Số lượt truy cập:   574104
Phân loại lưới kéo Có nhiều cách

Các ngoại lực tác dụng lên ngư cụ
Hình dáng và kích thước ngư cụ đang hoạt động thì phụ thuộc vào độ lớn và hướng của ngoại lực tác động lên nó. Các ngoại lực này (Hình 2.1) gồm: lực trọng trường; lực thủy tĩnh; lực thủy động; lực phản ứng nền đáy; lực ma sát nền đáy; lực tạo ra bởi cá; các lực tải do thiết bị; và các lực khác do bởi hoạt động của máy móc khai thác. Khi ngư cụ vận động không ổn định, như bị chồng chành, lắc lư và tốc độ thay đổi, thì các lực quán tính và xung lực cũng là ngoại lực tác động lên ngư cụ.


Hình 1

Tùy ngư cụ và phương thức hoạt động mà có các kiểu ngoại lực khác nhau tác dụng lên nó. Để đơn giản cho tính toán, ta chỉ nên xét là có các lực nào là chủ yếu, chi phối đến ngư cụ, còn các lực không ảnh hưởng lớn đến ngư cụ thì có thể bỏ qua.

Lực trọng trường và lực thủy tĩnh
Lực trọng trường và lực thủy tĩnh có thể được phân bố dọc theo bề mặt của lưới và dọc theo chiều dài dây giềng, hoặc tập trung tại các phao, chì, con lăn,... Lực trọng trường (W) thì hướng xuống, lực nổi hay lực nâng thủy tĩnh (B) lại hướng lên (H 2.1). Thông thường W và B thì không bằng nhau và sự khác biệt của chúng là:

Q = W – B(2.1)

Q là trọng lượng nổi hay trọng lượng trong nước của vật thể sẽ chìm. Nếu Q là dương thì vật thể chìm, Q là âm thì vật thể sẽ nổi. Lực trọng trường (W) và lực thủy tĩnh (B) đối với vật thể đồng nhất có thể được diễn tả như

W = γ . V (2.2)
B = γw . V (2.3)

ở đây: V - là khối lượng của vật thể (m3);
γ - là trọng lượng riêng của vật thể (kg/m3);
γw - là trọng lượng riêng của nước. Đối với nước ngọt γw = 1000 kg/m3 và đối với nước biển γw = 1025 kg/m3.

Công thức (2.1) cũng đúng đối với các vật thể không đồng nhất (rỗng bên trong), chẳng hạn như phao và các vật nổi khác.

Nếu chỉ cần tính lực trọng trường W, theo công thức (2.2) ta chỉ cần lấy thể tích ngoài, nhưng nếu cần tính lực nâng thủy tĩnh theo công thức (2.3) thì tổng khối lượng vật thể phải được tính. Không nên dùng (2.2) để tính trọng lượng lưới, bởi khó có thể có được thể tích lưới thật sự.

Nếu biết trọng lượng của vật thể trong không khí, ta có thể tính trọng lượng nổi của nó trong nước theo theo công thức sau:

Q = Eγ . W(2.4)

ở đây: W - là trọng lượng của vật thể đồng nhất trong không khí (kg),
Eγ - là hệ số lực nổi (hoặc sức chìm), nghĩa là lực làm nâng lên hoặc làm chìm xuống trong nước trên 1 kg khối vật chất được cho, được tính như sau:

Đối với vật liệu nổi thì γ < γw; và đối với vật liệu chìm thì γ > γw. Do vậy, Eγ thì âm đối với phao, nhưng dương đối với chì (xem Bảng 2.1).

BẢNG 2.1 – Trọng lượng riêng và hệ số lực nổi hoặc sức chìm của một vài vật liệu ngư cụ
Vật liệu Trọng lượng riêng (kgs/m) Hệ số sức nổi (-) hoặc hệ số sức chìm (+)(Eγ) Trọng lượng nổi trong nước ngọt như là % của trọng lượng trong không khí Sức nổi trong nước ngọt như là % của trọng lượng trong không khí  
trong nước ngọt trong nước biển
Polyamide 1140 +0,12 +0,10 12 -
Polyvinyl alcohol 1280 +0,22 +0,20 22 -
Polyester 1380 +0,28 +0,26 28 -
Polyethylene 950 +0,05 +0,08 - 5
Polypropylene 920 -0,09 -0,11 - 9
Cotton, Gai 1500 +0,33 +0,32 33 -
Plastic bọt 120-180 -7,3đến -4,5   - 450-730
Bần 250 -3 -3,1 - 300
Gỗ Dương (vỏ) 330 -2,03 -2,11 - 200
Sậy (rỗng) 100 -9 -9,25 - 900
Gỗ cây vân sam 550 -0,82 0,86 - 82
Gỗ cây bulô 710 -0,41 0,44 - 41
Gỗ sồi 850 -0,18 -0,21 - 18
Chì 11300 +0,91 +0,91 91 -
Hợp kim đồng 8500 +0,88 +0,88 88 -
Gang, thép 7400 +0,86 +0,86 86 -
Đá 2700 +0,63 +0,62 63 -
Đất sét nung 2200 +0,55 +0,53 55 -
Nước ngọt 1000 - - - -
Nước biển 1025 - - - -


Thí dụ 2.1

Tính tổng lực nổi của giềng phao lưới vây rút chì có trang bị 1500 phao xốp. Biết rằng trọng lượng trong không khí của mỗi phao xốp là 0,2 kg.

Giải:
Tổng trọng lượng của các phao trong không khí là:
W = 0,2 x 1500 = 300 kg

Sức nổi riêng Eγ của phao xốp có thể được tính theo công thức (2.5) hoặc được tra từ Bảng 2.1 suy luận từ phao plastic bọt. Ở thí dụ này ta lấy: Eγ =–6.

Theo công thức (2.4), tổng lực nổi Q của phao trên viền phao là:
Q = -6 x 300 = -1800 kg, âm hay nổi

Thí dụ 2.2
Cần bao nhiêu viên chì bằng sét nung để lắp vào giềng chì của một vàng lưới để tạo ra được lực chìm là 10 kg, nếu trọng lượng của 1 viên chì trong không khí là 0,5 kg.

Giải:
Trọng lượng của 1 viên chì bằng sét nung trong nước có thể được tính dựa theo hệ số chìm Eγ. Từ Bảng 2.1, ta có: Eγ = +0,55

Theo công thức (2.4), trọng lượng nổi của 1 viên chì trong nước là:
0,55 x 0,5 = 0,28 kgs, dương hay hướng xuống
Vậy, số chì cần thiết là:10/0,28 = 36 viên chì

Thí dụ 2.3
Tính trọng lượng nổi của 1 ván lưới kéo hình chữ nhật (3,0 x 1,5 x 0,08) m, ván nặng 1100 kg trong không khí.

Giải:
Để tính trọng lượng Q của ván trong nước ta có thể áp dụng công thức (2.1), nhưng trước hết ta cần tính lực nâng thủy tĩnh B. Thể tích V của ván là:

V = 3 x 1,5 x 0,08 = 0,36 m3
và chọn trọng lượng riêng của nước là 1000 kg/m3, do đó:

B = 1000 x 0,36 = 360 kg
Vậy trọng lượng nổi của ván trong nước tính theo (2.1) là:

Q = W - B = 1100 – 360 = 740 kg

Các lực thuỷ động tác dụng lên lưới

Áp lực thủy động do dòng chảy
Lực thủy động sẽ tự sinh ra một khi ngư cụ vận động trong nước hoặc do dòng nước di chuyển gặp phản ứng của ngư cụ. Độ lớn và hướng của dòng chảy quyết định khả năng chịu tải của ngư cụ, làm ảnh hưởng đến hình dáng và hiệu suất đánh bắt của ngư cụ. Ta cần nắm rõ các lực thủy động này cả về số lượng và chất lượng để phục vụ cho thiết kế lưới mới hoặc cải tiến ngư cụ hiện có.

