ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN LOẠI TÍNH NỔI CỦA THUYỀN BUỒM TRUYỀN THỐNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ ISO 12217-2

Để đánh giá ổn định và phân loại tính nổi của thuyền buồm truyền thống Việt Nam có chiều dài lớn hơn 6m theo Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 12217-2, chúng tôi đã khảo sát tính toán 18 loại thuyền buồm để lập tỷ số giữa diện tích buồm và khối lượng thuyền đầy tải, đồng thời tính ổn định cho một chiếc thuyền buồm ba vát Quảng Ninh (PHT) đã được nêu tên trên tạp chí Wooden Boat năm 2018. Kết quả khảo sát tính toán là tài liệu tham khảo có ích trong quá trình triển khai khôi phục và phát triền thuyền buồm phục vụ cho ngành du lịch, phát triển kinh tế biển cũng như bảo tồn truyền thống hàng hải của dân tộc.  

1. Phân bố và hình ảnh một số thuyền buồm truyền thống

Thiết bị đẩy trên những chiếc thuyền truyền thống chủ yếu là những cánh buồm có hình dạng biến đổi ngoạn mục, được phân bố dọc theo chiều dài đất nước, từ buồm cánh dơi phía bắc đến những cánh buồm hình tứ giác trên thuyền Ghe Bầu, và cuối cùng là những cánh buồm tương tự cho những chiếc thuyền của người ở Malacca thuộc Malaysia. Những nghiên cứu về thuyền buồm này đã được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu người Pháp như J. Pietri, P. Paris và Quân đội Mỹ. Các tác giả đã thể hiện được sự đa dạng của tàu thuyền Việt Nam thông qua các tác phẩm:  "Thuyền buồm Đông Dương", "Phác thảo một dân tộc học hải quân của người Việt Nam” và cuốn cẩm nang "Junk Blue Book" của nhóm nghiên cứu thuộc Quân đội Mỹ.

Dưới đây là một số hình ảnh về Phân bố các chủng loại thuyền buồm truyền thống của Việt Nam và một số hình dáng thuyền buồm truyền thống khu vực miền Nam Việt Nam. (Hình 1.1 đến Hình 1.7)


Hình 1.1. Phân bố các chủng loại thuyền buồm truyền thống của Việt Nam

Hình1.2. Thuyền đánh cá (Huế)


  Hình 1.3. Thuyền chở hàng (Huế)


 

Hình 1.4. Thuyền đánh cá (Quảng Nam)

 

Hình 1.5. Thuyền chở hàng (Ninh Thuận)

 

Hình 1.6. Thuyền đánh cá (Quảng Trị)


Hình 1.7 Thuyền đánh cá (Phan Thiết)


 

2. Tác động của lực gió lên thuyền buồm

Trước khi phân tích đặc tính của buồm trên các thuyền bè truyền thống, chúng ta cần phân tích các nguyên tắc vật lý hoạt động của buồm. Lực nâng buồm (L), tác dụng vào buồm như một vật thể hình cánh, theo hướng thẳng góc với dòng khí tới (với tốc độ gió biểu kiến, VA) và đó là kết quả của chênh lệch áp suất giữa mặt đầu gió và mặt dưới gió, nó phụ thuộc vào góc tấn, hình dáng buồm, tỷ trọng không khí và tốc độ của gió biểu kiến. Chênh lệch áp suất kết quả từ lực pháp tuyến tính cho một đơn vị diện tích của buồm khi dòng không khi thổi qua. Lực nâng do áp suất trung bình trên mặt đầu gió cao hơn áp suất trung bình mặt dưới gió, độ chênh áp suất đó phụ thuộc vào độ cong của dòng không khí, vì dòng không khí đi theo một quỹ đạo cong dọc theo mặt đầu gió của buồm, tạo ra gradient áp suất thẳng góc với dòng khi với thấp áp trên cạnh thoát của đường cong và áp suất cao ở cạnh vào. Để tạo ra lực nâng, buồm phải có một góc tấn (α) giữa dây cung của buồm và tốc độ gió biểu kiến (VA). Góc tấn là hàm số phụ thuộc vào góc hành trình thuyền với gió và việc điều chỉnh buồm với gió biểu kiến ra sao. Khi lực nâng do buồm tạo thành tăng lên, thì lực giạt, một thành phần ký sinh (D) cũng tang. Lực giạt và lực nâng là hai thảnh phần của lực thủy khí tổng cộng tác động vào thuyền (FT). Vì lực tác động vào buồm chịu tác động cản của nước nên lực tương ứng có thể phân tích thành lực đẩy thuyền (FR) và lực giạt ngang (FLAT). Lực đẩy thắng sức cản để đây thuyền tiến lên. Lực giạt ngang gặp sức cản ngang của tấm ky, của xiếm và khi đó cũng tạo ra lực nghiêng ngang. 

