Khí động học cây lao: trọng tâm, mô-men và vì sao lao mới cắm đất sớm

Cây lao bay thế nào phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điểm: trọng tâm, nơi khối lượng dồn về, và tâm áp lực, nơi lực khí động tác động. Khi tâm áp lực nằm sau trọng tâm, không khí tạo một mô-men xoay mũi lao chúi xuống theo đường bay, giống mũi tên cắm đất. Lao nam thiết kế mới từ năm 1986 dời trọng tâm lên phía trước, làm mô-men này mạnh hơn: lao chúi mũi sớm, rơi gần hơn, nhưng cắm đất rõ ràng, dễ phân xử — và không còn bay vượt ra khỏi sân.

Hai điểm quyết định đường bay

Một vật bay trong không khí chịu hai nhóm lực chính ngoài trọng lực: lực cản ngược hướng chuyển động và lực nâng vuông góc với hướng chuyển động. Với một vật dài như cây lao, tổng các lực khí động có thể coi như đặt tại một điểm gọi là tâm áp lực. Trọng lực thì đặt tại trọng tâm.

Nếu hai điểm trùng nhau, không khí chỉ đẩy lao chứ không làm nó xoay. Nếu không trùng, lực khí động tạo ra một mô-men quay quanh trọng tâm — gọi là mô-men chúc ngóc (pitching moment). Hướng và độ lớn của mô-men này quyết định lao giữ nguyên tư thế, ngóc mũi lên hay chúi mũi xuống trong khi bay.

Lao kiểu cũ: lướt như tàu lượn

Trước năm 1986, tâm áp lực của lao nam nằm khá gần trọng tâm. Mô-men lái nhỏ, nên lao giữ góc nghiêng ban đầu khá lâu trong khi đường bay đã cong xuống. Lúc ấy lao có góc tấn dương — thân lao nghiêng lên so với hướng bay — và sinh ra lực nâng như cánh máy bay. Người ném giỏi biết ra tay sao cho lao "cưỡi" lên luồng khí, lướt một đoạn dài ở cuối quỹ đạo.

Hai vấn đề nảy sinh. Thứ nhất, lao lướt thường rơi bẹt, đuôi chạm đất cùng lúc hoặc trước mũi, khiến trọng tài khó xác định lần ném có hợp lệ không. Thứ hai, thành tích bắt đầu vượt quá kích thước sân. Năm 1984, Uwe Hohn (Đông Đức) ném được 104,80 m — một khoảng cách khiến ban tổ chức lo lao có thể bay vượt khỏi bãi cỏ giữa sân, rơi vào khu vực đường chạy nơi các nội dung khác đang diễn ra.

Thay đổi năm 1986: dời trọng tâm lên trước

Liên đoàn Điền kinh Quốc tế (nay là World Athletics) đổi quy cách lao nam từ năm 1986. Khối lượng giữ nguyên 800 g, nhưng trọng tâm được dời lên phía trước — thường được nêu là khoảng 4 cm. Khoảng cách giữa trọng tâm và tâm áp lực tăng lên, mô-men lái mạnh hơn. Kết quả vật lý:

• Lao chúi mũi xuống sớm hơn, góc tấn nhanh chóng về gần không rồi âm, lực nâng ít đi.
• Lao ít lướt, đường bay gần với parabol có lực cản hơn.
• Mũi lao chạm đất trước một cách rõ ràng, dễ phân xử.
• Thành tích giảm đáng kể. Kỷ lục thế giới phải tính lại từ đầu với lao mới.

Lao nữ (600 g) được đổi theo hướng tương tự năm 1999. Luật ném lao hiện hành và tác động lên thành tích được trình bày ở danh mục ném lao – ném đĩa. Ở đây ta chỉ nói về cơ chế: thay đổi vài centimet vị trí trọng tâm đủ đổi tính chất bay của cả cây lao dài hơn hai mét rưỡi.