Để có được các giá trị về mặt số học của các lực cản, lực thủy động, lực tổng quát tác động lên ngư cụ và để phân các lực này theo các thành phần véctơ của nó, thì các nhóm bộ phận ngư cụ cần được đặt trong dòng chảy có tốc độ biết trước trong các bể thí nghiệm. Trong mỗi trường hợp, một khi biết được lực cản của từng nhóm bộ phận ngư cụ thì các hệ số lực thủy động mới có thể được tính toán.

Hệ số thủy động (C)

Hệ số thủy động (C) là một hệ số không thứ nguyên, cung cấp những thông tin cần thiết trên cơ sở ảnh hưởng các tính chất vật lý của lưới (độ thô, kích thước mắt lưới, vật liệu, hệ số rút gọn,...) về phương diện lực thủy động tác dụng lên nó. Lưu ý là hệ số thủy động C chỉ có giá trị áp dụng khi ngư cụ ta muốn thiết kế nhất thiết phải đồng dạng với ngư cụ thí nghiệm.


ρ - là mật độ của nước » 100 kg-s2/m4 (105 đối với nước biển)
V - là vận tốc chuyển động của ngư cụ trong nước, hoặc lưu tốc nước so với ngư cụ đứng yên (m/s)

St - là tiết diện của ngư cụ so với phương dòng chảy (m2).
Nếu hệ số thủy động C được biết trước (từ thí nghiệm mô hình), ta có thể dùng nó để tính lực cản thủy động lên từng bộ phận lưới theo công thức:


Hình 2

R = C. q. St (2.7)

Lưu ý là kết quả về lực cản thủy động chỉ đúng khi mà góc tống a (là góc hợp bởi phương dòng chảy và mặt phẳng chịu lực của ngư cụ) thì tương tự góc tống có được từ thí nghiệm mô hình.

Trong thực tế, các hệ số thủy động C đều được đo ứng với một góc tống nhất định (H 2.4). Ta một biểu đồ hệ số thủy động C theo các góc tống a khác nhau (H 2.6).

Hệ số lực bổng (Ry) và hệ số lực cản ma sát (Rx)


Hình 3

Khi mặt tấm lưới trực giao đối với phương dòng chảy (H 2.5a), thì lưới chỉ phụ thuộc chủ yếu vào lực cản thủy động. Nếu mặt lưới song song với phương dòng chảy (H 2.5b) thì dọc theo bề mặt cúa nó sẽ phụ thuộc vào lực cản ma sát thủy động. Nếu lưới hợp với phương dòng chảy một góc tống a thì nó phụ thuộc cả hai vào lực cản thủy động và lực cản ma sát. Khi đó, tổng lực cản thủy động R có thể được diễn tả theo 2 thành phần là: lực cản ma sát (Rx) song song với phương dòng chảy; và lực bổng thủy động (Ry) trực giao với phương dòng chảy. Chính lực bổng Ry sẽ làm ảnh hưởng đến hình dáng của ngư cụ. Chẳng hạn, độ mở cao của túi lưới rùng hoặc của miệng lưới kéo sẽ tăng lên hay giảm xuống tùy thuộc vào sự thay đổi của lực bổng Ry. Lực bổng Ry thì phụ thuộc vào lưu tốc dòng chảy và góc tống a.
Cx và Cy tương ứng là hệ số lực cản ma sát và hệ số lực bổng thủy động. Các hệ số này có được nhờ qua thí nghiệm mô phỏng, trong đó:


Các hệ số Cx và Cy thì phụ thuộc vào góc tống a của tấm lưới. Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào tỷ số diện tích chỉ lưới chiếm chổ (Es) và các tính chất vật lý của dòng chảy biểu thị qua hệ số nhớt động học Reynolds (Re).

Hình 4

Tỷ số diện tích chỉ lưới (Es) và hệ số lọc nước (Ef) của tấm lưới

Tỷ số diện tích chỉ lưới (Es) là tỉ số giữa diện tích do chỉ lưới chiếm chổ trong tấm lưới trên diện tích mở thật sự của tấm lưới. Được tính như sau:


Nếu độ thô của chỉ và kích thước mắt lưới là cùng đơn vị (theo mm) và diện tích St của tấm lưới cũng cùng đơn vị với diện tích giả S0 (theo m2). Khi đó thường người ta chọn: Ek » 1,10 cho gút lưới dệt đơn và gút vuông; Ek » 1,15 cho lưới gút đôi; và Ek » 1,60 được áp dụng cho Dt/2a lớn (= 0,06).


Hình 5

Cụ thể: Kk = 10,1 cho lưới gút vuông; Kk = 9,7 gút đơn; và Kk = 14,8 gút dệt đôi.
Từ công thức (2.9) ta thấy, nếu lưới có hệ số rút gọn hoặc kích thước cạnh mắt lưới càng nhỏ hoặc độ thô chỉ lưới càng lớn thì tỉ số diện tích chỉ lưới Es càng lớn, sẽ làm cho lưới càng nặng và lực ma sát thuỷ động sẽ càng lớn.
Để thuận tiện cho tính toán tỉ số diện tích chỉ lưới (Es), người ta lập sẵn bảng tra tham số diện tích chỉ lưới Kn (Bảng 2.2) trên cơ sở độ thô và cỡ mắt lưới (Dt/a), được áp dụng với Kk = 9,7 là điển hình cho lưới gút đơn.


 


Ta cũng có thể dựa vào đồ thị trong Hình 2.7 để tìm ra Kn cho lưới gút đơn và lưới kép vuông (Kk = 9,7 ≈ 10,1) và lưới gút kép (Kk = 14,8).


Hình 6

Hệ số lọc nước (Ef) cũng có quan hệ với tỉ số diện tích chỉ lưới. Hệ số lọc nước liên quan đến phần diện tích trống thực sự cho nước chảy qua. Vì thế, nếu ta lấy tổng của diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ cộng với diện tích trống dành thoát nước chính là diện tích thực tế của tấm lưới:

Ef = 1 – Es (2.10)

Hệ số lọc nước càng cao càng cho phép dòng chảy qua lưới càng nhanh. Vì vậy, hệ số lọc nước sẽ giúp ta nghiên cứu về các kiểu dòng chảy qua lưới, ngược lại tỉ số diện tích chỉ lưới sẽ giúp ta nghiên cứu về hình dáng và các lực thủy động.

Số Reynolds
Số Reynolds (Re) là một giá trị không có thứ nguyên, nó được lập ở trạng thái đơn giản khi vật thể vận động trong chất lỏng. Số Reynolds là tỉ số của lực quán tính với độ nhớt của chất lỏng, và được định nghĩa như là:


ở đây:
L - là một kích thước đại diện (m) của vật thể. Chẳng hạn, đối với vật thể hình khối hay hình phẳng thì nó là kích thước chiều dài thông thường; đối với hình cầu và hình trụ nó là đường kính.
V - là vận tốc tương đối (m/s) giữa vật thể và dòng chảy.
n - là độ nhớt động học của môi trường chất lỏng (m2/s), (xem phụ lục 8)
Số Reynolds xét theo độ thô của chỉ sẽ là:


ở đây: V - là lưu tốc dòng chảy (m/s); D - là độ thô của chỉ lưới (m); n - là độ nhớt động học của chất lỏng (m2/s). Chú ý là độ thô chỉ lưới nên chuyển theo đơn vị mét.
Các kiểu lệ thuộc của lực cản thủy động của lưới vào số Reynolds được cho trong H 2.8 đối với a = 90o.


Hình 7

Cần lưu ý rằng ảnh hưởng của số Reynolds chỉ có ý nghĩa chỉ khi số Re<500, bởi khi đó hệ số lực cản ma sát Cx sẽ tăng lên rất lớn (phần trái của các đường cong trong đồ thị H 2.8 có độ dốc rất lớn). Nhưng khi giá trị số Reynolds Re >500 thỉ hệ số lực cản ma sát Cx thay đổi không đáng kể (phần bên phải của các đường cong gần như nằm ngang) và được gọi là khu vực mô hình tự động.

