America's Cup và thuyền buồm tốc độ: vì sao thuyền chạy nhanh hơn gió

America's Cup là cúp thể thao quốc tế lâu đời nhất còn tranh tài, bắt đầu từ cuộc đua năm 1851 quanh đảo Wight (Anh). Thuyền buồm đua giải này ngày nay không còn lướt trên mặt nước mà "bay" trên cánh ngầm, đạt tốc độ trên 50 hải lý/giờ (khoảng 90–100 km/h) — nhanh hơn nhiều lần tốc độ gió thổi vào cánh buồm.

Cuộc đua năm 1851 và chiếc cúp mang tên một con thuyền

Năm 1851, nước Anh tổ chức Đại triển lãm ở London. Một nhóm thành viên Câu lạc bộ Du thuyền New York cho đóng một chiếc thuyền buồm hai cột tên America và vượt Đại Tây Dương sang thi. Ngày 22 tháng 8 năm 1851, America đua vòng quanh đảo Wight với hơn một tá thuyền Anh và về nhất, nhận chiếc cúp bạc của Hội Du thuyền Hoàng gia. Chiếc cúp sau đó mang tên con thuyền: America's Cup.

Những người chiến thắng tặng cúp cho câu lạc bộ kèm một văn bản ủy thác (Deed of Gift), quy định cúp là phần thưởng thách đấu vĩnh viễn giữa các câu lạc bộ du thuyền của các nước. Văn bản này đến nay vẫn là nền tảng pháp lý của giải. Mô hình rất khác các giải thể thao thường: đội giữ cúp (defender) là chủ nhà, chọn địa điểm, loại thuyền và luật cho kỳ sau; đội thách đấu (challenger) phải thắng vòng loại giữa các bên thách đấu rồi mới được vào trận chung kết.

132 năm và chiếc sống thuyền có cánh

Câu lạc bộ Du thuyền New York giữ cúp liên tục 132 năm, từ 1851 đến 1983 — chuỗi thắng dài nhất trong lịch sử thể thao. Đội thách đấu Anh, Canada, Úc lần lượt thất bại qua hàng chục lần thách đấu.

Năm 1983 ở Newport (Mỹ), thuyền Australia II của Úc thắng 4–3 sau khi bị dẫn 1–3. Vũ khí bí mật của họ là sống thuyền có cánh (winged keel): hai cánh nhỏ gắn ở chân sống thuyền giúp giảm cản và giữ thăng bằng tốt hơn, nhất là khi xoay mạn. Thiết kế của Ben Lexcen bị phía Mỹ phản đối gay gắt trước giải, nhưng vẫn được phép thi đấu. Cúp rời New York lần đầu tiên.

Dòng thời gian những bước ngoặt

• 1851: thuyền America thắng cuộc đua quanh đảo Wight.
• 1870: lần bảo vệ cúp đầu tiên, ở New York.
• 1983: Australia II chấm dứt 132 năm giữ cúp của New York.
• 1988: tranh chấp pháp lý giữa New Zealand và Mỹ đưa giải ra tòa; Mỹ dùng thuyền hai thân đấu thuyền một thân.
• 1995: New Zealand lần đầu đoạt cúp ở San Diego.
• 2010: hai thuyền khổng lồ nhiều thân với cánh buồm cứng đấu nhau ở Valencia sau một vụ kiện.
• 2013: thuyền hai thân có cánh ngầm AC72 ở San Francisco; Oracle Team USA lội ngược dòng từ 1–8 thành 9–8 trước New Zealand.
• 2017: thuyền hai thân AC50 ở Bermuda; Emirates Team New Zealand đoạt cúp.
• 2021: thuyền một thân bay trên cánh ngầm AC75 ở Auckland; New Zealand bảo vệ thành công trước Luna Rossa (Ý).
• 2024: kỳ thứ 37 ở Barcelona; New Zealand thắng đội INEOS Britannia (Anh), giữ cúp lần thứ ba liên tiếp.

Vì sao thuyền buồm chạy nhanh hơn gió

Nghe có vẻ vô lý: gió thổi 20 km/h thì sao thuyền chạy được 60 km/h? Bí mật nằm ở hai điều.

Buồm là cánh máy bay dựng đứng

Khi thuyền đi chếch so với gió, cánh buồm không bị gió "đẩy" mà tạo lực nâng như cánh máy bay: gió chảy nhanh hơn ở mặt cong phía ngoài, áp suất thấp hơn, kéo buồm về phía trước và sang ngang. Sống thuyền hoặc cánh ngầm dưới nước chống lại lực ngang, chỉ để lại phần lực đẩy thuyền tiến lên.

