Đêm bão, tấm cửa kính phòng khách phồng vào trong rồi rung lên từng đợt, và bạn tự hỏi nó đang gánh bao nhiêu. Câu trả lời có một con số — nhưng con số đáng sợ hơn nằm trên đầu bạn, và nó kéo lên chứ không đẩy vào:
Một tạ ép lên tấm kính
Gió mang động năng; chặn nó lại thì động năng thành áp suất:
p = ½ · ρ · v²Với ρ = 1,225 kg/m³ và gió cấp 12 — 33 m/s — ra 667 Pa. Bề mặt thật bẻ dòng khí vòng qua chứ không chặn đứng, nên áp thực trên mỗi mét vuông bằng p nhân một hệ số hình dạng C_p. Tường đón gió có C_p = +0,80: 534 Pa, tức 54 kg mỗi mét vuông. Ô cửa kính 1,5 × 1,2 m gánh 98 kg ép đều lên tấm kính dày 5 mm.
Con số ấy đi theo bình phương tốc độ. Gió cấp 8 (19 m/s) chỉ ép 18 kg mỗi mét vuông; lên cấp 12, gió nhanh gấp 1,74 lần mà lực gấp 3,0 lần — thang cấp gió thì đều đặn, thứ đập vào nhà bạn thì không.
Mái không bị thổi bay — nó bị hút lên
Kéo độ dốc về 5°, mức thoải điển hình của mái tôn nhà cấp 4, rồi nhìn hướng mũi tên: chỉ đúng một mặt bị đẩy vào, còn lại đỏ hết — áp âm, bị hút ra khỏi ngôi nhà.
Dòng khí phải vòng qua khối nhà, mà chỗ chảy nhanh là chỗ áp thấp. Tại mép mái đón gió, dòng bị bẻ gấp, tách khỏi bề mặt và tăng tốc — điểm áp thấp nhất trên cả căn nhà: C_p = −1,2 theo bảng EN 1991-1-4. Ở 33 m/s, mỗi mét vuông mép mái bị kéo thẳng lên bằng 800 Pa, tức 82 kg: mạnh gấp 1,5 lần lực đẩy vào tường, theo đúng phương không ai thiết kế mái để chống.
Tấm mái lúc ấy là một cánh máy bay bị buộc dây. Trung bình cả hai mặt mái, C_p ≈ −0,55: mái 60 m² nhận 22,0 kN — 2,24 tấn nhấc thẳng đứng — trong khi tôn cộng xà gồ nặng chừng 15 kg/m², tổng 0,90 tấn. Gấp 2,5 lần.
Mái dốc thoải là mái chết sớm nhất
Kéo độ dốc lên thì đường cong tụt: 15° còn −0,40, 30° còn −0,35, 45° còn −0,25. Trên mái dốc đứng, dòng khí đâm thẳng vào mặt đón gió thay vì lướt qua đỉnh; hệ số ở mép mái chạy từ −1,2 về 0,00 tại 45°, hết sạch lực hút ở đúng chỗ nguy hiểm nhất. Mái ngói dốc 30–40° sống sót qua cơn bão bốc mái tôn thoải bên cạnh không phải vì nó nặng gấp bốn, mà vì hình dạng.
Chỗ đường cong cắt đường ngang là tốc độ gió tới hạn: mái tôn 15 kg/m² dốc 5° tự bay ở 20,9 m/s — gió cấp 9, con số nhiều tỉnh gặp mỗi năm; mái ngói 60 kg/m² dốc 30° cần tới 52,4 m/s, cấp 16, coi như bất khả.
Để ý điều thanh diện tích không làm được: kéo từ 10 lên 120 m², lực nhấc và trọng lượng cùng nhân lên, điểm cắt đứng yên. Mái to không an toàn hơn mái nhỏ — thứ giữ mái lại không phải khối lượng mà là mấy chục con vít bắt xuống xà gồ, mỗi con cõng khoảng 0,6 m² mép mái: ở gió 33 m/s là 480 N, gần 49 kg treo trên một đầu vít.
Trường hợp biên: nhà chết từ trong ra
Mọi con số trên là gió duy trì. Gió giật mạnh hơn chừng 1,4 lần, mà lực theo bình phương: gấp 1,96 lần trong vài giây. Cấp 12 duy trì 33 m/s giật tới 46,2 m/s — vừa đúng ngưỡng cấp 15 — và mép mái nhảy từ 82 lên 160 kg mỗi mét vuông.
Cú kết liễu thì đến từ bên trong. Nhà kín có áp trong hơi âm, C_p,i ≈ −0,3, nên lực ròng lên mép mái chỉ là −1,2 − (−0,3) = −0,9. Vỡ một ô cửa phía đón gió, cả căn nhà thành cái túi bị bơm: C_p,i vọt lên +0,6, lực ròng thành −1,8 — gấp đúng hai lần, trong một nhịp thở. Mái bay sau khi cửa vỡ chứ không phải trước, vì chênh áp nhân diện tích luôn ra đơn vị tấn, và giờ nó đẩy từ trong ra, cùng chiều với lực hút bên ngoài.
Nên lời dặn nghe vặt vãnh nhất trước bão lại là mệnh lệnh vật lý: chằng cửa đón gió trước khi lo cho mái, và đừng mở hé cửa “cho cân bằng áp suất” — mở là bơm. Còn tấm tôn 70 độ giữa trưa mùa bão đổi vai: hôm nắng là cái chảo, đêm bão là cánh diều 60 mét vuông treo trên vài chục con vít.