Số Reynolds là tham số quan trọng nhất trong tính toán thủy động lực học, đặc biệt là khi tàu di chuyển trong nước. Tuy nhiên, thường đối với lưới và chỉ lưới thì số Reynolds Re > 500 nên ảnh hưởng của nó đối với các hệ số thủy động thì không có ý nghĩa (H 2.8) có thể bỏ qua.

Các đường cong của hệ số thủy động Cx và Cy như là một hàm của góc tống a (H 2.6) là ứng với trường hợp của ReD = 6000 và Es = 0,046. Đối với các điều kiện này thì ảnh hưởng của Es và ReD thì ít hơn ảnh hưởng của góc tống a vì thế mà các đường cong trên được dùng để tính lực cản không chỉ cho lưới chỉ se ở trên mà còn có thể tính toán cho bất cứ loại chỉ lưới nào với Es và ReD khác nhau.

Phương pháp ước lượng xấp xĩ cho lực thủy động

* Trong trường hợp thiếu giá trị các hệ số thủy động Cx và Cy, lực cản thủy động R (kg) của một tấm lưới có thể tính theo công thức đơn giản sau:

R = Kh.Sn.V2(2.12)

ở đây:
Sn - là diện tích mở thực tế của tấm lưới (m2);
V - là lưu tốc dòng chảy (m/s);
Kh - là hệ số kích thước thực nghiệm (kg-sec2/m4). Trong trường hợp này ảnh hưởng của hệ số rút gọn và số Reynolds được bỏ qua.

* Đối với bề mặt tấm lưới trực giao với phương dòng chảy (a = 90o) và có hệ số rút gọn vừa phải (U » 0,7), thì Kh » 360Dt /a. Do đó:



* Đối với mặt tấm lưới song song với phương dòng chảy (a = 0o) và tỉ số diện tích chỉ lưới ít có ảnh hưởng, thì Kh = 1,8. Khi đó:

R0 = 1,8 . Sn .V2(3.14)

* Đối với mặt tấm lưới hợp với dòng chảy một góc tống a nào đó, khi đó trước hết ta ước lượng lực thủy động cho R90 theo (2.13) và R0 theo (2.14) rồi ngoại suy giữa hai giá trị đó:

Lực cản thủy động của ngư cụ có dạng đặc biệt
Ngư cụ hoặc phụ tùng của nó (dây giềng, dây xích, vòng khuyên, neo,...) thường có hình dạng đặc biệt. Đôi lúc ta cũng cần phải tính lực cho phụ tùng ngư cụ để biết lực cản của chúng mà trang bị sức kéo của tời, sức kéo của tàu,... cho thích hợp.

Cấu trúc lưới cụ thể trong ngư cụ cũng thường có dạng rất khác so với tấm lưới phẳng thông thường, có thể bao hàm cả dạng khí động học trong đó. Do vậy, việc đánh giá đúng lực cản thủy động của một ngư cụ đặc biệt nào đó, thường là sự kết hợp đánh giá từng phần riêng rẽ. Sau đó, tổng lực cản của các thành phần này chính là lực cản của toàn ngư lưới cụ.


Hình 8

ở đây: i là số phần của ngư lưới cụ được đưa vào để tính lực cản. Lực cản của mỗi phần có thể được tính theo công thức (2.7). Để tính được lực cản này ta cần phải biết các hệ số lực cản thủy động (C) và cũng cần phải tính tổng diện tích mà chỉ lưới chiếm chổ St của mỗi phần, hoặc chuyển đổi nó thành phương pháp tính toán đơn giản hơn.

Đối với một tấm lưới thả trong nước nếu bị tác dụng của dòng chảy nó sẽ bị phồng ra (H 2.9). Để có thể tính được lực cản thủy động của tấm lưới cong như vậy, thường người ta chia tấm lưới ra thành nhiều tấm lưới nhỏ, mỗi tấm lưới này sẽ hợp với phương dòng chảy một góc tống a trung bình nào đó. Tổng lực cản thủy động của từng tấm lưới nhỏ này sẽ là lực cản thủy động của toàn tấm lưới lớn mà ta cần tính.

Về phương diện hình học, ngư cụ có dạng hình nón cụt và hình trụ thì lực thủy động lên các phần lưới thường có cùng góc tống a (H 2.10).


Hình 9

Thí dụ 2.4
Tính lực cản thủy động của tấm đăng trực giao với phương dòng chảy (H 2.11). Tấm đăng có chiều dài L = 200 m, độ sâu làm việc là H = 12 m, Hệ số rút gọn U1 = U2 = 0,707 và lưu tốc dòng chảy tương đối là V = 0,8 m/s. Lưới được làm từ chỉ 50tex x 12 polypropylene, có độ thô Dt = 1,2 mm và kích thước cạnh mắt lưới a = 30 mm.


Hình 10

Giải:
Lực cản thủy động Rx cho tấm lưới đăng sẽ được tính theo công thức (2.7)
Rx = Cx.q.St
Ở đây:
- Hệ số lực cản Cx được xác định theo đồ thị H 2.6 ứng với a = 90o, chọn Cx » 1,4
- Áp lực hãm thủy động (q) ứng với r =100 kg-sec2/m4 và vận tốc V = 0,8 m/s là:

- Diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ theo công thức (2.9) ứng với Kn = 0,048 được ngoại suy từ Bảng 2.2 (áp dụng Dt = 1,2 và a = 30 mm) là:


ở đây: S = L.H = 200 x 12 = 2400 m2 là diện tích thật sự của tấm lưới.

Vậy, thế các giá trị Cx;q; St công thức (2.7), ta được:

Rx = Cx.q.St = 1,4 x 32 x 230 = 10304 kg

Bây giờ, để so sánh ta hãy tính lực cản thủy động cho việc ước lượng xấp xĩ như đã được giới thiệu theo công thức (2.13), ta được:


Kết quả này thì khác hơn kết quả trước, bởi vì các công thức (2.7) thì chính xác hơn: (11059 – 10034)/10034 = 0,07 = 7%


Hình 11

Tuy nhiên, việc ước lượng theo công thức (2.7) có khi thì cao hơn, có khi lại thấp hơn ước lượng xấp xĩ bởi vì lưu tốc dòng chảy V thường biến động theo độ cao của lưới (H 2.12). Mặt khác, nếu lưới bị dính rác bẩn sẽ tạo nhiều lực cản hơn lưới sạch. Lực cản cũng có thể tăng lên như là một kết quả của tốc độ xoáy cục bộ gây ra bởi các sóng biển.

Thí dụ 2.5

Tính lực cản của ngư cụ có dạng kết hợp giữa hình nón cụt và hình trụ (H 2.13) khi vận động trong nước. Có các kích thước sau:

Hình nón cụt có: Đường kính của đáy lớn hình nón cụt: D1 = 6 m.

Đường kính của đáy nhỏ hình nón cụt: D2 = 3 m.

Chiều dài hình nón cụt (giữa hai đáy): Lc = 5 m.

Chỉ lưới trong hình nón cụt: 93,5tex x 3 x 3 polyethylene.

Độ thô chỉ lưới trong hình nón cụt: Dtc = 1,5 mm.

Kích thước mắt lưới: a = 20 mm, và hệ số rút gọn: U1 = 0,4.

Diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ trong hình nón cụt Stc = 20,6 m2.

Hình trụ có: Đường kính của hình trụ: D3 = D2 = 3 m.

Chiều dài của hình trụ: L0 = 10 m.

Chỉ lưới trong hình trụ: 93,5tex x 6 x 3 polyethylene.

Độ thô của chỉ lưới trong hình trụ: Dt0 = 2,1 mm.