Câu chuyện đuôi lao nhám

Ít năm sau, một số nhà sản xuất làm phần đuôi lao nhám hoặc có khía. Bề mặt này thay đổi luồng khí ở đuôi, lấy lại một phần khả năng lướt, và thành tích lại tăng lên. Liên đoàn quốc tế cấm loại lao này vào đầu thập niên 1990 và không công nhận các kỷ lục lập bằng nó. Câu chuyện cho thấy khí động học cây lao nhạy đến mức nào: vài chi tiết bề mặt cũng thay đổi được kết quả hàng mét.

Ba góc người ném phải canh

Với lao, "góc ném" không chỉ có một. Các nghiên cứu khí động học, trong đó có mô phỏng của Mont Hubbard và cộng sự từ những năm 1980, phân biệt ba góc lúc ra tay:

1. Góc bay ra: góc giữa hướng vận tốc và mặt đất. Ở người ném giỏi thường khoảng 32–36 độ, thấp hơn 45 độ vì lực cản và vì điểm ra tay cao hơn mặt đất.
2. Góc tư thế: góc giữa trục cây lao và mặt đất.
3. Góc tấn: hiệu giữa hai góc trên — thân lao lệch bao nhiêu so với hướng bay. Ra tay với góc tấn lớn làm lực cản tăng vọt, lao "phanh" ngay từ đầu.

Kỹ thuật ra tay tốt là kéo lực thẳng dọc trục cây lao, để góc tấn lúc ra tay nhỏ. Lực kéo lệch trục còn làm lao rung lắc sau khi rời tay — phần năng lượng ấy mất đi thay vì thành tốc độ. Người xem có thể thấy rõ trên video quay chậm: lao của người ném giỏi bay "êm", lao của người ném vụng uốn lượn như cọng bún trong vài chục mét đầu.

Tốc độ vẫn là vua

Dù khí động học quan trọng, tốc độ ra tay vẫn quyết định phần lớn khoảng cách. Người ném nam trên 85 m thường ra tay với tốc độ khoảng 28–30 m/s. Thử tính bỏ qua không khí: ở 30 m/s, góc 35 độ, điểm ra tay cao khoảng 1,8 m, vật bay gần 89 m. Với lao kiểu mới, lực cản và lực nâng gần như bù trừ nhau ở khoảng cách này, nên con số tính không khí và thực tế không chênh quá xa.

Lao nhẹ (800 g) nên tốc độ đến từ chuỗi động tác cả cơ thể: chạy đà, bước chéo, chân trước khoá cứng, hông – thân – vai – khuỷu – cổ tay lần lượt "quất" như roi. Mỗi khâu truyền và cộng dồn tốc độ cho khâu sau. Đó là phần "làm thế nào" thuộc danh mục ném lao; phần vật lý ở đây là: không có tốc độ thì không thiết kế khí động nào cứu được.

Gió tác động lên lao thế nào

Với lao kiểu mới, gió ảnh hưởng phức tạp hơn với đĩa. Gió ngược làm tăng tốc độ tương đối của không khí, tăng cả lực nâng lẫn lực cản. Gió ngang có thể xoay lao lệch hướng. Gió giật ở tầng cao — lao bay lên cao mười mấy mét — khó lường. Không có quy định giới hạn gió cho kỷ lục ném như với nhảy xa, nhưng VĐV và huấn luyện viên đều theo dõi cờ gió trên sân để chỉnh góc ra tay. Khi không có số liệu chắc chắn, tốt nhất nói định tính: gió đổi đường bay của lao nhiều hơn của tạ hay búa, ít hơn của đĩa.

Góc nhìn hôm nay

• Cho học sinh thấy mô-men khí động: dán một miếng bìa nhỏ ở đuôi một que tre nhẹ hay ống hút rồi thả rơi nghiêng từ tay, so với không dán — que có đuôi tự xoay mũi xuống. Chỉ làm với vật rất nhẹ, không nhọn, không ném vào người.
• Xem ném lao, để ý cú cắm: lao ngày nay gần như luôn chúi mũi rõ ở cuối đường bay — đó là thiết kế năm 1986 đang làm việc.
• An toàn là tuyệt đối: lao thật chỉ ném ở khu vực ném lao riêng, có người hướng dẫn, không ai đứng trong khu vực rơi, ném xong cả nhóm mới đi nhặt. Không tự chế lao, không ném lao ở sân trường không có khu vực ném riêng.