CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA TÀU THUYỀN
Bài 1: CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA TÀU THUYỀN 1.1 Tính nổi
1.2 Tính ổn định .1 Định nghĩa
Ổn định của tàu là khả năng trở về trạng thái cân bằng ban đầu khi ngoại lực thôi tác động.
Lực tác động vào tàu có thể là lực tĩnh (như nhận thêm một lượng hàng, dự trữ) hay có thể là lực động (như tác động của sóng, gió giật,.v.v…). Trong thực tế sự tác động của các lực này lên tàu có thể là riêng lẻ hay tổng hợp với nhau và có phương là bất kỳ. Trong lý thuyết, để đơn giản người ta xét riêng lẻ tác động của từng loại lực theo hai dạng chính là tác động làm cho tàu nghiêng ngang và nghiêng dọc và tương ứng với các loại lực này sẽ có hai dạng ổn định là ổn định ngang và ổn định dọc.
Do kích thước theo chiều ngang của tàu nhỏ hơn nhiều so với chiều dọc nên ổn định nghiêng ngang thường ảnh hưởng nhiều đến an toàn của tàu hơn là ổn định dọc.
Như ta đã xét ở phần trên thì trọng lực của tàu và lực nổi quyết định đến ổn định của tàu. Do đó ta xét mối quan hệ giữa chúng.
1.2.2 Trọng tâm của tàu (G):
1.2.2.1 Định nghĩa:
Trọng tâm của tàu là điểm đặt của trọng lực con tàu.
Cách xác định trọng tâm:
Noồi caõn baống
Nổi đặc biệt
Chìm P = D
P < D
P > D
Các trạng thái của tàu trong nước
P = D
Nổi lơ lửng
Vị trí của G được xác định theo định luật vật lý thông dụng sau: tổng moment các thành phần trọng lượng của một vật đối với một mặt phẳng nào đó bằng môment của tổng các thành phần trọng lượng của vật đối với mặt phẳng đó.
D = DL + DC
KG . D = KGL . DL + KGC . DC
KG = ∑
∑
=
= n i
i i n
i i
D D KG
1 1
.
1.2.2.2 Chọn hệ toạ độ:
Để xác định toạ độ trọng tâm tàu, người ta
chọn hệ toạ độ có gốc tại mặt cơ bản K, trục x là giao của mặt này với mặt phẳng trục dọc của tàu, trục y là giao của mặt phẳng sườn giữa và mặt cơ bản, trục z là giao của mặt phẳng sườn giữa và mặt phẳng trục dọc tàu. Với cách chọn này, độ cao trọng tâm luôn luôn dương và thường được ký hiệu là KG.
1.2.2.3 Chiều cao trọng tâm (KG):
Là khoảng cách thẳng đứng từ mặt cơ bản đến trọng tâm của tàu, được xác định theo công thức sau:
KG= . . .... ...
2 1 0
2 2 1 1 0 0
+ + +
+ +
+
D D D
D KG D KG D
KG
Trong đó:
- KG: trọng tâm của tàu sau khi xếp hàng.
- KG0: chiều cao trọng tâm tàu không.
- D0: trọng lượng tàu không.
- KG1, KG2: chiều cao trọng tâm của khối hàng thứ 1, 2,.v.v…
- D1, D2: trọng lượng của khối hàng thứ 1, 2, v.v….
Ví dụ 1: tìm độ cao trọng tâm tàu có trọng lượng tàu không D0=4000T, KG0=25ft. Các hầm được chứa các loại hàng đồng nhất có trọng lượng và độ cao trọng tâm như sau:
- Hầm 1 có W1=3000T KG1=8ft - Hầm 2 có W2=2000T KG2=10ft - Hầm 3 có W3=1000T KG3=30ft
- Hàng trên boong có W4=500T KG4=38ft - Nước ngọt có W5=500T KG5=15ft
- Nhiên liệu có W6=400T KG6=4ft
K
Z
y
G
K
G2 G1
G0 G
1.2.2.4 Sự dịch chuyển của G:
Vị trí của G thay đổi khi ta thêm, bớt hay dịch chuyển các thành phần trọng lượng trên tàu.