Kích thước mắt lưới: a = 20 mm, và hệ số rút gọn: U1 = 0,4.

Diện tích chỉ lưới chiếm chổ trong hình trụ: St0 = 40,7 m2.

Lưu tốc chuyển động tương đối: V = 1,5 m/s.


Hình 12

Giải:
Theo công thức (2.16) thì lực cản thủy động R của lưới sẽ là tổng lực cản của hình nón cụt Rc và hình trụ Ro.
- Lực cản hình nón cụt thì có liên quan đến góc tống a. Vì thế ta phải tính góc tống a theo công thức sau:

q = rV2/2 = (100)(1,5)2/2 = 112, 5 kg/m2

Khi đó theo công thức (2.7) cho ta: Rc = Cx.q.Stc = 0,55 x 112,5 x 20,6 = 1275 kg

- Đối với hình trụ (a = 0o), Cx = 0,47, do đó từ công thức (2.7), ta được:
R0 = Cx.q.St0 = 0,47 x 112,5 x 40,7 = 2150 kg

Vậy tổng lực cản của lưới là: Rx = Rc + R0 = 1275 + 2150 = 3425 kg

Trong lưới này, Dt/a = 0,075 và 0,105 thì lớn hơn loại lưới như được dùng trong Hình 2.6 và hệ số rút gọn đứng thì nhỏ hơn, vì thế các hệ số lực cản thì có thể hơi nhỏ hơn một ít làm cho việc ước lượng sẽ trở nên lớn hơn.

Cũng nên nhận thức rõ rằng giả định xuyên suốt trong mục này là lực cản thủy động R thì bằng tổng của các lực thành phần của nó, do đó xem ra nó có vẽ quá đơn giản và thuận lợi. Tuy nhiên trong thực tế có thể phức tạp hơn nhiều, do vậy ta có áp dụng các phương pháp ước lượng lực cản qua thực nghiệm.

Lực cản thuỷ động của dây giềng, thừng và cáp

Lực cản thủy động của một dây thẳng (chỉ, thừng, cáp) có thể được tính theo công thức tương tự như công thức (2.7) là:

Rx = Cx.q.(L.D). (3.17)

ở đây: Cx là hệ số lực cản; L là chiều dài; D là đường kính; q = rV2/2 là áp lực hãm thủy động.

Hệ số lực cản Cx thì luôn phụ thuộc vào góc tống giữa phương của dây và phương dòng chảy. Nó còn phụ thuộc vào kiểu cấu tạo và vật liệu làm dây, mức bao bọc thừng và số Reynolds. Sự phụ thuộc của Cx vào góc tống a theo các tính toán cho cáp thép có đường kính 12 mm được cho trong Bảng 2.3.

Bởi vì sự phụ thuộc của Cx vào góc tống a thì cũng tương tự với các loại dây khác nên Bảng 2.3 có thể được dùng để tính lực cản của chúng.

Nếu thừng và cáp không bị kéo quá căng, khi đó hệ số lực cản Cx sẽ phụ thuộc vào hình dáng làm việc của chúng, nghĩa là phụ thuộc vào tỉ số của độ võng b với chiều dài dây cung Lc (H 2.14). Các dữ liệu này có thể được thấy trong Bảng 2.4.


Hình 13

Hệ số lực cản của dây cũng phụ thuộc vào số Reynolds. Tuy nhiên, đối với hầu hết tính toán trong điều kiện thực tế thì số Reynolds có thể bỏ qua. Ngoài lực cản còn có lực bổng khi chúng hợp với dòng chảy một góc tống a.

Thí dụ 2.6

Tính lực cản của cáp kéo dài 500m, làm việc ở độ sâu H = 150 m. Cáp có độ thô D = 15 mm và tốc độ kéo V = 4 knot (2,06 m/s) trong nước biển (r = 105 kg-sec2/m4).

Giải:
Để đơn giản, ta xem cáp là thẳng và hợp với góc tống: sin a = H/L = 150/500 = 0,3

Tra bảng lượng giác , ta được a = 17,5o. Bằng cách ngoại suy từ Bảng 3.3, ta được hệ số lực cản Cx = 0,29. Áp lực hãm thủy động là: q = rV2/2 = (105)(2,06)2/2 = 223 kg/m2

Do vậy, lực cản thủy động của dây cáp kéo theo công thức (3.7) sẽ là:

Rx = 0,29 x 500 x 0,015 x 223 = 485 kg

Lực thuỷ động của phụ tùng ngư cụ

Phụ tùng ngư cụ là các phần gắn kết vào ngư cụ, như: phao, con lăn, chì, ván lưới, xích, ma ní, giềng chì, giềng phao. Ở đây ta sẽ thảo luận các phương pháp tính lực cản thủy động cho ván lưới, dây treo ván, các dạng phao, con lăn và một số phụ tùng khác có dạng hình trụ, cầu, ellip, bán cầu, nón cụt và hình phẳng. Lưu ý rằng, tổng lực cản của ngư cụ không phải chỉ có lực cản thủy động mà còn bao gồm lực ma sát, lực phản ứng nền đáy và ảnh hưởng của tải trọng cá.

Lực cản thủy động trong các phụ tùng ngư cụ (ván lưới, phao,...) tuy có giá trị nhỏ nhưng có thể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và chức năng của ngư cụ.

Như ta biết, công thức cơ bản để tính lực cản thủy động là:

R = C.q.S(2.18)

ở đây: q = rV2/2 là áp lực hãm thủy động; S là tiết diện tiếp xúc đến lực cản.
Hệ số lực cản thủy động (Cx) của vài vật thể điển hình được cho trong Bảng 2.5.


Lực cản thủy động (Rx) và lực bổng thủy động (Ry) tác động lên bề mặt (hoặc mặt cắt) của phụ tùng được tính theo phương trình thủy động lực học cơ bản (2.18) là:

Rx = Cx.q. S và Ry = Cy.q. S (2.19)

ở đây: Cx và Cy là các hệ số lực cản và hệ số lực bổng, nó phụ thuộc vào hình dáng của vật thể, phương của dòng chảy và số Reynolds. Các giá trị Cx và Cy của một số loại ván lưới được vẽ trong H 2.15 theo góc tống a. Nó cũng cho thấy rõ rằng góc tống a có ảnh hưởng đáng kể đến cả hai Cx và Cy.


Hình 14

Số Reynolds có ảnh hưởng ít nhiều đến ngư cụ bởi vì giá trị của nó đối với hầu hết các phụ tùng ngư cụ nằm trong khoảng 102-105 (H 2.16), qua một số trường hợp các ảnh hưởng này là có ý nghĩa và sẽ được thảo luận sau.


Hình 15

Thí dụ 2.7
Tính lực cản thủy động của giềng phao có gắn các phao cầu, có độ thô của thừng Dt = 15 mm, khoảng cách giữa 2 đầu dây cung Lc = 16 m, độ võng b = 4 m, đường kính phao Df = 200 mm, số phao trang bị là 40 phao, tốc độ kéo là 1,54 m/s (3 knots).

Giải:
Lực cản của dây giềng Rg được tính theo công thức (2.17). Tỉ lệ b/Lc = 4/16 = 0,25. Từ Bảng 2.4, ta có Cx = 0,73 và q » (100)(1,54)2/2 = 119 kg/m2.
Kết quả là:Rg = 0,73 x 16 x 0,015 x 119 = 20,8 kg

Lực cản trên mỗi phao được tính theo công thức (2.18) với Cx = 0,5 trong Bảng 2.5. Diện tích hình học trên phao được áp dụng cho hệ số này là:

S = (p/4). D2 = (p/4). (0,2)2 = 0,0314 m2

Do đó, lực cản thủy động của mỗi phao là:

Rf = 0,5 x 119 x 0,0314 = 1,87 kg

Tổng lực cản Rx của dây viền và các phao sẽ là:

Rx = Rg + 40(Rf) = 20,8 + 40(1,87) = 95 kg

Thí dụ 2.8
Tính lực cản của ván lưới có kích thước 0,75 x 1,5 m, làm việc với góc tống a từ 10o đến 50o. Tốc độ kéo V = 1,28 m/s (2,5 knots).

