Cano càng chạy nhanh càng nổi cao vì thân thuyền lướt sóng được thiết kế để chuyển từ chế độ "rẽ nước" sang chế độ "lướt": khi đủ nhanh, áp lực nước dưới đáy phẳng tạo lực nâng, đẩy thân thuyền trồi lên, phần ngâm trong nước nhỏ lại nên lực cản giảm. Thuyền rẽ nước bị giam dưới một giới hạn tốc độ gắn với chiều dài thân; thuyền lướt vượt qua giới hạn đó bằng cách leo lên chính con sóng mình tạo ra.
Hai cách một con thuyền đi trên nước
Thuyền rẽ nước
Thuyền rẽ nước (displacement hull) nổi nhờ lực đẩy Archimedes: nó chiếm chỗ một khối nước nặng đúng bằng chính nó. Khi tiến lên, nó phải đẩy khối nước đó sang hai bên rồi để nước khép lại phía sau. Tàu hàng, phà, thuyền gỗ đánh cá, ghe chở lúa trên sông miền Tây đều thuộc loại này. Đáy thường tròn hoặc chữ V sâu, đuôi thon để nước chảy về êm.
Ưu điểm: êm, ít tốn nhiên liệu ở tốc độ thấp, chở nặng tốt. Nhược điểm: có một bức tường tốc độ gần như không vượt được.
Thuyền lướt
Thuyền lướt (planing hull) có đáy phẳng hoặc chữ V nông, mép đáy có gờ sắc (chine) và đuôi vuông vắn. Ở tốc độ thấp, nó cũng rẽ nước như mọi con thuyền. Nhưng khi tăng ga, nước va vào đáy nghiêng tạo áp lực đẩy lên, giống bàn tay đặt nghiêng thò ra cửa sổ xe đang chạy. Thân thuyền nâng dần, mũi chúc xuống lại, và thuyền "lên lướt". Lúc đó chỉ phần đuôi đáy chạm nước.
Bức tường "tốc độ thân tàu"
Một con thuyền đi trên nước luôn tạo ra hệ sóng: một con sóng ở mũi, một con ở đuôi. Bước sóng (khoảng cách giữa hai đỉnh) tăng theo tốc độ. Khi tốc độ đủ lớn để bước sóng dài bằng chiều dài đường nước của thân, thuyền nằm kẹt giữa sóng mũi và sóng đuôi, như đang leo một con dốc do chính nó đào ra.
Các kỹ sư tàu thuyền gọi mốc đó là tốc độ thân tàu (hull speed). Công thức kinh nghiệm quen thuộc:
Tốc độ thân tàu (hải lý/giờ) ≈ 1,34 × √(chiều dài đường nước tính bằng foot)
Đổi sang đơn vị mét và km/h cho dễ hình dung: tốc độ thân tàu (km/h) xấp xỉ 4,5 × √(chiều dài đường nước tính bằng mét).
| Chiều dài đường nước | Tốc độ thân tàu xấp xỉ | Ví dụ |
|---|---|---|
| 4 m | 9 km/h (khoảng 5 hải lý/giờ) | Xuồng nhỏ |
| 9 m | 13,5 km/h (khoảng 7 hải lý/giờ) | Thuyền buồm du lịch cỡ vừa |
| 25 m | 22,5 km/h (khoảng 12 hải lý/giờ) | Tàu đánh cá vỏ gỗ |
| 100 m | 45 km/h (khoảng 24 hải lý/giờ) | Tàu lớn |
Đây là con số kinh nghiệm chứ không phải giới hạn tuyệt đối. Thân rất thon và nhẹ (thuyền đua rowing, thuyền độc mộc dài) vượt được nó một chút. Nhưng với phần lớn thuyền rẽ nước, đổ thêm công suất ở mốc này chỉ làm thuyền chúc đuôi xuống, sóng to hơn, tốn dầu gấp bội mà gần như không nhanh thêm. Đó là lý do tàu lớn đi nhanh được: tàu dài thì "bức tường" xa hơn.
