Tài liệu tiếng việt môn Động học tàu thủy

tài liệu tiếng việt môn động học tàu thủy cho sinh viên đại học giao thộng vận tải chuyên ngành hàng hảitài liệu tiếng việt môn động học tàu thủy cho sinh viên đại học giao thộng vận tải chuyên ngành hàng hảitài liệu tiếng việt môn động học tàu thủy cho sinh viên đại học giao thộng vận tải chuyên ngành hàng hải

TÌNH TRẠNG VÀ ÁP SUẤT ĐỘNG CỦA NƯỚC

Bất kỳ ai từng chơi đùa khi bơi dưới nước trong bể bơi sẽ thấy áp

lực tăng lên khi họ bơi xuống dưới đáy bể Áp suất (tức là trọng lượng của nước đè lên mỗi mét vuông) tăng tỉ lệ thuận với độ sâu của nước như hình dưới đây

Áp suất dưới độ sâu của nước là thước đo thế năng trên một đơn vịthể tích, hoặc 'mật độ năng lượng' của nước ở độ sâu đó Nếu chúng ta chứa nước trong một bể lớn, sau đó sẽ tạo ra một lỗ rất nhỏ ở đáy bể, áp suất tĩnh sẽ tạo ra một tia nước và thế năng đượcchuyển thành động năng trong nước chảy Áp suất tĩnh ở đáy bình tác động như nhau theo mọi hướng nhưng máy bay phản lực sẽ chỉtạo áp suất theo hướng của dòng chảy của nó, áp suất này chỉ thực hiện đầy đủ bằng cách đưa dòng chảy hoàn toàn dừng lại và được gọi là 'áp suất ngưng trệ'

NGUYÊN LÝ CỦA BERNOULLI

Sự chuyển đổi thế năng thành động năng trong dòng chất lỏng lần đầu tiên được nhà khoa học Thụy Sĩ Daniel Bernoulli ở Thế kỷ 18 kiểm tra Nếu một dòng chảy không có ma sát, năng lượng trên một mét khối trong một dòng chảy ổn định được bảo toàn và do đóBernoulli tuyên bố rằng, trong một dòng chảy như vậy, tổng áp suất tĩnh và áp suất tĩnh tại bất kỳ điểm nào dọc theo dòng chảy cũng không đổi Ma sát trong dòng chất lỏng được gọi là 'ma sát nhớt' và không thể bị bỏ qua trong việc bơm chất lỏng hoặc dẫn động máy móc qua chúng (chẳng hạn như tàu thủy hoặc máy bay qua khí quyển) Tuy nhiên, nguyên lý Bernoulli giải thích tại sao có

sự sụt giảm áp suất tác động vuông góc với dòng chảy khi vận tốc thẳng của nó được tăng tốc bằng cách cho dòng chảy qua một diện tích tiết diện giảm

Bernoulli chỉ xem xét các điều kiện chảy ổn định của chất lỏng, là điều kiện không thể nén được và do đó có mật độ không đổi Bể bị

rò rỉ, được hiển thị trên trang trước, không phải là tình trạng dòng chảy ổn định thực sự, vì áp suất của tia nước giảm theo mực nước giảm trong bể Tuy nhiên, nếu lỗ rất nhỏ, so với diện tích bề mặt của bể, nó xấp xỉ với dòng chảy ổn định trong thời gian ngắn và có

thể bỏ qua vận tốc đi xuống rất nhỏ của nước bên trong bể Một bức tranh đầy đủ hơn về nguyên lý Bernoulli được đưa ra bằng cách xem xét hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng.