Giải:
Lực cản của ván lưới sẽ được tính theo công thức (2.19). Các hệ số lực cản được tìm thấy trong H 2.17 như sau:


Mật độ nước biển r = 105 kg-sec2/m4, do vậy áp lực hãm thủy động q = rV2/2 = (105)(1,28)2/2 = 86 kg/m2. Diện tích ván lưới kéo là:

S = 0,75 x 1,5 = 1,13 m2
Khi này ta có:

1. Rx10 = 0,16 x 1,13 x 86 = 15,5 kg
2. Rx20 = 0,35 x 1,13 x 86 = 34,0 kg
3. Rx30 = 0,57 x 1,13 x 86 = 55,1 kg
4. Rx40 = 0,72 x 1,13 x 86 = 70,0 kg
5. Rx50 = 0,90 x 1,13 x 86 = 87,1 kg

Theo cách làm tương tự ta cũng có thể tính được lực bổng thủy động theo hệ số lực bổng Cy ứng với các góc tống khác nhau.

Hình 16

Ảnh hưởng của nền đáy
Ngư cụ khi tiếp xúc nền đáy sẽ bị ảnh hưởng không chỉ bởi các lực thủy động mà còn bởi các lực sinh ra từ quá trình tiếp xúc của ngư cụ với nền đáy. Các lực này có thể được chia thành hai kiểu:

1. Ma sát lướt trên nền đáy
2. Cày, xới ngư cụ xuống nền đáy mềm.

Trong mục này, ta sẽ xem xét ảnh hưởng kết hợp của cả hai loại lực này.

Ma sát
Có hai kiểu ma sát cơ bản, (a) ma sát trượt và tĩnh tại, khi bề mặt của một vật thể nằm hoặc di chuyển tiếp xúc với bề mặt của một cái khác, và (b) ma sát lăn, khi một vật thể như là bánh xe hoặc hình cầu lăn tròn qua bề mặt của vật thể khác trong khi vẫn cố định trục của nó.

Ảnh hưởng của các lực ma sát lên lưới, dây viền và phụ tùng ngư cụ không chỉ xãy ra khi ngư cụ tiếp xúc nền đáy trong quá trình di chuyển, mà còn khi ngư cụ đang cố định nhưng lại chịu ảnh hưởng của dòng chảy. Trong trường hợp thứ nhất, ma sát nền đáy sẽ làm tăng thêm lực cản. Trong trường hợp thứ hai, ma sát nền đáy sẽ quyết định vị trí và hình dáng ngư cụ. Trong trường hợp ngư cụ di chuyển, ma sát trượt cũng thường được bao hàm trong đó.

Tính toán ảnh hưởng của nền đáy
Ta có công thức thực nghiệm để tìm ra tổng lực cản ma sát (gồm cả lực cày xới) nền đáy Rđ qua sử dụng công thức thực nghiệm sau:

Rg = Kg. Ww(2.20)

ở đây: Rg - là tổng lực cản ma sát do bởi nền đáy; Kg - là hệ số thực nghiệm dưới ảnh hưởng của nền đáy; Ww - là trọng lượng của vật thể trong nước.
Giá trị của Kg được cho trong Bảng 2.6 được đo đạc dưới các điều kiện trung bình qua hai kiểu nền đáy cứng. Tuy nhiên lại không có dữ liệu của nền đáy mềm (bùn).

 

Ma sát lăn
Việc lăn tròn của các phụ tùng ngư cụ, chẳng hạn con lăn của lưới kéo, sẽ tạo ra lực ma sát làm cho chúng không chỉ bị trượt mà còn lăn trên nền đáy (H 2.18).


Hình 17


Lực cản ma sát lăn thật sự của con lăn khi đó sẽ là:

Rb = Er. Rg (2.21)

ở đây: Rb - là lực cản của con lăn bao gồm ảnh hưởng của việc lăn; Rg - là lực cản của nền đáy khi con lăn được kéo xoay quanh trục của nó; Er - là hệ số lăn.

Sự ma sát lăn còn phụ thuộc vào góc tống ab của phương trục lăn và phương di chuyển. Giá trị của Er được cho trong Bảng 2.7.

Ở ab = 90o con lăn sẽ lăn dễ dàng và lực cản của nó là tối thiểu. Khi ab = 0o con lăn sẽ không lăn và lực cản nền đáy sẽ được ước lượng theo Bảng 2.6 và công thức (2.20).

Ngư cụ cố định

Trong ngư cụ cố định thì chì, đá dằn (túi cát hoặc đá) và neo có chức năng làm tăng cường thêm lực cản nền đáy Rđ để thắng lại các ngoại lực do dòng chảy, sóng, gió tác động lên phụ tùng ngư cụ. Thí dụ, một viên chì có thể phụ thuộc vào áp lực áp thủy tĩnh F1 nào đó bởi dòng chảy và đồng thời bởi lực F2 do được truyền dọc theo viền chì dưới ảnh hưởng của lưới nằm trong dòng chảy. Nếu

F = F1 + F2 £ Rg

thì viên chì sẽ giữ ở vị trí của nó. Và nếu F = F1 + F2 ³ Rg thì viên chì sẽ di chuyển dọc theo nền đáy.

Khi đá dằn được sử dụng (lưới rùng) lực F từ dây neo thì không theo phương ngang mà hợp với một góc b nào đó (H 2.19) để mà thành phần thẳng đứng của lực căng dây làm giảm hiệu quả của trọng lượng túi dằn. Độ lớn của góc β này phụ thuộc vào độ sâu của nước và chiều dài của dây căng.

Khi đó, lực cản hay lực giữ Rg đối với đá dằn được ước lượng xấp xĩ là:


ở đây: H là độ sâu; L là khoảng cách ngang từ ngư cụ đến đá dằn.


Hình 18

Lực thẳng đứng chỉ trong H 2.19 là phản ứng của nền đáy, nó bằng với trọng Ww của đá dằn trong nước trừ đi thành phần hướng lên của sức căng dây. Từ (2.22) cho thấy rằng lực giữ của đá dằn thì phụ thuộc không chỉ vào trọng lượng mà còn phụ thuộc vào tỉ số H/L. Do vậy, nếu H = 0, lực ma sát giữ sẽ là cực đại; và nếu L = 0 thì sẽ không có lực ngang từ ngư cụ và cũng không cần có lực giữa ma sát của đá dằn.

Lực giữ của neo Rg thì phụ thuộc vào trọng lượng, kiểu neo, đặc tính của nền đáy và phương của đường dây neo. Nó có thể được ước lượng theo công thức sau:

Rg = Ka.Ww (2.23)

ở đây: Ka là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kiểu neo vào nền đáy. Ka = 5-7 đối với đáy cát; và Ka = 12-15 đối với đáy sét.

Thí dụ 2.9
Tính trọng lượng trong nước của một túi dằn bằng cát để giữ vách tấm lưới cố định một chổ, nếu lực cản theo phương ngang của lưới là 100 kg. Chiều dài dây căng là 10 m, độ sâu là 4 m và nền đáy là cát.

Giải:
Để ngăn ngừa sự dịch chuyển, lực giữ của túi dằn Rg không thể ít hơn lực đẩy nó đi. Kết quả là tối thiểu Rg = 100 kg. Hệ số ma sát Kg cho trong Bảng 2.6 là 0,76. Khoảng cách nằm ngang L từ chân lưới đến túi dằn được tính như sau:

Dĩ nhiên, đây là giá trị tối thiểu, giá trị này cần phải nhân thêm với hệ số an toàn từ 2-3 theo mức dự đoán sự biến động của lực làm di chuyển vật thể.