Leo qua con dốc: giai đoạn khó nhất
Thuyền lướt cũng phải đi qua bức tường đó. Giai đoạn chuyển tiếp — từ rẽ nước sang lướt — là lúc lực cản đạt đỉnh, các kỹ sư gọi là "đỉnh bướu" (hump). Người ngồi trên cano sẽ thấy rõ: vừa tăng ga, mũi thuyền chổng lên cao, đuôi ghì xuống, tầm nhìn phía trước bị che, máy gầm to mà tốc độ tăng chậm. Vài giây sau, mũi hạ xuống, thuyền bỗng nhẹ hẳn và vọt lên. Đó là lúc thuyền "lên lướt".
Người ta dùng số Froude (tỉ lệ giữa tốc độ và căn bậc hai của chiều dài nhân gia tốc trọng trường) để chia ba vùng:
- Rẽ nước: số Froude theo chiều dài dưới khoảng 0,4. Đây là vùng của thuyền chở hàng.
- Bán lướt: khoảng 0,4 đến 1. Thân nâng một phần, tiêu hao nhiều nhất cho mỗi km/h tăng thêm.
- Lướt hoàn toàn: trên khoảng 1. Lực nâng thủy động gánh phần lớn trọng lượng.
Các mốc này là gần đúng và mỗi tài liệu chia hơi khác nhau, nhưng ý chính giống nhau: thuyền lướt cần đủ công suất trên mỗi tấn trọng lượng để vượt qua đỉnh bướu. Chở quá tải, máy yếu hay đáy bẩn bám hà, nhiều cano không bao giờ lên lướt được, chạy mãi ở trạng thái chổng mũi tốn dầu.
Các kiểu thân thuyền tốc độ
Chữ V sâu
Thập niên 1960, nhà thiết kế người Mỹ C. Raymond Hunt phổ biến kiểu thân chữ V sâu (deep-V) cho thuyền lướt. Đáy chữ V góc lớn ở đuôi giúp thuyền cắt sóng thay vì đập phẳng lên sóng, nên êm hơn nhiều khi biển động. Phần lớn cano du lịch, xuồng cao tốc ra đảo ở Việt Nam dùng biến thể của kiểu thân này. Đổi lại, nó cần máy mạnh hơn đáy phẳng để lên lướt.
Thân có bậc
Thân có bậc (stepped hull) có một hoặc vài bậc cắt ngang đáy. Khi chạy nhanh, không khí lọt vào sau bậc, tách một phần đáy khỏi nước, giảm diện tích ướt. Thuyền đua và cano hiệu năng cao hay dùng. Bù lại, khi cua gấp, thân có bậc có thể trượt hoặc ngoặt bất ngờ nếu người lái không quen.
Hai thân và đường hầm
Thuyền hai thân (catamaran) có đường hầm ở giữa ép không khí tạo thêm lực nâng. Thuyền đua F1H2O và nhiều thuyền đua ngoài khơi dùng kiểu này. Ở tốc độ cao, đôi khi gần nửa trọng lượng thuyền được không khí đỡ.
Thủy phi cơ ba điểm
Thuyền đua hydroplane hạng mạnh chỉ chạm nước ở ba điểm: hai mỏm phao hai bên mũi và chân vịt ở đuôi. Phần còn lại bay trên đệm khí. Đây là kiểu thân của các thuyền giữ kỷ lục tốc độ trên mặt nước.
Cánh ngầm
Thuyền cánh ngầm (hydrofoil) không lướt trên nước mà nâng cả thân lên khỏi mặt nước nhờ những cánh nhỏ đặt chìm phía dưới. Tàu cánh ngầm chở khách từng chạy nhiều tuyến ở châu Âu, Liên Xô cũ; các thuyền buồm đua America's Cup thế hệ mới cũng bay trên cánh ngầm.
