Giáo sư Frank Fish, cũng như cái tên, ông vô cùng thích cá và đại dương. Ngoài ra, ông còn mê đắm những chú vịt bơi trên nước.
Là giáo sư sinh vật học, nghiên cứu của ông chủ yếu về động lực học của động vật. Năm 1994, giáo sư Frank đã công bố bài luận về hành vi bơi của vịt, nghiên cứu sự tiêu hao năng lượng khi bơi thành nhóm của loài vịt.
Song, nghiên cứu về hành vi bơi của vịt vẫn chưa kết thúc tại đó. Năm 2021, đội nghiên cứu của giáo sư người Trung Quốc, Nguyên Chí Minh, đã công bố luận văn mới về vịt bơi. Cả hai nghiên cứu này đều đoạt giải Ig Nobel vật lý.
Được biết, giải Ig Nobel là giải thưởng nhại lại giải Nobel, được trao tặng vào đầu mùa thu hàng năm - gần với thời gian mà giải Nobel chính thức được công bố – cho 10 thành tựu mà "đầu tiên làm con người cười, sau đó làm họ suy nghĩ". Mục đích chính của giải là tạo không khí vui vẻ nhằm khuyến khích nghiên cứu.
Giáo sư Nguyên Chí Minh trong buổi trao giải Ig Nobel.
Vịt bơi rốt cuộc có sức hấp dẫn gì mà lại khiến nhiều nhà nghiên cứu mê đắm đến vậy?
Vịt bơi “cưỡi sóng lướt gió”
Những ai từng quan sát vịt bơi chắc hẳn vài lần bắt gặp cảnh vịt mẹ bơi trước và đàn vịt con bơi sau, xếp thành đội hình hàng dọc thẳng thớm nối đuôi. Đây không phải ngẫu nhiên, mà chính là đội hình phối hợp khi bơi của loài vịt.
Nguyên nhân khiến vịt thích bơi theo hàng vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu. Nhưng lợi ích của việc bơi theo đội hình này đang dần được khám phá. Đó chính là tiết kiệm sức.
Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu tính toán tỷ lệ trao đổi chất bằng cách đo lượng oxy tiêu thụ của đàn vịt.
Trong quá trình nghiên cứu, Frank đã huấn luyện vài chú vịt trời một ngày tuổi, khiến chúng có thể bơi thành hàng theo một con vịt cái. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm đối với sự sinh trưởng của đàn con trong ngày thứ 3, ngày thứ 7 và ngày thứ 14.
Trong kết quả đo lường trao đổi chất của đàn vịt, tần suất hoạt động tăng lên nhưng năng lượng tiêu hao của mỗi chú vịt con đều giảm. Thí nghiệm này đã chứng minh tính đúng đắn của nguyên nhân bơi thành hàng của đàn vịt trên góc độ trao đổi chất.
Mà nguyên nhân phía sau của "tiết kiệm sức" chính là sóng.
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Nguyên Chí Minh đã tập trung quan sát hành vi bơi của vịt trong 7 năm, đồng thời thiết lập nên mô hình số học tương quan, phát hiện bí mật về dao động sóng khi vịt bơi.
Biểu đồ lực của vịt khi ở mặt nước tĩnh lặng, cùng bước sóng nhưng pha khác nhau. (Đường màu xanh lục tượng trưng cho mặt nước, đường cong màu xanh lam biểu thị áp lực hướng lên bề mặt cơ thể của vịt, mũi tên biểu thị hướng của lực).
Trong “đội hình một hàng”, khi vịt con ở vị trí thích hợp nhất phía sau vịt mẹ thì lực cản của sóng lúc này sẽ trở thành “dương” - hướng của lực cản cùng chiều với hướng bơi của vịt con. Tại thời điểm này pha của sóng được hiển thị trong hình (d) trên.
Nói cách khác, lực cản lúc này trở thành lực đẩy từ sau ra trước, đẩy vịt con “cưỡi sóng lướt gió”, giúp chúng bơi một cách thong dong nhẹ nhàng. Tinh vi hơn, tình huống này có thể được duy trì bởi những chú vịt con trong đội hình. Vịt con thứ nhất và vịt con thứ hai phía sau vịt mẹ đều được đẩy để chúng có thể bơi về phía trước trong điều kiện ít tốn sức hơn. Từ vịt con thứ ba trở đi, lực tác động lên mỗi cá thể sẽ dần về 0, do đó đạt được trạng thái cân bằng động.
Từ đó có thể thấy, vịt lớn bơi đầu đã giúp các thành viên trong đàn phía sau ít hao tốn sức lực hơn. Cơ chế “cưỡi sóng và truyền sóng” (Wave-riding and Wave-passing) này giúp những con vịt nhỏ bơi theo vịt lớn mà không bị đuối sức hay cản trở.
Vịt tiết kiệm sức, thuyền tiết kiệm dầu
Không chỉ có vịt mà cả thuyền cũng “bơi” trong nước. Vì loài vịt đã rất thông minh trong hành vi di chuyển, nên tất nhiên con người không thể thua kém.
Nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Vũ Hán đã phân tích cấu hình hình thành tàu thuyền khác nhau và nhận thấy tổng hệ số sức cản của tàu di chuyển theo mô hình “xâu chuỗi” đã được giảm xuống một cách hiệu quả. Có nghĩa là mô hình di chuyển này giúp tàu thuyền tiết kiệm năng lượng hơn.
Suy nghĩ xa hơn một chút, liệu có thể áp dụng nguyên tắc này cho toàn bộ tàu biển trong tương lai? Nhóm của giáo sư Nguyên Chí Minh đang nghiên cứu các khái niệm liên quan, hy vọng mang lại nhiều bước tiến cho ngành vận tải biển.