Quan niệm mới về tâm quay (pivot point) của tàu

Đây là bài viết của Capt. Hugues Cauvier (sohu@oricom.ca) đăng trên The Pilot Magazine của Vương quốc Anh, mình dịch và đăng lại để anh em cùng tìm hiểu, có vấn đề gì sai sót mời anh em cùng bàn luận trong này.

Bản gốc Tiếng Anh và video của nó các bạn có thể xem ở đây.



1. Giới thiệu

Bài viết dưới đây là một quan niệm mới về vị trí dạt của tâm quay (pivot point) khi ta điều động tàu. Kết quả của đề xuất này, được thực hiện dựa trên việc tổng hợp các nguyên tắc vật lý cơ bản, đồng thời cũng phác thảo thuật ngữ "pivot" một cách đơn giản. Chúng ta sẽ bắt đầu với một quy tắc cơ bản, đó là quy tắc ngón tay cái, một quan niệm truyền thống về tâm quay cho đến hiện tại, và tiếp theo sau đó chúng ta sẽ đi đến các Level tìm hiểu phức tạp hơn để giải thích về tính chất quay của tàu.

Dòng chảy là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất tạo ra các lực tác động bên mạn tàu, từ đó tạo ra lực làm cho tàu quay và dạt. Tác giả tin rằng hiểu biết về các ảnh hưởng này ở bất kì cấp độ điều động nào là rất quan trọng.

Bài viết cũng đồng thời miêu tả hiện tượng của con tàu được tạo ra bởi các dòng chảy ngang, các hiện tượng này được tác giả thực hiện thực tế, nhằm giúp người đọc hiểu sâu hơn về tâm quay của tàu (xem các video ở link trên).

Sau phần lý thuyết, bạn có thể hiểu được nguyên nhân phía sau các tình huống điều động tàu thực tế xảy ra mà quan niệm về tâm quay truyền thống chưa trả lời được.

Định nghĩa mới: tâm quay (hoặc chính xác hơn là "tâm quay biểu kiến") là điểm nằm trên trục mũi lái của con tàu, không có chuyển động ngang, để tham chiếu cho mặt phẳng đường nước.

2. Phần lý thuyết

Level 1

Quan niệm truyền thống về tâm quay: tâm quay là điểm ở khoảng 1/3 chiều dài tàu về phía mũi khi tàu chuyển động tới, và khoảng 1/4 chiều dài tàu về phía giữa lái và trục bánh lái khi tàu chuyển động lùi. Tâm quay liên quan đến tâm của lực đòn bẩy (centre of leverage) tác động vào con tàu.


Level 2

Tâm quay là điểm thông thường ở khoảng 1/3 chiều dài tàu về phía mũi khi tàu chuyển động tới, và khoảng 1/4 chiều dài tàu về phía giữa lái và trục bánh lái khi tàu chuyển động lùi. Tuy nhiên khi có một lực ngang sườn mạnh và rõ rệt tác động vào phía cuối con tàu, vị trí tâm quay của tàu sẽ di chuyển khoảng 1/3 chiều dài tàu về phía ngược lại (tùy thuộc vào lực tác dụng).

Lấy ví dụ về một con tàu được lắp hệ động lực Azipod* đang chạy lùi:

Tàu đang lùi chậm từ một cầu nhô (Hình 1.). Theo quan niệm truyền thống về tâm quay, khi một phần ba con tàu nhô ra khỏi góc cầu, ta sẽ biết tâm quay của tàu đi về phía lái (Hình 2.), tàu sẽ không va vào cầu nếu ta quay Azipod 90 độ sang trái để đẩy tàu ra khỏi cầu để vào luồng. Nhưng thực tế, điều đó không xảy ra, và con tàu vẫn bị va vào cầu vì lúc này tâm quay ở 1/3 chiều dài tàu về phía mũi (Hình 3.)

*Chúng ta chọn tàu được lắp đặt Azipod bởi vì nó di chuyển ngang rất tốt trong khi không làm ảnh hưởng đến việc lùi chậm của tàu. Một phương pháp hiệu nghiệm khác đối với các con tàu dùng hệ động lực chân vịt/bánh lái truyền thống là sử dụng tàu lai.