Sự co thắt trong dòng chảy được gọi là 'venturi' và sự giảm áp suấttĩnh mà nó gây ra được gọi là 'hiệu ứng venturi' và cũng có thể áp dụng cho các chất khí với điều kiện cho phép thay đổi tỷ trọng với

áp suất thay đổi Hiệu ứng venturi được sử dụng trong nhiều loại thiết bị, thường để trộn hai hoặc ba chất lỏng với nhau Vòi chữa cháy tạo bọt có lỗ thông hơi để hút thành phần bọt lỏng và không khí vào dòng nước từ vòi chữa cháy thông thường để tạo bọt chữa cháy bằng dầu

Và hệ quả, tỷ suất lưu lượng thể tích

Và hệ quả là

Theo nguyên tắc của bernoulli

Định luật Bernoulli dòng nước xung quanh thân tàu

Chúng ta có thể áp dụng nguyên lý Bernoulli cho dòng nước chảy qua một con tàu, cho dù nó đang di chuyển trong vùng nước tĩnh hay đang neo trong dòng chảy, vì trong cả hai trường hợp, dạng thân dưới nước của tàu làm hạn chế dòng chảy

Tất nhiên, nguyên tắc của Bernoulli là đơn giản hóa thực tế bởi vì chúng ta không thể bỏ qua tác động của lực ma sát tác động lên chuyển động của thân tàu qua nước Mặc dù sự phân bố áp suất được dự đoán bởi nguyên lý Bernoulli là đúng, nhưng lực cản ma sát đối với chuyển động về phía trước của thân tàu làm cho áp suất cao thu hồi tại đằng lái (hỗ trợ chuyển động) nhỏ hơn áp suất cao tại mũi tàu (chống lại chuyển động) Các tác động đầy đủ

của ma sát chất lỏng khá phức tạp và chúng ta sẽ xem xét chúng chi tiết hơn ở phần sau của chương này và trong chương 2.

Sự chênh lệch áp suất Bernoulli dọc theo thân tàu sẽ tăng theo tốc

độ của con tàu trên mặt nước và điều quan trọng là phải hiểu một

số khía cạnh quan trọng của hoạt động của thân tàu Khi một con tàu đang di chuyển tương đối nhanh gần với một con tàu khác hoặc một vùng hạn chế dưới đáy biển (chẳng hạn như bãi cạn), hình thái của áp suất và biến dạng đường nước sẽ ảnh hưởng đáng

kể đến việc lái của tàu

Khi một con tàu di chuyển vào vùng nước nông và hạn chế hơn, hiệu ứng venturi (giảm áp suất chất lỏng dẫn đến khi một chất lỏng chảy qua một phần bị hạn chế của đường ống) phát triển giữađáy thân tàu và đáy biển sẽ khuếch đại sự phân bố áp suất

Bernoulli Sự gia tăng gia tốc của dòng chảy bên dưới và xung quanh khu vực giữa của thân tàu gây ra "sự sụt giảm đáng kể của đường nước và do đó thân tàu 'chìm' gần hơn với đáy biển

Tất cả những hiện tượng tương tác này có thể và đã góp phần gây

ra va chạm và mắc cạn và sẽ được xem xét chi tiết hơn trong chương 6

Định luật Bernoulli dòng nước xung quanh thân tàu (tiếp theo)

Sự chênh lệch áp suất Bernoulli cũng rất quan trọng bởi nó khiến

sự chuyển động của tàu tạo ra một dạng sóng nước di chuyển cùng tốc độ với tàu Một lần nữa, điều này sẽ được thảo luận đầy

đủ hơn trong chương tiếp theo nhưng đủ để nói rằng tại thời điểm này các tính chất vật lý của nước và độ dài của sóng quyết định tốc độ mà sóng có thể truyền trên mặt nước, điều này đặt ra một giới hạn hiệu quả cho tốc độ tối đa mà thân tàu có thể di chuyển trong nước ('thân tàu dịch chuyển' là khi trọng lượng của tàu được hỗ trợ hoàn toàn bởi trọng lượng của vùng nước dịch chuyển theo nguyên tắc của Archimedes(là lực tác động bởi một chất lưu lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong một trường lực của Vật lý học).)

Việc tạo ra khuôn mẫu sóng cũng chiếm năng lượng cái mà chuyểnđộng của con tàu phải cung cấp nên nó là một dạng khác của lực

cản Dòng nước chảy xung quanh thân tàu làm phát sinh lực cản của hai hiện tượng vật lý khác nhau.