* Khoảng dịch chuyển của G theo chiều thẳng đứng khi dịch chuyển các thành phần trọng lượng trên tàu được xác định theo công thức sau:
GG1 =
D W Z.
Trong đó:
GG1- Khoảng dịch chuyển trọng tâm của tàu theo chiều thẳng đứng. GG1 mang dấu âm khi dịch chuyển W từ trên xuống dưới, mang dấu dương khi dịch chuyển từ dưới lên trên.
Z - Là khoảng cách thẳng đứng giữa trọng tâm khối hàng trước và sau khi dịch chuyển.
W-khối lượng hàng dịch chuyển.
D-Lượng chiếm nước của tàu (trọng lượng của tàu).
* Khi thêm, bớt một trọng lượng nào đó trên tàu, chiều cao trọng tâm của tàu sẽ dịch chuyển một đoạn:
GG1 =
W D
W Z
± .
- Z: là khoảng cách thẳng đứng giữa trọng tâm của tàu và trọng tâm khối hàng thêm hay bớt vào.
- W: là trọng lượng nhận thêm hay bớt đi. W mang dấu cộng khi nhận thêm hàng, mang dấu trừ khi dỡ bớt hàng.
- D: là trọng lượng của con tàu trước khi nhận hàng.
- GG1:có dấu âm khi khối hàng được nhận xuống ở vị trí mà trọng tâm của nó ở phía dưới mặt phẳng ngang đi qua trọng tâm tàu (dưới trọng tâm tàu).
GG1 dương khi trọng tâm của W ở phía trên mặt phẳng này tính từ ky tàu.
Trường hợp bớt đi một lượng W thì xét dấu ngược lại.
K
G
1 2
Z
G1 G1
Z G
K
1 1
2
cần cẩu. Giá trị của Z trong trường hợp này là khá lớn nên có ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi vị trí của G tức là ảnh hưởng tới ổn định của tàu. Đặc biệt là khi tàu có lượng chiếm nước nhỏ và khối lượng của mã hàng lớn.
Ví dụ 2: Cũng con tàu cho trên, nếu nhận thêm 2000T hàng có độ cao trọng tâm KG7=19ft. Tìm độ cao trọng tâm sau khi nhận hàng.
Ví dụ 3: Trường hợp con tàu ở ví dụ 2, hãy tìm độ cao trọng tâm tàu sau khi đưa 500 tấn hàng từ trên boong xuống hầm với khoảng cách dịch chuyển thẳng đứng là Z=12ft.
Ví dụ 4: Một tàu có lượng chiếm nước 1800 tấn và KG=3m, nhận thêm 3400 tấn hàng có KG=2,5m và 400 tấn dầu có KG=5m. Tìm KG của tàu sau khi xếp thêm hàng và nhiên liệu.
Ví dụ 5: Một tàu có lượng chiếm nước ban đầu 3420 tấn và KG=3,75m. Trong quá trình chạy đã dùng hết 66 tấn dầu KG=0,45m và 64 tấn nước KG=2m. Tìm KG của tàu tại cuối chuyến đi.
Ví dụ 6: Một tàu có lượng chiếm nước 5500 tấn, KG=5m nhận thêm một số hàng như sau:
1000 tấn tại KG=6m.
700 tấn tại KG=4m.
300 tấn tại KG=5m.
Sau đó bơm xả ra ngoài 200 tấn nước dằn có KG=0,5m. Tìm lượng hàng có thể xếp thêm ở trên boong (với KG=10m) để tàu có chiều cao tâm nghiêng là 0,3m với KM sau cùng là 6,3m.
1.2.3 Tâm nổi (C):
1.2.3.1 Định nghĩa:
Tâm nổi là trọng tâm thể tích phần chìm của vỏ tàu. Độ cao tâm nổi KC là khoảng cách thẳng đứng từ ki tàu đến tâm nổi, được tính theo công thức sau:
KC =
i i i
V xKC v
∑
∑
Vi là thành phần thứ i tạo nên phần chìm của tàu.
KCi là độ cao trọng tâm thành phần thứ i tương ứng.