Level 3

Như ta đã thấy ở Level 2 thì tâm quay không luôn nằm ở 1/3 chiều dài tàu về phía mũi khi tàu chuyển động tới, và 1/4 chiều dài tàu về phía giữa lái và trục bánh lái khi tàu chuyển động lùi. Nếu quy luật đó không luôn luôn được đúng, thì đơn giản đó không phải là một quy luật.

Đây là một lỗi chủ yếu trong quan niệm về tâm quay truyền thống: thử tưởng tượng rằng bạn đang đẩy ngang một điểm rất gần điểm "được gọi" là tâm quay, chúng ta hãy bàn một chút trước điều này đã. Nếu điểm đó thật sự là một tâm quay, một bên tâm quay sẽ chuyển động cùng chiều với chiều đẩy, bên kia ngược lại. Điều này đúng nếu tâm quay nằm trên một trục cố định và con tàu xoay quanh trục đó. Nhưng điều đó không xảy ra bởi vì con tàu là một vật thể nổi, tự nó cũng có thể dạt khi chịu một lực ngang có tác động rõ rệt. Khi một lực tác động ở gần "tâm quay", nó cũng dồng thời đẩy điểm này đi cùng với tàu, do đó "tâm quay" đột ngột dịch chuyển ngang dẫn đến mất tính chất đặc thù giống như cái tên "quay" của nó.

Vị trí của tâm quay biểu kiến là một hàm số theo lực ngang tác động lên tàu. Nó không phải có được do chuyển động tới hay lùi của con tàu.

Nguyên tắc vật lý cơ bản: chuyển động ngang + quay

Giả sử bạn có một vật thể nổi dạng thanh đặt trên một mặt thoáng có ma sát và bạn tác động một lực ngang ở điểm cuối của nó (Hình 4.). Kết quả của chuyển động có thể được phân tích thành hai phần:

Đầu tiên, nó tạo ra một moment quay quanh trọng tâm (Hình 5.). Tiếp theo, là cả vật thể chuyển động ngang (Hình 6.). Tổng hợp của hai kết quả này sẽ thay đổi vị trí của vật thể như (Hình 7.) sau khi lực tác động một khoảng thời gian.

Chúng ta nhận thấy rằng, "tâm quay biểu kiến" không nằm ở trọng tâm của thanh mà cách nó một khoảng.

Nguyên lý cơ bản này cũng được áp dụng cho các con tàu. Đó là lí do chính tại sao một con tàu khi quay có tâm quay ở 1/3 chiều dài tàu từ mũi, do đó con tàu phụ thuộc vào thành phần lực bên của lực sinh ra bởi bánh lái. Tổng hợp của chuyển động ngang và quay cho ta biết tâm quay của tàu.
Điểm đó không có chuyển động ngang, nằm trên mặt nước gọi là "tâm quay biểu kiến". Tâm quay được xem như là tâm của lực đòn bẩy của lực tác động vào con tàu. Thật ra, tâm quay biểu kiến không là tâm đòn bẩy của bất cứ thứ gì.
Ở tốc độ chạy trong cảng, tâm của lực đòn bẩy (điểm của con tàu mà lực ngang không gây ta tác động quay) ở gần giữa con tàu. Nằm ở phía trước một chút nếu tàu chúi mũi, hoặc nằm ở phía sau một chút nếu tàu chúi lái ("một chút" ở đây khoảng 10% chiều dài tàu). Điểm này gọi là tâm lực cản mặt bên (Center of Lateral Resistance) (xem ở Level 5.1).



Level 4

Từ level này, chúng ta sẽ đưa ra thêm thông tin để hoàn thiện nguyên lý cơ bản ở Level 3. Các lời giải thích sâu hơn sẽ được đưa ra ở Level 5.

- Một lực tác động càng gần tâm của con tàu (gần tâm lực cản mặt bên), thì tâm quay biểu kiến càng đi ra xa hơn đầu kia của con tàu. Điểm này không nhất thiết nằm trên con tàu (xem Level 5.2).
- Chân hoa tiêu nhỏ làm cho tâm quay biểu kiến gần tâm của tàu hơn (xem Level 5.3).
- Khi tàu chuyển hướng, nhưng không có lực nào tác động vào nó nữa, vị trí của tâm quay biểu kiến tuân theo mô hình sau: xấp xỉ 1/3 chiều dài tàu tính từ mũi khi tàu chuyển động tới, 1/3 chiều dài tàu khi tàu chuyển động lùi (xem Level 5.4).
- Một con tàu đồ sộ, bề ngang rộng có tâm quay biểu kiến gần mũi khi nó chuyển động tới và chuyển hướng (xem Level 5).