Thí dụ 2.10
Tính trọng lượng của neo để giữ cho giềng chì của lưới cố định tại một chổ, nếu sức căng của dây neo là T = 200 kg. Hệ số lực giữ của neo là Ka = 5, độ sâu là 6 m và chiều dài dây neo là 60 m.

Giải:
Lực giữ của neo Rg không được ít hơn sức căng của dây neo Rx, nghĩa là:

Rg = Rx = T.cosb

ở đây b là góc hợp giữa nền đáy và phương dây neo. Nhưng sin b = 6/60 = 0,1 khi đó

. Do vậy, nếu dây thì đủ dài so với độ sâu thì sức căng của dây gần bằng với lực cản:

Rg » T = 200 kg

Tái sắp xếp lại công thức (2.23) trọng lượng tối thiểu trong nước của neo là:

Lực tải do cá gây ra
Cá có thể tạo nên các tải lực làm ảnh hưởng đến hoạt động của ngư cụ. Thí dụ, khi cá bị móc câu, sự vùng vẫy của cá sẽ gây ra một lực lên lưỡi câu, nhánh dây câu và dây chính và nếu lực đó đủ mạnh thì dây câu có thể bị đứt. Trường hợp của lưới rê, lưới vây rút chì và những ngư cụ khác thì tổng các lực gom lại bị gây ra bởi nhiều cá thể cá theo một hướng nào đó có thể làm hư hỏng ngư cụ.

Lực kéo câu liên tục của cá có thể được ước lượng xấp xĩ theo phương trình:

ở đây: Wf - là trọng lượng cá trong không khí (kg); L - là chiều dài của cá (m); Kf - là hệ số thực nghiệm có giá trị từ 0,5-1,0.

Lực gây ra bởi cá do tạo động năng trong quá trình giật thoát mạnh có thể được diễn tả bởi công thức:


ở đây: Wf - trọng lượng cá trong không khí (kg); V - là tốc độ bơi cực đại của cá (m/s); g - là gia tốc trọng trường (m/s2); e - là lực đàn hồi tối đa của ngư cụ (m).

Công thức này cho thấy rằng động năng thì phụ thuộc vào tính đàn hồi của ngư cụ, tiếp đến nó phụ thuộc vào phương pháp thiết kế ngư cụ. Thí dụ, nếu dây câu dài hơn sẽ cho phép sức căng đàn hồi lớn hơn và có thể chịu đựng được với lực giật mạnh của cá mắc câu.

Thí dụ 2.11
Tính động năng gây ra bởi cá ngừ cân nặng 20 kg, nếu dây nhánh của dây câu chính là 2m, 4m, và 6m. Tốc độ bơi tối đa của cá này là 6 m/s.

Giải:
Áp dụng công thức (2.25) để tính lực kéo câu ứng với chiều dài các dây nhánh là:

1. F1 = 20 x 62/(9,8 x 2) = 36,7 kg
2. F2 = 20 x 62/(9,8 x 4) = 18,4 kg
3. F3 = 20 x 62/(9,8 x 6) = 12,2 kg.

Lực gây ra bởi cá thì thỉnh thoảng lớn hơn 1,5 lần so với trọng lượng của nó, lưỡi câu thường xé rách thịt cá. Do vậy, trong trường hợp (1) ta thấy tính đàn hồi của ngư cụ (nghĩa là dây nhánh) thì không đủ hiệu quả.

Tổng lực kéo trì xuống của một con cá có thể vượt hơn trọng lượng của nó gấp vài lần. Thí dụ, cá Trích Bắc Đại Tây Dương có trọng lượng của cá trong nước ít hợn 1% đến 2% của trọng lượng nó trong không khí. Ở cùng thời gian lực thẳng đứng được tạo ra bởi cá trong lưới khi chúng bắt đầu lặn xuống thì lớn hơn 7% trọng lượng trong không khí. Chính nhân tố này đã làm chìm tàu lưới nâng mà đã được biết đến.


Tính toán ngư cụ như là một hệ thống dây giềng

Thể hiện đơn giản để có thể tính toán

Thiết kế ngư cụ, mà ngư cụ đó là một hệ thống không gian ba chiều phức tạp, thì thường được dựa trên việc xem xét các bản vẽ không gian hai chiều và các biểu đồ lực. Các bản vẽ này tượng trưng cho các hình chiếu (hay mặt cắt) của ngư cụ như là một hệ thống các dây giềng tại một thời điểm nào đó, hoặc ở điều kiện được giả định là ổn định. Việc xác định đúng hình dạng và các tải lên ngư cụ sẽ giúp ta có thể cải thiện hình dạng ngư cụ, làm phù hợp giữa các tải và ngư cụ, và tăng cường hiệu suất khai thác.

Một số ngư cụ, như lưới rê, lưới vây là những tấm lưới dài và độ sâu ngắn, thì hình dạng và lực tác động lên chúng có thể được đánh giá bằng cách xem chúng qua ba dạng sau (H 2.20).

Hình 2.20a mô tả lưới đang chịu ảnh hưởng của dòng chảy. Lực cản tấm lưới dưới tác dụng của ngoại lực (R) sẽ được gánh bởi hệ thống giềng phao và giềng chì. Nếu chiều dài giềng chì và giềng phao bằng nhau thì lưới sẽ chịu sự phân bố lực đồng đều.

Nếu tải chỉ phân bố chỉ lên những dây cung như ở Hình 2.20b thì hình dạng, sức căng và ứng suất tải ở hai đầu cần được tính toán.

Các nội lực sinh ra bởi sức đề kháng của lưới có thể thấy trong hình Hình 2.20c. Trường hợp này các ngoại lực tác động lên 1 m dây giềng (phao hoặc chì) là sự kết hợp của ứng lực ngang (r/2) với lực lực nổi của phao Ff (hoặc lực chìm của chì Fs.

Hình 19

Đặc điểm hình dáng và ước lượng sức căng của dây giềng
Ta biết rằng hình dạng và sức căng của dây giềng thì luôn phụ thuộc vào sự phân bố của các ngoại lực tác dụng lên dây. Trong thực tế người ta thường thấy dây giềng khi làm việc trong nước có các dạng biểu hiện như: võng (chùn) xuống dưới ảnh hưởng của lực trọng trường (H 2.21); hoặc võng lên dưới ảnh hưởng của sức nổi (H 2.22); hoặc cong theo mặt phẳng ngang dưới ảnh hưởng của lực cản thuỷ động do dòng chảy tác dụng lên dây (H 2.23).
H 2.21 và H 2.22 cho thấy dây giềng OA phụ thuộc vào lực trọng trường và lực nổi thẳng đứng phân bố đều. Fs là lực chìm của lưới và Fb là lực nổi của lưới trên đơn vị chiều dài. Góc α hợp giữa dây giềng và các lực này sẽ thay đổi dọc theo đường dây.


Hình 20

 


Hình 21


Hình 2.23 cho thấy dây giềng OA chịu tải dọc theo chiều dài bởi lực thủy động Fq trực giao với tiếp tuyến của dây tại mỗi điểm, bất kể hướng của dòng chảy. Tuy nhiên, độ lớn của lực thuỷ động Fq tại mỗi điểm thì phụ thuộc vào hướng của dòng chảy.
Trong thực tế, để có thể quan sát hình dáng, đánh giá các lực và sức căng trong dây giềng, người ta thường xét qua mô phỏng một dây xích được cố định ở hai đầu A và B như trong Hình 2.24.


Hình 22

Giả định rằng các tham số hình học cơ bản của dây giềng thể hiện dưới dạng xích nói trên gồm: chiều dài dây (Lℓ), độ võng (b), chiều dài dây cung (Lc) và góc tống (aw) hợp với phương của dây và phương lực trọng trường (Fs).
Từ H 2.24 ta thấy, sức căng tối thiểu (T0) trong dây sẽ là ở điểm O. Sức căng (Tx) theo phương ngang tại bất kỳ điểm nào trên dây đều bằng với sức căng tối thiểu này, nghĩa là Tx = To.

