực đẩy liên tục như máy bay thông thường. Kết quả cho thấy những cấu trúc có phần đỉnh nặng hơn lại di chuyển dễ dàng hơn, trái với suy luận lâu nay về sự ổn định của vật thể bay. Để kiểm tra giả thuyết, nhóm nghiên cứu tạo ra nhiều mẫu côn trùng bằng giấy, mỗi mẫu được thiết kế với một vị trí trọng tâm khác nhau. Những mô hình này mô phỏng các cấu trúc nhỏ có thể rơi, lượn hoặc duy trì chuyển động trong không khí theo nhiều cách khác nhau. Việc sử dụng mẫu giấy giúp các chuyên gia quan sát rõ ảnh hưởng của sự phân bố trọng lượng mà không bị chi phối bởi hệ thống động cơ phức tạp. Kết quả thí nghiệm cho thấy phần lớn mẫu côn trùng có trọng tâm nằm ở khu vực phía đỉnh di chuyển thuận lợi hơn trong không khí. Các mô hình này có khả năng duy trì trạng thái cân bằng tốt hơn, đồng thời tiếp tục lượn thay vì nhanh chóng mất kiểm soát trong quá trình chuyển động. Ngược lại, những mẫu có trọng tâm ở phần đáy gần như không thể giữ được sự ổn định cần thiết để lượn. Phát hiện ấy đặc biệt đáng chú ý vì nó đảo ngược suy nghĩ phổ biến về cách thiết kế các thiết bị bay nhỏ và nhẹ. Trước đây, nhiều người có thể cho rằng trọng lượng nên được phân bổ đều hoặc tập trung thấp để tạo cảm giác chắc chắn cho cấu trúc. Thí nghiệm mới gợi ý rằng phần đỉnh nặng hơn đôi khi lại giúp vật thể phản ứng phù hợp với dòng không khí, từ đó duy trì chuyển động ổn định hơn. Nếu được phát triển thêm, nguyên lý này có thể hỗ trợ việc chế tạo nhiều thiết bị lượn, trong đó có những loại máy bay phục vụ mục đích quân sự. Các kỹ sư có thể nghiên cứu cách phân bố trọng lượng mới để tạo ra phương tiện hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện không khí thay đổi. Tuy nhiên, phát hiện hiện tại mới chủ yếu dựa trên các mẫu côn trùng bằng giấy, chưa phải một thiết kế máy bay hoàn chỉnh sẵn sàng đưa vào sử dụng. Trong thực tế, hiện chỉ có vài loại máy bay có khả năng lượn hoặc duy trì hoạt động tương tự trong điều kiện không khí ổn định. Hai ví dụ được nhắc đến là AV-8 Harrier và V-22 Osprey của quân đội Mỹ, những phương tiện từng được phát triển để đáp ứng các yêu cầu bay đặc biệt. Dù vậy, các máy bay này chưa hoạt động đúng như kỳ vọng, còn những mẫu cùng loại được chế tạo trong nhiều năm qua vẫn gặp trở ngại đáng kể. Hai vấn đề nổi bật nằm ở mức tiêu thụ năng lượng cao và khoảng thời gian lượn tương đối ngắn trong quá trình vận hành. Những hạn chế đó khiến việc tạo ra một phương tiện vừa ổn định, vừa tiết kiệm năng lượng, vừa có thể lượn lâu trở thành bài toán khó đối với giới kỹ thuật. Nghiên cứu về trọng tâm có thể cung cấp một hướng tiếp cận khác, dù vẫn cần nhiều thử nghiệm trước khi tạo ra ứng dụng thực tế đáng tin cậy. Điểm quan trọng của công trình không chỉ nằm ở hình ảnh những mẫu côn trùng giấy chuyển động trong không khí. Nghiên cứu còn cho thấy các quy tắc tưởng như hiển nhiên về sự cân bằng có thể không áp dụng giống nhau cho mọi vật thể bay. Công trình được đăng trên chuyên san Physical Review Letters, mở thêm cơ sở khoa học cho việc tìm hiểu những thiết bị có khả năng lượn tự nhiên, linh hoạt và hiệu quả hơn.