Level 5

Level này sẽ giải thích chi tiết các quy tắc được nêu ở Level 3 và 4.


5.1 Tâm lực cản mặt bên vs. tâm quay biểu kiến:

Chúng ta hày làm rõ sự khác nhau giữa: tâm lực cản mặt bên (center of lateral resistance) và tâm quay biểu kiến (apparent pivot point).

Tâm lực cản mặt bên (COLR):

Khi tạo ra một moment, COLR của một con tàu là điểm mà nếu bạn đặt một lực vào mặt bên, con tàu sẽ không bị quay. Tác động vào điểm này, lực mặt bên sẽ không có cánh tay đòn, do đó không tạo ra moment quay, nó chỉ đẩy con tàu dạt ngang. Một lực tác động vào phía trước của COLR sẽ quay con tàu khác hướng so với một lực tương tự tác động vào phía sau COLR. Người ta cũng gọi lực cản mặt bên là lực nâng thủy động (hydraulic lift).

Vị trí của COLR phụ thuộc vào:
- Trọng tâm tàu
- Tâm diện tích phía dưới mặt nước của tàu (hình dáng thân tàu và độ chênh mớn)
- Trường áp lực xung quanh thân tàu

1) Điểm bắt đầu của COLR là điểm nằm giữa trọng tâm tàu và tâm diện tích phía dưới mặt nước của tàu, nếu hai điểm này không trùng nhau.
2) Vị trí của tâm diện tích phía dưới mặt nước của một con tàu phần lớn chịu ảnh hưởng bởi độ chênh mớn của nó. Nếu tàu chúi lái thì COLR di chuyển về phía lái, nếu chúi mũi thì COLR di chuyển về phía mũi.
3) Trường áp lực (sóng mũi, áp lực phía dưới lái) cũng làm thay đổi vị trí COLR về phía mũi. Áp lực tạo ra xung quanh mũi con tàu (khi tàu đang tiến) tạo ra bề mặt cản nhiều hơn cho thân tàu, khiến có có "điểm tựa" khi nó bị đẩy ngang. Nguyên lý cũng tương tự khi tàu đi lùi. Trong thực hành điều động tàu, việc thay đổi vị trí của COLR dưới ảnh hưởng của tốc độ tàu hiếm khi nhiều hơn 10% chiều dài tàu về phương mà tàu đang chuyển động.

Chúng ta có thể nói rằng, tâm lực cản mặt bên là điểm tựa (leaning point) cho cánh tay đòn. Đây không phải là tâm quay biểu kiến. Thực sự là hầu như không bao giờ hai điểm này trùng nhau.


Tâm quay biểu kiến (hoặc là tâm quay như nhiều người vẫn gọi):

Là điểm nằm trên trục mũi lái của con tàu, không có chuyển động ngang, để tham chiếu cho mặt phẳng đường nước.

Vị trí của tâm quay biểu kiến:

Vị trí của tâm quay biểu kiến phụ thuộc vào:
- Lực kháng của phần thân tàu dưới mặt nước khi di chuyển ngang
- Cường độ (các) lực ngang tác động vào tàu
- Quán tính quay của tàu

Để ước lượng vị trí của tâm quay biểu kiến, chúng ta phải đánh giá lực ngang sẽ ảnh hưởng như thế nào đến:
- Sự quay của con tàu
- Sự chuyển động ngang (dạt ngang) của con tàu (xem Level 3: nguyên lý vật lý cơ bản)

Để dễ dàng cho việc hiểu về các luận chứng tiếp theo sau đây, người điều động tàu sẽ hình dung con tàu của ông ta sẽ chuyển động trên một bề mặt không ma sát.

5.2 Vị trí đặt lực mặt bên

Với cùng một góc quay, một lực ngang tác động phía xa COLR (Hình 9.) sẽ đẩy ngang COLR ít hơn so với một lực tác động phía gần COLR. Điểm đặt lực càng gần COLR thì tâm quay biểu kiến càng đi ra xa hơn điểm cuối của tàu (Hình 10.). Tâm quay biểu kiến có thể vượt ra khỏi giới hạn vật lý của tàu (Hình 11.). Nguyên lý này rất hữu ích trong việc sử dụng tàu lai.



