Vì sao chim điên có thể lao thẳng xuống dưới nước với tốc độ 86km/h mà không bị gãy cổ?

Chim điên (Sulidae) thường bay ở độ cao 30 mét (đôi khi lên tới 100 mét) trên mặt nước. Khi tìm thấy đúng loài cá mà chúng thích ăn, chúng sẽ ngay lập tức gập cánh và lao toàn bộ cơ thể hướng xuống dưới, hành động này khiến cho tốc độ lao xuống nước của chúng lên tới 24m/s (tương đương 86,4 km/h).

Vì nó lao đi rất nhanh nên nếu muốn ghi lại khoảnh khắc loài chim này lao xuống nước, bạn phải sử dụng chế độ chụp ảnh tốc độ cao. Khi nhiếp ảnh gia Steve Ward chụp được bức ảnh một con chim điên đang lao mình xuống nước, anh đã phải đặt tần suất chụp là chụp mười bức ảnh trong một giây và may mắn ghi lại được khoảnh khắc đầu mỏ của nó chạm vào mặt nước.

Vậy câu hỏi đặt ra là tại sao những con chim điên này có thể lao xuống nước với tốc độ cao mà không gặp rắc rối?

Một nhà khoa học đang nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Chất lỏng mô phỏng sinh học của Đại học Bách khoa Virginia đã cố gắng đi tìm lời giải cho câu hỏi này.

Bởi vì trong tự nhiên, dữ liệu thu được qua thiết bị chụp, ghi âm, quan sát và phân tích vẫn chưa đủ chính xác nên một số dữ liệu liên quan đến cơ học không thể trả lời câu hỏi này. Do đó, muốn làm thí nghiệm thì trước tiên phải tìm động vật thí nghiệm.

Tuy nhiên, lúc này lại có thêm những câu khỏi khác, nếu bạn muốn bắt một con chim sống rồi để nó lao xuống nước từ trên cao trong phòng thí nghiệm thì điều này rõ ràng là không thực tế. Bởi thứ nhất, không một con chim điên không hề dễ. Thứ hai, chúng là động vật hoang dã, và chắc chắn chúng sẽ không nghe lời con người, giống như những gì các nhà khoa học mong muốn. Thứ ba, nếu làm như vậy, thí nghiệm này sẽ vi phạm đạo đức phúc lợi động vật.

Vì vậy, các nhà khoa học đã nghĩ ra cách khác và mượn mẫu vật chim chết (cụ thể là chim gannet, một loài trong họ chim điên) từ bảo tàng để có thể tiến hành thí nghiệm và mô phỏng nhiều lần. 

Điều đầu tiên cần làm khi lấy vật liệu thí nghiệm là tìm hiểu đặc điểm hình thái của chúng. Các nhà khoa học đo được bán kính cổ của gannet chỉ 2cm, bán kính hộp sọ chỉ 2,5cm và chiều dài cổ của nó là 21cm. Ngoài ra, các nhà khoa học còn tiến hành giải phẫu và chụp CT đầu và cổ của mẫu vật để tiến hành lập mô hình và phân tích. Cổ của gannet thực sự rất mỏng và dài. Thật khó để tưởng tượng rằng một chiếc cổ mảnh khảnh như vậy sẽ không bị gãy khi phải đối mặt với một tác động lớn từ nước khi lao với vận tốc 86 km/h.

Mẫu vật chim chết mềm nếu bị nhúng xuống nước chắc chắn sẽ không thể bắt chước được cảnh một con chim điên thật lao xuống nước. Vì vậy, các nhà khoa học đã cho mâu vật chim gannet chết vào tủ lạnh một thời gian để cổ của nó trở nên cứng hơn.

Sau đó, các nhà khoa học mang mẫu vật đông lạnh đến phòng thí nghiệm có bể chứa nước và tiến hành hàng loạt thử nghiệm rơi xuống nước, đồng thời sử dụng camera tốc độ cao để ghi lại toàn bộ hình ảnh nó rơi xuống nước.

Thông qua chuyển động chậm của camera tốc độ cao, các nhà khoa học có thể nhìn thấy rõ ràng mọi chi tiết của quá trình này. Khi gannet đông lạnh lao xuống nước với tốc độ 5,5m/s, bạn có thể thấy phần đầu của nó tạo ra một khoang không khí (phần màu tím trong hình bên dưới) trong quá trình khoan xuống nước, ngăn nước tác dụng áp lực trực tiếp trên cổ.

Sau đó, các nhà khoa học đã in 3D một hình nón có kích thước tương đương với mô hình đầu chim nhưng đơn giản và sử dụng một miếng cao su dẻo làm cổ chim. Sau đó, họ nhúng mô hình thí nghiệm vào nước để phân tích lực. Trong khoảng thời gian này, các thông số như độ sắc của nón, độ dài của “cổ” và tốc độ rơi xuống nước sẽ liên tục thay đổi để xem cổ có bị gãy hay không.

Rõ ràng, tốc độ càng nhanh thì khả năng tạo ra khoang không khí càng lớn. Tuy nhiên, khi vượt quá một tốc độ nhất định, cổ cao su sẽ bị uốn cong, tốc độ càng lớn thì biên độ uốn của “cổ” sẽ càng lớn.

Sau khi các nhà khoa học phân tích toàn diện, họ nhận thấy cổ của gannet sẽ không bị gãy vì một số lý do: thứ nhất là mỏ của chúng rất nhọn, góc nhọn có thể làm giảm lực cản khi chúng lao xuóng nước, thứ hai là chúng luôn cố giữ cổ thẳng và ổn định trong quá trình xuống nước; thứ ba, về mặt lý thuyết, cổ của gannet có thể chịu được tốc độ va chạm lên tới 80m/s (288 km/h) trên mặt nước. Một khi vượt quá giá trị này, cổ sẽ bị gãy. Rõ ràng, tốc độ chúng sử dụng nhiều nhất là 24m/s, tức là chưa đến một phần ba tốc độ tối đa mà chúng có thể chịu được.

Tham khảo: Zhihu