* Đối với một đường dây cong đối xứng, các quan hệ giữa chiều dài dây (Lℓ), độ võng (b), sức căng tối thiểu (T0), lực trọng trường (Fs), gốc tống (aw) và chiều dài cung (Lc) có thể được biểu diễn qua các biểu thức sau:



* Nếu sức căng tối thiểu T0 được biết trước, thì sức căng tại bất cứ điểm nào trên đường dây có thể được tính theo công thức sau:

T = To + Fs.y(2.28)
ở đây: Fs - là lực chìm trên một đơn vị chiều dài (kg/m);
y - là độ võng của dây tại điểm đó. Đối với điểm A và B thì: y = b.

* Nếu dây xích chịu ảnh hưởng của lực cản thủy động do dòng chảy gây ra như trong (H 2.23) thì lực thủy động (Fq) trên đơn vị chiều dài xích là:

Fq = Cn.D.q.sin2a(2.28)
(ở đây nếu là thừng thì Cn » 1.4; và D là đường kính, theo mét).
Sức căng T do tải này gây ra thì bằng nhau dọc suốt đường dây xích; và mối quan hệ giữa hình dạng và các lực của một dây xích chịu lực cản thủy động sẽ là:


* Để đánh giá hình dáng lưới khi có dòng chảy thì cách tốt nhất là áp dụng dạng đường parabol. Khi đó lực sẽ phân bố đều trên cung AB hơn là phân bố dọc đường cong AOB như trường hợp của dây xích. Phương trình cho đường parabol sẽ là:


ở đây: y - là độ võng (hay tung độ); x - là hoành độ tại mỗi điểm trên đường cong; Fx - là tải lực trên một đơn vị độ rộng của lưới (kg/m); và To = Tx là sức căng tối thiểu của dây khi nó chỉ chịu mỗi tác dụng của tải lực trọng trường.

Áp dụng công thức (2.32) đối với hai đầu dây của hệ thống dây dạng parabol, thì sức căng tối thiểu trong đường dây sẽ là:

ở đây: chiều dài dây cung là Lc = 2.x; và tổng lực cản của đường dây là R = Fx.Lc.

Khi đó, tải gây ra tại bất kỳ một điểm nào đó nếu không trùng với trục x, sẽ là:
Tx = To = const (hằng số) (2.34)

và sức căng tại điểm đó trên đường dây sẽ là:

ở đây: a là góc hợp giữa phương trục dây và phương tải lực bên ngoài (phương Y).
Ở mỗi đầu của dây đối xứng, các véc-tơ sức căng sẽ là:
Tx = To(2.36)


Để ước lượng chiều dài của đường cong (Lℓ), trên cơ sở có tác động của dòng chảy với đảm bảo giềng phao nằm ở một độ sâu nhất định khỏi nền đáy biển và giềng chì không bị nâng lên, thì chiều dài dây (Lℓ) phải là:

Công thức (2.40) chỉ áp dụng cho b/Lc < 0,35. Nếu độ võng sâu hơn, thì công thức trên sẽ cho kết quả vượt hơn khoảng 5%. Tuy nhiên, ta còn có một công thức khác khá phức tạp nhưng chặc chẽ hơn là:


Bảng 2.8 sẽ giúp ta đơn giản bớt việc tính toán. Từ giá trị của một trong những tham số được cho, như: góc tống a, tỉ lệ giữa chiều dài dây cung và chiều dài dây (Lc/Lℓ), tỉ lệ giữa độ võng và chiều dài dây (b/Lℓ), tỉ lệ giữa chiều dài dây cung và độ võng (Lc/b) hoặc Cotg a, bảng sẽ cho ta biết một số tham số mà ta mong muốn.

Cần chú ý rằng đôi khi có cùng tỉ lệ chiều dài dây giềng, nhưng góc tống α của dây xích sẽ khác biệt có ý nghĩa so với dây parabol. Nếu góc tống này là tới hạn, như khi ta ngoại suy từ các đường dây cáp kéo (thí dụ, ước lượng cho độ mở của ván lưới), thì đường cong nào thích hợp cho sự phân bố tải cần phải được chọn đúng đế tránh bị lệch trong kết quả tính toán.

Thí dụ 2.12
Dây thừng AOB (H 2.24) được kéo trong nước tạo ra một lực cản là R = 110 kg. Chiều dài thừng Lℓ = 60 m. Khoảng cách giữa hai đầu AB là Lc = 48 m. Hãy tính sức căng tối thiểu T0 tại điểm giữa của thừng và sức căng T tại hai đầu A và B.

Giải:
Ta áp dụng công thức cho dây parabol (2.33) để giải bài tập này. Độ võng b có thể được tra từ Bảng 2.8 dựa vào:




Thí dụ 2.13
Người ta tính được sức căng T của dây nối giữa đầu lưới rê và tàu tại điểm cao nhất (tại mạn tàu) của nó là 800 kg và trọng lượng của dây trong nước là Fs = 0,8 kg/m. Độ sâu thả lưới là 120 m. Hãy tính chiều dài tối thiểu cần thiết của dây để không gây cho lưới bị nâng lên khi thả neo

Giải:
Do dây chỉ chịu lực tải ngang do trọng lượng của nó và lực nổi của phao, do vậy nó được xem tương tự như dây OA hoặc OB (H 2.24) với chiều dài là Lℓ/2. Đầu lưới thì nằm ở điểm O và tàu thì ở điểm B.Ở đây bởi dây có dạng là một nữa của đường cong parabol, nên công thức (2.29) sẽ là:


Mặt khác, vì dây thì nằm ngang tại điểm kết với lưới, nên sức căng tại điểm thấp hơn nó được tính theo công thức (2.28) là: T0 = T – Fs.y

ở đây b = y là độ sâu thả lưới. Do đó, sức căng tại đầu dây sẽ là:

T0 = 800 – (0,8 x 120) = 704 kg

Vậy chiều dài tối thiểu cần thiết phải thả dây là:


Thí dụ 2.14


Hình 23

Người ta lắp các phao dọc theo chiều dài của lưới rùng để đảm bảo cho giềng phao không bị hạ xuống sát đáy khi chúng được kéo vào bờ (H 2.25). Biết rằng sức căng của dây tại mỗi phao khi chưa kéo lưới là 30 kg và có thể tăng lên đến 500 kg khi chịu kéo. Trọng lượng trong nước của giềng phao là 0,2 kg/m. Độ võng cho phép tối đa là 4 m. Hãy tính lực nổi cần thiết của phao và sự phân bố của phao dọc theo giềng phao.

Giải:
Lực làm chùn giềng phao tại điểm giữa đoạn giềng của hai phao cần phải lớn hơn lực căng kéo xuống khi lưới hoạt động. Như trong H 2.25, khoảng cách giữa hai phao kế cận nhau là Lc và giả sử rằng độ chùn của dây thì đủ nhỏ để cho phép ta xem chúng có dạng parabol, nghĩa là Fx » Fs. Khi đó ta có thể áp dụng công thức (2.33) để tính chiều dài dây cung Lc cần thiết khi kéo lưới là:


Điều này cho thấy rằng dưới tác dụng của sức căng của dây là 30 kg, thì khoảng cách tối thiểu giữa hai phao phải là 70 m.

Giả sử độ chùng thì đủ nhỏ, để mà Lc»Lℓ, thì trọng lượng trong nước của mỗi đoạn giềng giữa hai phao sẽ là:

Qℓ = Fs . Lc = 0,2 x 70 = 14 kg

Với mức an toàn tăng thêm 50%, Lực nổi của phao sẽ là:

Qf = 1,5 x Ql = 1,5 x 14 = 21 kg

Lưu ý rằng, ta có thể dùng nhiều phao loại nhỏ hơn nhưng có tổng lực nổi bằng với lực nổi trên để cải thiện độ chùng của viền phao.


