Bí mật của thuyền buồm có thể “lội chiều gió” tiến ra đại dương

Thuyền buồm có thể đi ngược chiều gió? Có lẽ các bạn sẽ cho đây là một điều phi lý. Nhưng bí mật sau đây mà chúng tôi tiết lộ về quy luật vận động của thuyền buồm sau chắc chắc sẽ đưa cho các bạn những ngạc nhiên tột độ.

Trước hết chúng ta cần hiểu về quy luật tác động  của gió đến buồm. Để hiểu được nguyên lý này, chúng ta hãy nhớ lại một chút kiến thức về tổng hợp lực và phân tích lực.

Tác động của gió lên cánh buồm

Tác động của gió lên cánh buồm

Quả như vậy. Giả sử gió thổi theo chiều được chỉ bằng các mũi tên trên hình, đường AB biểu thị cánh buồm. R là lực đẩy của gió tác dụng vào cánh buồm. Lực này phân thành hai lực: lực Q vuông góc với cánh buồm và lực P song song theo chiều dọc của cánh buồm. Vì sự ma sát của gió với cánh buồm là không đáng kể, nên lực P chỉ trượt qua chứ không tác dụng gì tới buồm.  Chỉ còn lại lực Q đẩy buồm dưới một góc vuông với mặt buồm mà thôi.

Nếu như đã hiểu về sự tác động của gió đến cánh buồm, chúng ta có thể dễ dàng giải thích được một hiện tượng đáng ngạc nhiên: thuyền buồm có thể chạy theo góc nhọn ngược chiều gió như thế nào.

Tác động của gió đến thuyền buồm

Tác động của gió đến thuyền buồm

Giả sử đường KK biểu diễn đường sống thuyền. Gió thổi dưới một góc nhọn đến đường này theo hướng chỉ bằng các mũi tên. Đường AB biểu diễn cánh buồm. Người cầm lái phải  bố trí vị trí sao cho mặt phẳng của cánh buồm chia góc tạo nên giữa hướng gió và hướng của sống thuyền thành hai phần bằng nhau. Sức gió đẩy vào buồm biểu thị bằng lực Q, mà như chúng ta đã phân tích ở trên, nó phải vuông góc với buồm. Lực này được phân thành hai lực: lực R vuông góc với sống thuyền, và lực S hướng về phía trước dọc theo đường sống thuyền. Bởi vì chuyển động của thuyền về phía R gặp phải sức cản rất lớn của nước (thuyền buồm có long cốt rất sâu), nên lực R hầu như cân bằng với lực cản của nước, coi như không có tác dụng gì. Chỉ còn lại lực S, như các bạn thấy đấy, lực này hướng về phía trước và đẩy thuyền tiến lên. Hướng đi này tạo thành một góc nhọn ngược với chiều gió.

Nhưng để di chuyển trên một chặng đường dài, thuyền phải đi theo đường dích dắc như được trình bày ở hình dưới, để điểm dừng không bị lệch nhiều so với điểm xuất phát.

Đường đi zic zắc của thuyền buồm

Đường đi zic zắc của thuyền buồm

Như vậy, chúng ta đã lý giải được vì sao thuyền buồm có thể đi ngược với chiều gió. Bản thân thuyền buồm không có động lực, nó chỉ lợi dụng sức gió tác động vào buồm theo cơ chế: dù thổi về hướng nào đi nữa, gió vẫn đẩy vuông góc với mặt phẳng của buồm.

Tuy nhiên, không phải lúc nào thuyền buồm cũng có thể hoạt động như thế. Mà khi di động theo một góc nhọn nhất định đối với chiều gió, thì nguyên lý trên mới hoạt động được. Góc đó rất nhỏ, chỉ gần bằng một phần tư của góc vuông, khoảng 22 độ.

Thế mới biết, những người cầm lái phải hiểu rõ nguyên lí cũng như cần xác định chính xác hướng gió, cũng như góc chỉnh làm sao cho chuẩn. Họ đích thực là những “người nghệ sĩ trên sông nước” chèo chống con thuyền ra đại dương.