Hình 2.1. Phân tích tác động của lực gió

Lực gió tác dụng vào buồm, tạo nên lực nâng, FT là lực tổng cộng tác dụng vào buồm với gió biểu kiến (VA). Lực đó được phân thành hai lực, lực nâng L và lực làm giạt D với các vector màu đỏ và xanh, cùng với góc tấn α.
Lực gió tác dụng vào buồm (L và D) được chuyển cho thuyền (FR -lực đẩy thuyền về phía trước và FLAT - lực đẩy thuyền giạt sang bên), khi thuyền chạy ngược gió, cả hai thành phần của lực thủy khí động học tổng cộng (FT).

Hình 2.2. Lực gió tác dụng vào buồm

Lực thủy khí động cân bằng với lực thủy động khi thuyền buồm chạy ngược, sát với hướng gió.
Hình 2.3 - Nhìn từ trên xuống, Hình 2.4 - Nhìn từ đuôi thuyền: ‘CE- tâm chịu gió ; CLR- tâm cản ngang; CG- trọng tâm thuyền;  CB - tâm sức nổi;   Fl - lực thủy động tổng cộng tác dụng vào thân thuyền; Pl - lực nâng thủy động ; PLAT - lực giạt ngang thủy động ; Rl - lực cản thủy động ; W – trọng lượng chiếm nước thủy động.

Hình 2.3. Lực gió tác dụng vào buồm - Nhìn từ phía trên

Hình 2.4. Lực gió tác dụng vào buồm - Nhìn từ phía đuôi

Với góc nghiêng không đổi và tốc độ ổn định, lực khí động và thủy động cân bằng nhau. Với thuyền buồm, lực khí động tổng cộng (FT) đặt tại tâm chịu gió (CE), nó phụ thuộc vào hình dáng thiết kế và việc điều chỉnh buồm trong khi hoạt động. Tương tự như vậy, lực thủy động tổng cộng (Fl) đặt tại tâm sức cản ngang (CLR), nó phụ thuộc vào hình dáng thiết kế thân thuyền và các chi tiết nằm dưới nước như tấm ky, tấm xiếm.

Mối quan hệ vector trong không gian ba chiều với lực khí động, khi thuyền chạy trên mặt nước là: FT = FR + FLAT + FVERT

Trị số của lực đẩy thuyền (FR) và lực giạt ngang (FLAT) với góc của gió biểu kiến (α), với giả thiết thuyền không nghiêng , có quan hệ với lực nâng  (L ) và lực giạt (D ), như sau :

            FR = Lsinα - Dcos α

            FLAT = Lcosα - Dsinα

Nếu đã biết các hệ số lực nâng và lực giạt (CL and CD) của buồm tại góc tấn xác định đã biết thì lực nâng (L) và lực giạt (D) có thể tính được theo phương trình sau đây, các giá trị thay đổi theo bình phương của tốc độ gió (VA):

            L = ½ r VA2ACL

            D = ½ r VA2ACD
 

Trong đó: ρ - tỷ trọng không khí; A - diện tích buồm.