Gió biểu kiến

Khi thuyền chạy, chính chuyển động của nó tạo ra một luồng gió ngược chiều. Cộng luồng gió đó với gió thật, ta được gió biểu kiến — thứ gió mà cánh buồm thực sự "cảm thấy". Thuyền càng nhanh, gió biểu kiến càng mạnh và càng dồn về phía mũi. Với thuyền có lực cản rất thấp, vòng lặp này cho phép tốc độ thuyền vượt xa tốc độ gió. Vì vậy các thuyền đua hiện đại gần như lúc nào cũng thấy gió thổi từ phía trước, kể cả khi chạy xuôi gió.

Cánh ngầm cắt bỏ lực cản

Điều kiện để vòng lặp gió biểu kiến hoạt động là lực cản phải nhỏ. Cánh ngầm (foil) nâng cả thân thuyền ra khỏi mặt nước, chỉ còn vài cánh mỏng và bánh lái cắt nước. Lực cản giảm mạnh, tốc độ tăng vọt. Đây là bước nhảy lớn nhất của thuyền buồm đua trong một thế kỷ.

Chiếc AC75: thuyền buồm như máy bay

AC75 là lớp thuyền dùng ở các kỳ 2021 và 2024, dài khoảng 75 foot (khoảng 23 m). Nó là thuyền một thân nhưng không có sống thuyền thường. Thay vào đó, hai cánh tay đòn gắn hai bên thân, đầu mỗi cánh tay là một cánh ngầm hình chữ T. Cánh bên dưới gió hạ xuống nước để nâng thuyền; cánh bên trên gió nhấc lên khỏi nước làm đối trọng. Khi đổi mạn, hai cánh đổi vai.

Buồm chính là loại buồm mềm hai lớp, có thể điều chỉnh độ cong. Năng lượng để điều khiển cánh tay đòn và cánh ngầm đến từ pin hoặc từ thủy thủ đạp xe, tuỳ luật mỗi kỳ — ở kỳ 2024, một số thủy thủ ngồi đạp như xe đạp tại chỗ để tạo áp lực dầu cho hệ thống. Tốc độ tối đa ghi nhận trong thi đấu vượt 50 hải lý/giờ.

Các con số trong bảng là mức điển hình để so sánh, không phải kỷ lục chính thức; tốc độ thật phụ thuộc nhiều vào gió từng ngày đua.

Cuộc đua công nghệ và tiền bạc

America's Cup từ lâu là cuộc đua của các tỷ phú và tập đoàn. Ngân sách một đội ở các kỳ gần đây được báo chí ước tính hàng chục triệu đến hơn một trăm triệu đô la. Đội ngũ kỹ sư khí động học, thủy động lực học, mô phỏng máy tính đông không kém đội hình thủy thủ. Nhiều công nghệ — vật liệu composite, buồm định hình, mô phỏng dòng chảy — lan sang thuyền buồm phổ thông và cả công nghiệp hàng không, ô tô.

Mặt trái là số đội tham gia ít, phụ thuộc vào vài nhà tài trợ lớn, và đội giữ cúp có lợi thế lớn khi tự viết luật. Để mở rộng khán giả, giải SailGP ra đời năm 2019 với thuyền hai thân F50 giống nhau cho mọi đội, đua ngắn gần bờ ở nhiều thành phố trong năm.

Kỹ năng của thủy thủ hiện đại

Thủy thủ trên thuyền bay không còn chủ yếu kéo dây buồm. Người lái (helmsman) điều khiển bánh lái và tranh vị trí xuất phát. Người điều khiển độ cao bay (flight controller) chỉnh góc cánh ngầm liên tục để thuyền bay ổn định — bay cao quá thì cánh ngầm hút không khí, mất lực nâng và thuyền đổ ập xuống nước; bay thấp quá thì thân chạm sóng, giảm tốc đột ngột. Người chỉnh buồm điều chỉnh hình dáng cánh buồm theo gió. Mọi thao tác truyền qua nút bấm, cảm biến và hệ thống thủy lực.

Xuất phát là phần căng thẳng nhất: hai thuyền vờn nhau trong hộp xuất phát vài phút trước khi súng nổ, tranh phía có lợi và tránh bị phạt vì vi phạm luật nhường đường.

Góc nhìn hôm nay

America's Cup cho thấy một nguyên lý đẹp: không cần động cơ, chỉ cần hiểu gió và giảm lực cản, con người làm được thuyền chạy nhanh gấp ba lần gió. Kỳ thứ 38 được công bố tổ chức tại Naples (Ý) vào năm 2027.

Người muốn tìm hiểu có thể xem lại các trận chung kết 2013 và 1983 — hai trận lội ngược dòng nổi tiếng nhất. Ở Việt Nam, thuyền buồm thể thao còn nhỏ nhưng đã có các câu lạc bộ thuyền buồm, ván buồm ở Nha Trang, Mũi Né và một số hồ lớn; học thử một buổi trên thuyền buồm nhỏ là cách nhanh nhất để hiểu "gió biểu kiến" bằng chính cơ thể mình.