1) Lực cản ma sát giữa nước và thân tàu

2) Lực cản tạo sóng do tạo ra dạng sóng

3) Lực cản do tác động của môi trường, chẳng hạn như sóng và gió

do thời tiết tạo ra

Các nguyên nhân khác nhau của lực cản này phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của thân tàu và nước theo những cách khác nhau,

do đó chúng được xem xét 1 cách riêng biệt

LỰC TÁC ĐỘNG GIỮA CÁC PHẦN TỬ

Mặc dù điều này có vẻ kỳ lạ khi chuyển động của một tàu chở dầu trọng lượng 250.000 T bị cản trở bởi tác dụng tích lũy của các lực cực nhỏ, lực cản ma sát phụ thuộc rất nhiều vào các lực tác động ởcấp độ phân tử Có những dự báo về lực hút tác động giữa bản thân các phân tử nước và giữa các phân tử nước với các phân tử của bất kỳ bề mặt rắn nào đang đi qua chất lỏng Cả hai lực liên phân tử này đều quan trọng để hiểu được lực cản ma sát

Sức căng bề mặt

Chúng ta có thể bắt đầu bằng cách xem xét hiện tượng đơn giản 'Sức căng bề mặt', cho phép nhiều động vật rất nhỏ 'đi trên mặt nước theo đúng nghĩa đen Điều này làm cho một 'lớp da' hình thành trên bề mặt của một khối nước đủ mạnh để nâng đỡ trọng lượng của côn trùng, chẳng hạn như người lái thuyền nước Trên thực tế, nó không đòi hỏi bất kỳ tài năng đặc biệt nào đối với côn trùng Chúng có diện tích bề mặt lớn so với trọng lượng cơ thể đếnmức chúng không thể rơi qua lớp da căng bề mặt vào vùng nước bên dưới mà chúng ta có thể rơi qua sàn mà chúng ta đang đứng

Sức căng bề mặt tác động đến việc kéo một mặt phân cách nước / không khí thành một hình với thể tích của nó nhỏ nhất có thể, do

đó các giọt nước và bọt khí trong nước đều có dạng hình cầu Nếu bằng cách nào đó chúng ta có thể 'xé' bề mặt nước ra, và chèn thêm diện tích bề mặt, thì chúng ta đang làm việc chống lại sức căng bề mặt và năng lượng tiêu thụ sẽ tăng lên cùng với diện tích

bề mặt bổ sung Trên thực tế, chúng ta đang lan rộng vùng nước

ra xa hơn, đó là điều mà hầu hết mọi người thường làm khi họ dùng cây lau nhà làm tràn nước ra Biểu đồ sau đây cho thấy một

ví dụ khá giả tạo về điều này, trong đó diện tích bề mặt bổ sung códạng hình chữ nhật để dễ dàng tính tổng

Một con tàu đang di chuyển trong vùng nước tĩnh sẽ chịu một lực đối lập rất nhỏ trên mũi tàu do sức căng bề mặt khi nó 'giải nén mặt nước nhưng điều này được cân bằng bởi lực đẩy về phía trước đối với đuôi tàu khi mặt nước' kéo 'ngược lên khi nó đi qua con tàu Tuy nhiên, sức căng bề mặt là đáng kể khi một con tàu đang

áp vào biển nặng và tạo ra tia phun Trong những tình huống này,

bề mặt nước không chỉ đơn thuần bị tách ra, nó còn bị đập vỡ thành những mảnh rất nhỏ và sau đó tái tạo thành hàng triệu giọt nước Năng lượng được lấy ra từ chuyển động của con tàu vừa để nâng trọng lượng của nước phun lên không trung, vừa tạo thành diện tích bề mặt của nước tăng lên đáng kể khi nó bị phân mảnh thành những giọt có đường kính chỉ khoảng một mm Điều này làm tăng diện tích bề mặt của nước bị ảnh hưởng lên khoảng một nghìn lần và do đó có thể tạo ra một lực đáng kể để chống lại chuyển động của con tàu Không có gì đáng ngạc nhiên khi một

con tàu dường như rùng mình và đột ngột giảm tốc độ khi nó gặp phải một con sóng vỡ ra thành bụi lớn

Sức căng bề mặt trong chất lỏng là do các phân tử của chất lỏng bịhút vào nhau nhưng lực hút giữa các phân tử chất lỏng và chất rắncũng rất đáng kể Nước thường làm 'thấm' các bề mặt rắn mà nó tiếp xúc vì có lực hút lớn giữa các phân tử nước và thép