Đồ thị tọa độ cực (Polar) mô tả lực lực nâng (L), lực giạt (D), lực khí động tổng cộng (FT), lực đẩy thuyền tiến (FR), và lực cản ngang (FLAT) khi thuyền đi ngược, sát với hướng gió, lực cản ngang là lớn nhất và lực đẩy thuyền chạy là thấp nhất khi chạy ngược, sát hướng gió được thể hiện như hình 2.1.


Hình 2.5.  Đồ thị tọa độ mô tả các lực tác động

Như ta đều biết , trong tiếng Anh thông dụng có câu  “If you sail close to the wind “ – nếu anh có đự định đi ngược , sát hướng gió (close-hauled) , hàm ý rằng anh có ý định liều mạng làm cái gì đó , làm một việc gần tới giới hạn cho phép hay bản thân anh chịu đựng được . Bởi vậy, khi nghiên cứu thuyền bè dân gian Việt Nam, các học giả phương Tây đều chú ý tới khả năng đi ngược gió và tỏ ra rất ngạc nhiên khi người dân Việt Nam có thể đi sát gió tới 60-70 độ. Đó là do cấu tạo tuyến hình của các con thuyền và một hệ thống các cây xiếm chống giạt rất đa dạng, với các tên gọi khác nhau: xiếm /cái lui hạ/thanh lĩa … nhằm chống lực giạt. Kỷ lục về các thanh xiếm có lẽ thuộc về chiếc bè màng Sầm Sơn vượt Thái Bình Dương vào năm 1993, với 8 chiếc xiếm, tạo thành 4 cặp. Ngoài cấu trúc của thuyền và buồm, đi buồm ngược gió đòi hỏi người đi biển những kỹ năng hàng hải thành thạo để xử lý nhanh các tình huống khi cho thuyền chạy vát, ngược gió, khi thu bớt buồm lúc gió giông bão, khi chống thuyền nghiêng lật … Do ấn tượng mạnh về chiếc ghe bầu , P. Paris đã tự 

minh họa bìa cuốn sách “ Phác thảo dân tộc học hàng hải của Việt Nam “ bằng mô tả chiếc thuyền với chiếc xiếm mũi đặc trưng và người dân đang “gành “ , tức là ngồi trên đòn , tạo mô men để chống nghiêng cho thuyền, một động tác mà người chơi thuyền buồm hiện đại gọi là “hiking” , tạo nên những cảnh đua rất đẹp trên biển cả.
3. 
Tỷ lệ tổng diện tích buồm và khối lượng thuyền truyền thống đủ tải tối đa

Tổ tiên chúng ta đã lựa chọn thiết kế các hệ thống buồm một cách khá hợp lý. Bắt đầu là những cánh buồm mành, buồm cánh dơi, cánh kẹo vùng Hạ Long, xuôi dần về phía Nam chuyển sang buồm tứ giác, gần gũi với các buồm Malaysia và vùng nước phía Nam Thái Bình Dương. Khi xuôi gió, hai cánh buồm được giương ra hai phía mạn khác nhau của thuyền, tạo ra một cảnh tượng khá đẹp trên biển mà người Việt chúng ta gọi là thuyền  “chạy cánh tiên”, trong khi người Pháp gọi là thuyển như giương ra hai phần của cái kéo (running with two sails as the handles of the scissors) còn người Anh, Mỹ thì gọi là thuyền như con ngỗng giương cánh (the boat unfurling geese). Theo định nghĩa của tiêu chuẩn quốc tế ISO 8666 và ISO 12217-2, diện tích buồm tham chiếu (AS) là tổng diện tích tối đa của toàn bộ hệ thống buồm trên mặt chiếu đứng của thuyền, kể cả những phần tam giác chồng lện nhau và một tiêu chuẩn để được coi thuyền có động lực chủ yếu để đẩy thuyền bởi sức gió là diện tích đó phải thỏa mãn yêu cầu AS ≥ 0,07 (mLDC)2/3.

