Tại sao các nhà khoa học lại đeo kính bảo hộ cho chim để nghiên cứu về khả năng bay?

Chú chim đeo kính có tên là Obi, một con vẹt Thái Bình Dương (Forpus coelestis) đến từ Đại học Stanford. Thứ mà các nhà khoa học đeo cho nó là một chiếc kính tùy chỉnh được in 3D, chất liệu thấu kính rất bình thường - polycarbonate, có thể ngăn chặn ánh sáng laser trực tiếp. Trước đó, chưa có ai làm kính bảo hộ cho chim nên quá trình sản xuất kính cho chim là quá trình thử và sai, và kết quả là các nhà khoa học đã làm ra được một chiếc kính độ dày và trọng lượng đạt được điều kiện phù hợp nhất.

Obi đã tham gia ba chuyến bay thử nghiệm do các kỹ sư chế tạo robot tại Đại học Stanford dẫn đầu để hiểu rõ hơn về cách bay của các loài chim. Cho đến nay, các lý thuyết chung về cách bay của chim cho rằng hình dạng cong của cánh tạo ra lực nâng để giữ chim bay lên cao; vỗ về tạo ra lực đẩy để đẩy chúng về phía trước; và bay lên cao cho phép chim bay theo dòng chảy để tiết kiệm năng lượng ngay cả khi đang bay trên không.

Các nhà khoa học ban đầu tuyển ba con vẹt Thái Bình Dương để đeo kính bảo hộ, nhưng chỉ một con thích nghi được, và đó là Obi. Họ đã mất hàng tháng trời để cho nó ăn bông cải xanh tươi và hạt mỗi ngày, trước khi có thể huấn luyện nó quen với việc đeo kính bảo hộ.

Như đã đề cập trước đó, kính bảo hộ có vai trò quan trọng đối với Obi - chống tia laser . Ánh sáng quá chói sẽ gây hại cho mắt, chưa kể tia laser có mật độ năng lượng cực cao, khi tia laser chiếu vào nhãn cầu với diện tích chiếu xạ rất nhỏ với năng lượng cao sẽ khiến nhiệt độ của mô nhãn cầu tăng mạnh, và khiến cho nhãn cầu bị bỏng. Ngay cả những loài chim được bảo vệ bằng màng nictitating cũng không thể tránh được tia laser gây hại trực tiếp cho mắt của chúng.

Vậy tại sao phải sử dụng tia laser? Vì các thí nghiệm mà các nhà khoa học muốn thực hiện đòi hỏi phải sử dụng tia laser, và nghiên cứu này chính là thử nghiệm về dòng điện xoáy và lực nâng do chim tạo ra trong quá trình vỗ cánh bay.

Đối với máy bay cánh cố định, áp suất trên bề mặt cánh dưới cao hơn áp suất trên bề mặt cánh trên. Dưới tác dụng của sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt cánh trên và dưới, luồng không khí trên bề mặt cánh dưới đi qua đầu cánh và chảy lên bề mặt cánh trên. Vì các luồng không khí trên và dưới của cánh quạt có hướng dòng chảy khác nhau ở mép sau, nên một xoáy khí cũng theo đó mà được hình thành. Và lực nâng được tạo ra trên cánh càng nhiều thì lực xoáy càng mạnh.

Nói chung, trong nghiên cứu cơ học chất lưu, cần phải quan sát và ghi lại quá trình thay đổi của chất lưu. Để ghi lại những thay đổi của chất lỏng trong không khí, và do đó, cần phải có tia laser để thực hiện quan sát.

Bằng cách cho Obi bay qua một đám mây gồm các hạt khí dung nhỏ được chiếu sáng bởi laze, các nhà khoa học có thể tìm ra cách Obi nâng đỡ trọng lượng cơ thể của mình trong không khí và không khí phản ứng như thế nào khi chim bay qua nó. Sau đó, họ có thể so sánh nó với các mô hình máy tính về chuyến bay của loài chim và xem những mô hình đó có khớp với nhau hay không.

Nhưng ánh sáng laze là không đủ, và cần phải phun một ít chất lỏng aerosol tạo ra một lớp sương mù trong không khí, để cho thấy luồng không khí di chuyển trong quá trình này. Nếu không có aerosol, tia laser sẽ trực tiếp xuyên qua không khí mà không có sự khúc xạ hoặc phản xạ, và đương nhiên nó không thể hiển thị sự thay đổi dòng chảy của không khí.

Khi máy chiếu laser bật và tắt với tốc độ chớp nhoáng lên đến 1.000 lần mỗi giây, các giọt nước sẽ phản chiếu ánh sáng của tia laser. Lúc đó, máy ảnh tốc độ cao sẽ chụp lại được 1.000 khung hình mỗi giây nhằm ghi lại những thay đổi của các hạt sương khi Obi di chuyển.

Biết được sự thay đổi của dòng điện xoáy do con chim tạo ra trong quá trình vỗ cánh, có thể thiết lập một mô hình thông qua phương trình động học của cánh, mô hình khí động học, phương trình động học thái độ và phương trình động lực học của khối tâm, sau đó phân tích lực nâng và kéo vào các thời điểm khác nhau trong suốt quá trình bay, cuối cùng hiểu cách các loài chim vỗ cánh để bay ổn định...

Thử nghiệm này đã cho thấy một bất ngờ lớn. Những mô hình dự đoán cũ cho rằng khi động vật bay, chúng sẽ tạo ra những xoáy không khí và chúng sẽ tồn tại khá lâu cũng như tương đối ổn định. Nhưng khi máy tính ghi lại chuyển động của các hạt sương do Obi tạo ra, những xoáy không khí đã hoàn toàn biến mất sau khi Obi vỗ cánh một vài lần.

Tất nhiên, đây chỉ là một tình huống lý tưởng, vì cuối cùng nhà khoa học vẫn không hiểu được quy luật thay đổi của dòng xoáy (và nó không thể đơn giản như vậy), bởi vậy họ đã cố gắng nghiên cứu nó bằng cách đeo kính bảo hộ cho chim... Cho đến nay, các lý thuyết chung về cách bay của chim cho rằng hình dạng cong của cánh tạo ra lực nâng để giữ chim bay lên cao; vỗ về tạo ra lực đẩy để đẩy chúng về phía trước; và bay lên cao cho phép chim bay theo dòng chảy để tiết kiệm năng lượng ngay cả khi đang bay trên không.

Tham khảo: Earthlymission; Nature; NASA