Độ nhớt, và dòng chảy chất lỏng tầng hoặc hỗn loạn

Nếu chúng ta kéo một tấm ván gỗ ngâm gần như hoàn toàn qua nước, lực hút giữa nước các phân tử và của tấm ván làm cho các phân tử nước trong cùng tự gắn vào tấm ván Các phân tử được gắn vào tạo ra lực cản lên các phân tử liền kề bên ngoài chúng do lực hút giữa bản thân các phân tử nước Điều này dẫn đến việc hình thành các lớp nước di chuyển qua tấm ván với các tốc độ khác nhau Lớp trong cùng là tĩnh, so với tấm ván và khi chúng ta

di chuyển ra ngoài, các lớp trượt về phía trước của tấm ván với vậntốc tăng dần cho đến khi chúng ta đạt đến nước không bị xáo trộn,đang lướt nhanh với tốc độ của tấm ván trong nước Tình huống này được gọi là 'dòng chảy tầng' và nó xảy ra do các lực hấp dẫn tác động giữa các phân tử nước để truyền năng lượng từ chuyển động của tấm ván sang vùng nước xung quanh Điều này, đến lượt

nó, tạo ra một lực cản vật rắn di chuyển qua nước hoặc nước chảy qua các bề mặt rắn (chẳng hạn như dòng chảy ống, v.v.) Các hiện tượng ma sát chất lỏng này được gọi là 'độ nhớt' Một chất lỏng rấtnhớt là một trong đó lực hấp dẫn giữa các phân tử cao và do đó lựccản đối với dòng chảy là đáng kể (ví dụ treacle hoặc nhựa đường nóng chảy)

Độ nhớt trong dòng chất lỏng có liên quan đến gradient vận tốc trong chất lỏng, diện tích tiếp xúc và lực ma sát như sơ đồ sau

Nói một cách chính xác, độ nhớt và mức độ cản trở là do sự tương tác của chất lỏng với bề mặt rắn cũng như các lực tác động giữa các phân tử bên trong chất lỏng Nếu chất lỏng hoạt động như thủy ngân khi tiếp xúc với lớp mạ thép, lực cản ma sát để di

chuyển tàu qua nước thực sự sẽ rất thấp Một số lớp phủ nhựa, chẳng hạn như PTFE và Polyethylene đẩy lùi nước, nhưng không thực tế để duy trì các lớp phủ chống thấm ướt như vậy trên các khu vực dưới nước của tàu biển Độ nhám của bề mặt rắn cũng rất quan trọng, vì bề mặt thô ráp sẽ kéo theo nhiều nước cùng với nó hơn một mịn Sự thay đổi từ thân tàu tán đinh sang tất cả kết cấu hàn đã giảm đáng kể độ nhám nhưng cả ăn mòn và sự phát triển của biển đều có thể tăng lên đáng kể sức cản

Tình trạng dòng chảy tầng không ổn định bởi vì, khi các lớp nước trượt qua nhau, vận tốc tương đối của chúng tiếp tục thay đổi khi các lớp bên trong tiếp tục làm chậm các lớp ngay bên ngoài

chúng Khối lượng nước trong cùng di chuyển cùng với tấm ván hoặc gần như vậy sẽ có xu hướng tăng thêm dọc theo chiều dài tấm ván và tạo ra áp suất thấp ở phía trước của tấm ván Nếu tấmván đủ dài hoặc di chuyển đủ nhanh, điều này cuối cùng sẽ dẫn đến việc các lớp bên ngoài nhào vào trong trong một loạt các vòng xoáy để lấp đầy khoảng trống và dòng chảy sau đó được cho

là đã trở thành 'hỗn loạn'

Dòng chảy quanh lá (lá kim loại)

Nếu một người thổi qua mép của tờ giấy trong khi giữ nó bằng hai góc giữa ngón cái và ngón tay của mỗi bàn tay, thì tờ giấy sẽ nânglên Hiệu ứng có thể được tăng cường đáng kể nếu mép giấy được cuộn lại