Có thể tính chiều cao tâm nổi theo công thức gần đúng sau:
KC =3
1( )
2 5
A V d −
Trong đó:
- D: mớn nước của tàu (ft).
- V: thể tích phần chìm của tàu (ft3).
- A: diện tích của mặt phẳng đường nước ứng với mớn nước d (ft2).
Giá trị KC thường được tính sẵn cho tàu ở các mớn nước khác nhau và cho trong hồ sơ ổn định của tàu, ta có thể tìm được khi biết mớn nước hay lượng chiếm nước của tàu.
1.2.3.2 Sự dịch chuyển của C:
Lúc đầu tàu nổi cân bằng, C nằm trên đường thẳng đứng thuộc mặt phẳng trục dọc của tàu, khi tàu nghiêng, một thể tích hình nêm phần chìm của tàu sẽ dịch chuyển từ mạn cao sang mạn thấp. Điều này làm cho C dịch chuyển sang vị trí mới C’ theo chiều dịch chuyển của hình nêm có hướng song song với đường nối trọng tâm của hai hình nêm và có độ lớn bằng:
CC’= V gg v. 1
Trong đó:
1.3 v: thể tích hình nêm.
1.4 gg1: khoảng cách giữa trọng tâm hai hình nêm.
1.5 V: thể tích phần chìm của tàu.
1.2.4 Tâm nghiêng ngang (khuynh tâm) M:
Là giao điểm của đường tác dụng của lực nổi C tại hai góc nghiêng liên tiếp nhau. Ở những góc nghiêng nhỏ (dưới150) thì tâm nghiêng ngang là giao giữa đường tác dụng của lực nổi và đường thẳng đứng qua trọng tâm G.
Độ cao tâm nghiêng KM được cho sẵn trong hồ sơ thủy tĩnh của tàu.
1.2.4.1 Mômen hồi phục:
g
C G
C' g1
C’
C M
Là thước đo độ ổn định của tàu.
Khi tàu nghiêng một góc nhỏ, với giả thiết ảnh hưởng của các két chứa chất lỏng chở vơi là nhỏ, ta coi trọng tâm của tàu không đổi.
Tâm nổi C chuyển sang mạn nghiêng và lúc này lực tác động tại C và G không còn triệt tiêu nhau như khi cân bằng mà tạo thành một ngẫu lực. Khi M nằm phía trên G thì ngẫu lực này tạo thành một mômen có xu hướng đưa tàu về
vị trí cân bằng ban đầu. Độ lớn được xác định theo công thức:
Mhp = P. GZ Trong đó:
GZ là khoảng cách từ trọng tâm G đến đường tác dụng của lực nổi qua C (cánh tay đòn hồi phục).
Trong tam giác vuông MGZ ta có:
Sinα = GZ / GM.
Suy ra: GZ = GM. Sinα Mhp = P. GM . Sinα Trong đó:
P: trọng lượng của tàu.
α: góc nghiêng của tàu.
GM: là bán kính tâm nghiêng ngang (chiều cao tâm nghiêng).
GM là yếu tố quyết định đến tính ổn định của tàu. GM càng lớn thì tính ổn định càng cao và ngược lại. Do đó, để tăng tính ổn định của tàu, người ta hạ thấp trọng tâm để tăng chiều cao tâm nghiêng bằng cách xếp hàng nhẹ ở trên, hàng nặng ở dưới.
Giá trị GM của một tàu thường phải đạt một giá trị nhất định theo khuyến cáo của các quy phạm quốc gia hay quốc tế, nó tuỳ thuộc vào loại tàu và hàng hoá chuyên chở. Chẳng hạn, GM của tàu chở hàng hạt rời không được nhỏ hơn 0,3m (theo quy định của công ước quốc tế về an toàn sinh mạng trên biển).
1.2.4.2 Khi tàu có GM quá lớn:
Được gọi là tàu lắc cứng. Lúc này lúc này tàu có moment hồi phục lớn nên khi bị nghiêng nó trở lại tư thế cân bằng nhanh, tức là chu kỳ lắc ngắn. Nếu tàu lắc quá nhanh sẽ ảnh hưởng không tốt đến sự hoạt động của máy móc, thuyền viên và dễ gây nên dịch chuyển hàng hoá do gia tốc lớn.