5.3 Lực kháng mặt bên

Như chúng ta đã biết, "lực nâng (lift)" chính là lực kháng của nước đối với bất kì chuyển động ngang nào của con tàu.
Lực nâng thủy động biến đổi theo:
- Hình dáng thân tàu: mặt cắt thân tàu càng lớn thì lực nâng càng lớn. Chúng ta hãy so sánh hai con tàu có cùng chiều dài, cùng mớn nước, con tàu đầu tiên có bề ngang gấp đôi con tàu thứ hai. Sau khi chúng chuyển động ngang, với con tàu bề ngang lớn hơn càng khó ngưng sự dạt hơn đối với lực ngang như nhau.
- Chân hoa tiêu: nếu khoảng cách giữa ki tàu với đáy biển hẹp thì gây khó khăn cho dòng nước chảy qua mạn kia, do đó khó đẩy ngang tàu hơn.

Lực nâng lớn hơn nghĩa là tâm quay gần COLR hơn

Nếu thay đổi cùng giá trị góc, COLR của một con tàu với lực nâng lớn hơn sẽ dạt ít hơn con tàu với lực nâng nhỏ khi cùng chịu một lực ngang như nhau. Kết quả là, con tàu có lực nâng lớn thì tâm quay biểu kiến gần tâm lực kháng mặt bên hơn con tàu có lực nâng nhỏ.



5.4 Chuyển động của tàu sau khi (các) lực mặt bên tác động

Hiệu ứng quay

Lại nói về thanh rắn của chúng ta di chuyển tự do trên một mặt thoáng có ma sát. Hãy đẩy ngang để nó quay ngược chiều kim đồng hồ. Bây giờ ngưng tác động lực lên nó và xem kết quả chuyển động: trọng tâm dịch chuyển sang phải và thanh rắn quay quanh nó. Điểm này có vận tốc băng không, gọi là "P", đây chính là tâm quay biểu kiến.

Khi một con tàu được điều động ở tốc độ thấp (khi mà trường áp lực lên thân tàu thực sự rất thấp), lí do chính gây ra hiệu ứng trên là "tâm quay biểu kiến" dường như dịch chuyển về phía lái nếu con tàu đang di chuyển lùi và quay, và dịch chuyển về phía mũi khi con tàu đang di chuyển tới và quay. Bây giờ chúng ta có thêm một yếu tố khác ảnh hưởng nữa đó là: con tàu đã tạo ra dòng ngang.

Level 6

Con tàu tạo ra dòng ngang.

Xem xét một con tàu đang quay và chuyển động về phía trước. Chuyển động của lái tạo ra một vùng có áp suất thấp kéo theo một khối lượng nước phía sau đuôi tàu. Phía ngoài đuôi tàu cũng đẩy một khối lượng nước đi xa. Như vậy con tàu đã tạo ra một dòng ngang. Bây giờ chúng ta dừng lực tạo ra chuyển động quay.

Con tàu, do có quán tính quay nên nó vân tiếp tục quay, nhưng tốc độ quay giảm tùy vào lực ma sát của nước. Con tàu tạo ra dòng ngang bởi quán tính của nó, nhờ quán tính nước sẽ đuổi theo và tiếp tục tác động vào phần lái, tiếp tục đẩy vào phần mạn của nó, trong khi phần phía trước tàu còn nằm trong vùng nước yên tĩnh. Hiệu ứng con tàu tạo ra dòng ngang đối với con tàu chở nhiều hàng tương đối quan trọng hơn tàu rỗng. Cho đến gần đây, hiệu ứng quay mới được chú ý nhiều hơn. Kết quả, mặc dù vậy, cũng tương đương: tâm quay tiến về phía trước hơn.

Chú ý: con tàu tạo ra dòng ngang có thể có những hiệu ứng bất ngờ khi một lực bên hiệu dụng (thí dụ: tàu lai công suất lớn) đặt vào, tại vai tàu khi tàu đi tới, hoặc tại hông tàu của tàu khi tàu đi lùi, với các chu kỳ lớn. Con tàu có thể có khuynh hướng lắc về phía đối diện.