Mảnh giấy hoạt động như một cánh máy bay tạo ra một lực hướng lên vuông góc với bề mặt của tờ giấy Khi tờ giấy được treo dưới dạng một tấm phẳng, dễ dàng cho rằng 'lực bình thường này lên tấm phẳng đơn giản là kết quả của tác động của không khí lên mặtdưới của nó Tuy nhiên, chúng ta có thể mong đợi rằng việc uốn cong mép trước của nó sẽ chặn một số bề mặt bên dưới và việc lặplại thí nghiệm sẽ tạo ra hiệu ứng nâng thậm chí lớn hơn Điều này thực sự là do luồng không khí phía trên đỉnh của tấm được tăng tốc

và do đó, theo nguyên lý Bernoulli, tạo ra sự giảm áp suất Điều này xảy ra bất cứ khi nào một dòng chất lỏng không phân chia đềuxung quanh vật cản rắn Nó thường đạt được bằng cách làm cho dòng chảy tấn công vật cản một cách không đối xứng và được tăng cường bằng cách sắp xếp hợp lý hình dạng của nó

Các kết cấu được xây dựng để tạo ra lực từ dòng chất lỏng vuông góc với hướng của dòng chảy được gọi là 'lá' Chúng bao gồm cánh quạt máy bay, cánh buồm cối xay gió, cánh quạt máy bay, tàu cánh ngầm, v.v., ngoài cánh máy bay Thành phần của lực vuông góc với dòng chảy nguyên dạng thường được gọi là 'lực nâng' ngay cả khi nó nằm ngang vì nguyên tắc này là chủ yếu

trong chuyến bay của máy bay Dòng chảy không đối xứng đạt được bằng cách dòng chảy chạm vào một lá không đối xứng hoặc dòng chảy đối xứng theo một góc xiên, được gọi là 'góc tấn hoặc góc gió thổi' hoặc thường là sự kết hợp của cả hai.

Dòng chảy quanh lá (giấy bạc) (tiếp)

Dòng không đối xứng xung quanh lá có thể được coi là thêm

chuyển động quay vào dòng đối xứng tuyến tính vì điều này sẽ tăng tốc dòng chảy trên một mặt của lá (chẳng hạn như bề mặt trên của cánh máy bay) trong khi giảm tốc độ nó Mặt khác

Nguyên tắc này có thể được sử dụng để tạo ra một lực nâng lên một quả cầu hoàn hảo bằng cách cho nó quay Quả bóng gôn hoặc quả bóng chày có thể bay xa hơn nhiều nếu nó được tạo độ xoáy chính xác khi nó được đánh hoặc ném Trong trường hợp bóng gôn, điều này đạt được bằng cách đánh bóng ở phía dưới Các vết lõm trên quả bóng gôn và đường nối trên quả bóng chày là

để làm nhám bề mặt để quả bóng quay không khí được kéo theo dòng quay một cách hiệu quả hơn

Dòng chảy qua phía áp suất thấp của một lá được gia tốc và tương

tự, sự gia tăng áp suất ở phía áp suất cao bị giảm tốc, do đó, theo

lý thuyết của Bernoulli, sự chênh lệch áp suất tỷ lệ với sự chênh lệch giữa bình phương của hai vận tốc dòng chảy ở hai bên của lá(Xem trang 4) Tính chất 'bình phương' của mối quan hệ này có nghĩa là sự gia tăng + dv 'trong vận tốc dòng chảy tạo ra sự thay đổi áp suất lớn hơn sự giảm' -ðv 'trong dòng chảy, do đó, sự giảm

áp suất trên đầu cánh máy bay hoặc tàu cánh ngầm, lớn hơn sự gia tăng áp suất bên dưới Do đó, 'lực hút' ở phía áp suất thấp củagiấy bạc cung cấp đóng góp lớn hơn dần dần vào lực trên lá giấy

so với sự gia tăng áp suất ở phía áp suất cao khi sự thay đổi ' ðv ' trong vận tốc dòng chảy được tăng lên

Lực tạo thành nghiêng theo hướng của dòng chảy và có thể được phân giải thành hai thành phần; cụ thể là 'lực cản', đối lập với dòng chảy không bị xáo trộn và 'lực nâng', vuông góc với dòng