Với mLDC là khối lượng của thuyền trong tình trạng tải trọng tối đa, tính bằng kg. Như đã trình bày ở trên, thuyền truyền thống chúng ta có khả năng đi ngược gió và mang một diện tích buồm khá lớn. Để khảo sát so sánh, chúng tôi đã xét 18 loại thuyền được nêu trong cuốn Thanh thư  bao gồm: 2 chiếc thuyền Quảng Trị mang ký hiệu QT BC-1, QTBC-2; 2 chiếc thuyền  Huế ký hiệu  HUBC-1, HUBC-2; 2 thuyền Quảng Nam ký hiệu  QNBH-1; QNBC-1; 1 thuyền Đà Nẵng DABC-1 ; 2 thuyền Quảng Ngãi QGBC-1, QGBH-1; 2 thuyền Quy Nhơn ký hiệu  QUBH-1, QUBC-1; 2 thuyền Nha Trang NTBH-1, NTBC-1; 2 thuyền Phan Thiết PTBH-1, PTBC-1a; 3 thuyền Vũng Tàu ký hiệu  VTAC-1, VTAC-2, VTBC-1. Những thuyền đó tạm được coi là đại diện cho toàn bộ thuyền cà miền Bắc lẫn miền Nam nước ta vì mặc dù Thanh Thư chỉ khảo sát các con thuyển từ vĩ tuyến 17 trở vào, song thuyền ở Vũng Tàu lại có nguồn gốc di cư từ Hải Phòng và Quảng Ninh nên trang bị buồm mành rất đặc trưng.  Kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3.1 và đồ thị 1 (Hình 2.7). Trong đồ thị 1, chúng tôi so sánh giữa tỷ số As / (mLDC) 2/3 như yêu cầu của ISO và coi 0.07 là một hằng số.

 
Bảng 3.1- Tổng diện tích buồm và khối lượng 18 loại thuyền truyền thống

Hình 3.2.1 Tỷ lệ diện tích thuyền buồm của thuyền so với khối lượng thuyền

Hình 3.2. Biểu đồ tỷ lệ của diện tích buồm và khối lượng thuyền đầy tải (As / (mLDC) 2/3)

4. Ổn định của thuyền buồm PHT theo Tiêu chuẩn iso 12217-2

Thuyền buồm PHT được đóng tại làng Phong Cốc, Quảng Yên, Quảng Ninh năm 2017. Đây là một công trình để bảo tồn truyền thống của các làng nghề truyền thống của Việt Nam, với Tiến sĩ Nguyễn Việt, Giám đốc Trung tâm Đông Nam Á thời tiền sử là nhà đầu tư, nghệ nhân Lê Đức Chân là nhà thiết kế và xây dựng. VISIA được mời tham gia với tư cách là cố vấn chuyên gia thiết kế tàu và thiết lập các tài liệu này.

Hình 3.3. Hình dáng thuyền buồm PHT

Kết quả tính toán:

100% Loading, 100% stores
100% Loading, 100% stores

Hình 3.4. Đồ thị và kết quả tính ổn định thuyền PHT theo ISO 12217-2

Theo kết quả tính ổn định thuyền đáp ứng các yêu cầu được của Tiêu chuẩn ISO 12217-2.

Tài liệu tham khảo

[1] INTERNATIONAL STANDARD

ISO 12217-2- Small craft — Stability and buoyancy assessment and categorizatio

[2] Do Thai Binh.Vietnamese traditional sailboat Tre Edition “2011.

[3] P. Paris. Esquisse d une ethnographie navale des peuples annamites. Museum Rotterdam; Second Edition.

[4] Junk Blue book Edition 1962

[5] ISO 12217-2 Second Edition 01/03/2013.  Third Edition 2015.

[6] Kimball, John Physics of Sailing. CRC Press 2009.

[7] Bethwaite, Frank. High Performance Sailing. Adlard Coles Nautical 2007.

[8] Eliasson, Lars Larsson & Rolf E. Principles of yacht design 2007 Camden, Me: International Marine.

[9] Ken Preston. Wooden Boat Number 262 May/June 2018.

[10] Ken Preston. A Vietnamese junk carries tradition into the future.  

[11] J.Pietri. Voiliers d’Indochine S.I.L.I.  Second edition 1949.
 

BÙI NGỌC THUẬN - VIMATEC Engineering