1.2.4.3 Khi tàu có GM quá nhỏ:
M
G
C C' Z
Thì moment hồi phục sẽ nhỏ, tàu dễ bị nghiêng và trở về tư thế cân bằng ban đầu chậm. Trạng thái này được gọi là lắc mềm. Khi tàu lắc mềm, sẽ ít ảnh hưởng tới thuyền viên và hành khách và hàng hoá trên tàu nhưng có biên độ lắc lớn nên dễ bị nguy hiểm khi gặp thời tiết xấu, nước dễ tràn lên mặt boong làm hư hỏng hàng hoá và tàu.
1.2.4.4 Khi tàu có GM âm:
Nó ở trạng thái mất ổn định. Tuy nhiên, tàu sẽ không bị lật trừ khi giá trị âm quá lớn.
1.2.5 Vị trí tương đối giữa G và M:
Ta đã biết rằng vị trí tương đối giữa G và M quyết định đến ổn định của tàu.
Ta lần lược xét các vị trí tương đối sau:
a) Trường hợp G nằm dưới M:
Khi tàu nghiêng sẽ tạo ra mômen đưa tàu về trạng thái cân bằng ban đầu. Tàu ở trạng thái cân bằng ổn định.
b) Trường hợp G trùng với M:
Khi đó GM = 0, lúc này tàu ở trạng thái cân bằng tại vị trí được đặt, nếu có một tác động nào vào thì nó lại chuyển sang cân bằng mới do hậu quả của lực tác động đó. Trường hợp này gọi là cân bằng phiếm định.
c) Trường hợp G nằm trên M:
Tàu ở trạng thái mất ổn định ban đầu (vì GM âm). Tuy nhiên, tàu sẽ không bị lật khì khi giá trị âm khá lớn. Lúc này nếu có một lực tác động làm cho tàu nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu thì sẽ tạo ra một mômen đẩy cho nó nghiêng thêm theo chiều tác động của ngoại lực. Nguyên nhân là do ngẫu lực P và D lúc này cùng chiều
M
G
M G G
M
C C C
C' C' C'
Z
C
M G G
C' M
C' M G
C C
Cân bằng ổn định Bắt đầu nghiêng Vị trí cân bằng mới
với chiều của ngoại lực. Tàu sẽ nghiêng cho tới khi nào tâm nổi C dịch chuyển đến phía dưới của G trên cùng một đường thẳng đứng thì dừng lại.
Tại vị trí cân bằng mới, tàu đã ổn định vì nếu nó bị nghiêng thêm nữa về cùng phía thì khi C dịch chuyển, M cũng dịch chuyển theo và trong giới hạn tới 200 thì M có xu hướng dịch lên và sẽ vượt lên phía trên của G, lúc này moment hồi phục sẽ dương do GM bắt đầu dương. Nếu tại vị trí này có ngoại lực tác dụng theo phía ngược lại thì tàu sẽ từ từ trở về vị trí thẳng đứng và nghiêng sang phía ngược lại đó một gốc tương tự.
*Lưu ý: cần phân biệt được trạng thái nghiêng của tàu do GM âm hay do G lệch khỏi mặt phẳng trục dọc của tàu.
Khi ta bố trí các thành phần trọng lượng trên tàu làm cho G lệch khỏi mặt phẳng trục dọc, tàu cũng nghiêng sang một bên mặc dù GM vẫn dương. Điều khác biệt lúc này là góc nghiêng của tàu luôn cố định ở một bên do tàu cân bằng ổn định ở góc nghiêng đó. Dù ngoại lực có tác động theo chiều nào thì môment hồi phục vẫn dương và có xu hướng đưa tàu về cân bằng tại góc nghiêng đó.
Còn trong trường hợp GM < 0 thì góc nghiêng không cố định ở một nên nào mà thay đổi theo hướng tác động của ngoại lực, sẽ thấy tàu có chu kỳ lắc dài, chậm với biên độ lớn. Trạng thái này rất nguy hiểm vì tàu có thể bị lật khi gặp thời tiết xấu.
Bài 2: CÁC ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU THUYỀN