Thí dụ 2.15
Tấm đăng của lưới đăng có độ cao 10 m được đặt nơi có độ sâu 7 m. Tìm lực nổi của giềng phao Qf và lực chìm do đá dằn Fs, đảm bảo giềng phao không bị chìm xuống và giềng chì không bị nâng lên khi áp lực dòng chảy lên tấm đăng là 0,6 kg/m2.

Giải:
Ta hãy xem mặt cắt ngang của tấm đăng có dạng của H. 2.23 để mà lực nổi và lực chìm ở hai đầu dây (tại giềng phao và giềng chì) thì cân bằng với áp lực thủy động lên lưới. Theo công thức (2.34) ta có:

Ff = Fs = Tx =T0

Bởi mặt cắt có dạng parabol, nên công thức (2.33) có thể được áp dụng. Nhưng trước hết ta cần tính độ võng b (H 2.24). Chiều dài dây cung Lc thì bằng với độ sâu nước và chiều dài Lℓ thì bằng với chiều cao tấm lưới, ta được: Lc/Lℓ = 7/10 = 0,7. Tra Bảng 2.8 cho dây parabol ta được b/Lℓ = 0,33, suy ra được: b = 0,33 x 10 = 3,3 m.

Áp dụng công thức (2.33) để tính lực nổi của phao và lực chìm tối thiểu của đá dằn trên 1m chiều dài tấm đăng sẽ là:


Ngoài các phương pháp tính toán nêu trên, ta còn có thể áp dụng các phương pháp đồ hoạ để giải những bài toán tương tự hoặc có thể còn phức tạp hơn thế nữa.

Tính toán hình dạng và sức căng dây giềng bằng phương pháp mô phỏng cơ học

Phương pháp đồ họa thì rất hữu ích cho những trường hợp phức tạp, chẳng hạn khi có ngoại lực tác dụng lên dây thì không đồng nhất, khi điểm chịu lực tác động và điểm đảm bảo độ bền cho dây thì có độ cao khác nhau và có nhiều hơn một đường dây.

Một trong những công cụ đơn giản để tính toán theo phương pháp mô phỏng lực học là lắp một bộ khung có hai thanh gỗ H 2.26. Đối với dây xích nặng thì để đảm bảo đầu xích luôn ở vị trí A và B thì cần có trọng vật. Trọng vật tượng trưng cho các lực thẳng đứng được phân bố đều dọc theo chiều dài của dây, để khi khung gỗ được dựng đứng dưới tác dụng trọng lực, dây sẽ tạo ra đúng như dạng dây xích treo. Như thế, đường dây treo sẽ là mô hình cơ học của một dây thừng đang làm việc ngoại thực tế.

Để có thể đánh giá sức căng tại điểm B, đầu dây xích cần được giữ tại thanh ngang OE bởi một đối trọng có thể điều chỉnh (WBh) kéo thẳng đứng xuống và đối trọng điều chỉnh khác (WBv) kéo theo phương ngang để điểm B luôn ở vị trí cố định. Giá trị của WBh và WBv là tượng trưng cho sức căng ngang và đứng của đường dây tại vị trí B. Ta cũng có thể áp dụng kỹ thuật tương tự tại điểm A để được tính thành phần sức căng tại đó.

Hình 24


Độ lớn của các sức căng này và góc hợp giữa đầu dây và véc-tơ chịu tải đứng được xác định là:


ở đây: T - là sức căng theo phương hợp với góc tang a của đường cong; Wh và Wv - là 2 thành phần của sức căng này theo phương ngang và phương đứng. Dĩ nhiên là các kết quả này chỉ áp dụng cho mô hình cơ học.

Điều kiện cần thiết để chuyển kết quả thí nghiệm mô hình cho đúng với thực tế thì cần phải giữ các kích thước thực tế theo đúng tỉ lệ mô hình thí nghiệm. Đó là:


Nếu điều kiện này được thoả mãn, khi đó tất cả các lực (lực cản, sức căng và ứng lực) Rp và Tp tác dụng lên dây thừng, dây chỉ se xoắn,...sẽ cũng tương quan với các lực Rm và Tm theo cùng tham số tỉ lệ lực SF.

Do vậy:


Chú rằng rằng tải lực trên một đơn vị sẽ là tham số tỉ lệ là SF/SL. Các tham số tỉ lệ SL và SF có thể tùy chọn sao cho thuận lợi.


Thí dụ 2.16
Một sợi cáp có chiều dài Lℓp=70 m cố định tại 2 điểm: A và B (H 2.27). Điểm A cao hơn B là YA=25 m. Khoảng cách ngang giữa A và B là XB= 43 m. Trọng lượng của một mét cáp trong nước là Fs= 0,5 kg/m. Dùng kỹ thuật mô phỏng cơ học để xác định vị trí C của điểm thấp nhất của đường dây và các sức căng tại các điểm của gối đở A và B.


Hình 25


Giải:
Chọn tham số tỉ lệ chiều dài là SL=100, chiều dài dây xích cho mô hình theo công thức (2.42) là Lm=Lp/SL=70/100=0,7 m. Cắt một đoạn xích có chiều dài 0,7 m, cân nặng được Rm =12,8 g. Lắp một tấm bảng khung và xác định các điểm A và B theo đúng với tham số tỉ lệ Sl =100, nghĩa là điểm A cao hơn điểm B là 0,25 m và cách B là 0,43 m theo phương ngang.

Cài một đĩa cân trọng lượng bởi một sợi dây mềm, nhẹ ở mỗi đầu dây xích và mắc qua một ròng rọc gần điểm A và B. Điều chỉnh trọng lượng trong các đĩa cân mãi đến khi các đầu xích trùng chính xác tại các điểm A và B. Các trọng lượng này khi đó bằng với sức căng tại điểm A là TAM = 9,2 g; và tại điểm B là TBm = 4,6 g. Các tọa độ tại điểm C trong mô hình xích được đo trực tiếp là XCm = 0,26 m và YCm = 0,12 m.

Bởi tham số tỉ lệ được chọn là 100, tọa độ của điểm thấp nhất trong dây sẽ là:

XCp = XCm . SL = 0,26 x 100 = 26 m

YCp = YCm . SL = 0,12 x 100 = 12 m

Tổng lực chìm trên dây sẽ là: Rp = Fs . Llp = 0,5 x 70 = 35 kg
và tổng trọng lượng của xích là 12,8 g. Do đó, tham số tỉ lệ đối với các lực từ công thức (2.43) là: SF = 35/0,0128 = 2734 và các sức căng ở hai đầu dây sẽ là:

TAp = TAM . SF = 0,0092 x 2374 = 25,2 kg

TBp = TBm . SF = 0,0046 x 2734 = 12,6 kg

Hình 2.27 đã chỉ cho thấy là làm thế nào những vấn đề về hình dạng và sức căng của dây có thể được giải quyết trên một bảng nằm ngang. Ở đây các ngoại lực được mô phỏng không phải bằng trọng lượng như của mô hình xích hoặc thừng, nhưng với sự hổ trợ của các trọng lượng mà tác động của nó được truyền đến mô hình ở các điểm A, C, D, E, F, B bởi các dây phụ trợ mắc qua các ròng rọc ma sát nhỏ. Mô hình (xích hoặc dây) được đặt trên tấm bảng gỗ dưới tác động của các trọng lượng này sẽ đạt được hình dạng xấp xĩ như dây chịu tải tương tự.

Nguồn vocw.edu.vn

TIN VẮN



Coppyright Trung tâm nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Phần mềm
Trường Đại học Nha Trang

Hội nghề cá Khánh Hòa - 04 Phan Chu Trinh (Khu liên cơ 2) - Tp Nha Trang