Những hiện tượng người lái cano hay gặp
| Hiện tượng | Biểu hiện | Nguyên nhân thường gặp |
|---|---|---|
| Nhảy cá heo (porpoising) | Mũi thuyền nhấp nhô lên xuống nhịp nhàng khi chạy nhanh | Góc máy (trim) nâng quá cao, trọng tâm lùi về sau |
| Lắc gờ (chine walking) | Thuyền lắc qua lắc lại giữa hai mép đáy | Thân V sâu chạy rất nhanh, góc máy cao, tải lệch |
| Đập sóng (slamming) | Đáy đập mạnh xuống nước sau mỗi con sóng | Chạy quá nhanh so với sóng, đáy quá phẳng |
| Không lên lướt | Mũi chổng mãi, tốc độ không tăng | Quá tải, máy yếu, chân vịt sai bước, đáy bám hà |
| Cắm mũi | Mũi thuyền đâm vào sóng phía trước | Góc máy quá thấp, chở nặng ở mũi, theo đuôi sóng lớn |
Hai công cụ chính để xử lý là góc máy và tấm chỉnh độ nghiêng (trim tab) gắn ở đuôi. Hạ tấm chỉnh giúp mũi ghì xuống, lên lướt nhanh hơn, chống lắc; nâng tấm chỉnh giúp mũi nhẹ, chạy nhanh hơn trên mặt nước phẳng. Người lái có kinh nghiệm chỉnh theo từng đoạn sóng chứ không đặt một lần rồi để đó.
Đập sóng và cột sống người ngồi
Khía cạnh ít người để ý của thân lướt là chuyện va đập. Khi cano chạy nhanh trên biển có sóng, mũi thuyền liên tục bay khỏi mặt nước rồi đập xuống. Người ngồi càng gần mũi càng chịu gia tốc dọc lớn. Ở nhiều nước, các báo cáo y khoa đã ghi nhận ca chấn thương cột sống (thường là xẹp đốt sống) ở hành khách ngồi đầu mũi cano du lịch chạy nhanh qua sóng.
Từ góc độ vật lý, nhận định khá đơn giản: phần đuôi gần trọng tâm và gần điểm tựa trên nước nên ít bị hất. Hành khách đi cano ra đảo nên chọn ghế phía giữa hoặc phía sau, ngồi hẳn xuống ghế, chân chống xuống sàn, tay bám tay vịn. Người già, phụ nữ mang thai và người có bệnh cột sống càng nên tránh ghế mũi.
Góc nhìn hôm nay
Hiểu thân thuyền giúp ích cả khi chỉ đi du lịch. Lần sau ngồi cano, thử quan sát ba giai đoạn: chạy chậm rẽ nước, mũi chổng lên khi tăng ga, rồi mũi hạ xuống khi thuyền lên lướt. Bạn sẽ thấy rõ vì sao chở quá đông người khiến cano "ì" và vì sao tài công chậm lại khi gặp sóng lớn.
Ai muốn đi sâu có thể tìm đọc các giáo trình kiến trúc tàu thủy (môn "Lý thuyết tàu" ở các trường hàng hải, đóng tàu), hoặc tìm hiểu nguyên lý thử mô hình trong bể thử. Người thích tự tay làm có thể quan sát mô hình thuyền điều khiển từ xa: các hiện tượng nhảy cá heo, cắm mũi xảy ra y hệt ở tỉ lệ nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cano chạy nhanh thì mũi nổi lên?
Khi cano tăng tốc, nước va vào đáy nghiêng tạo áp lực đẩy thân thuyền lên. Lúc đầu mũi chổng cao vì thuyền đang leo qua con sóng của chính nó; khi đủ nhanh, thuyền lên lướt, mũi hạ xuống và chỉ phần đuôi đáy chạm nước.
Thuyền lướt khác thuyền rẽ nước thế nào?
Thuyền rẽ nước đẩy nước sang hai bên và bị giới hạn bởi tốc độ thân tàu, phụ thuộc chiều dài. Thuyền lướt có đáy phẳng hoặc chữ V nông, khi đủ nhanh sẽ trồi lên mặt nước nhờ lực nâng thủy động nên vượt được giới hạn đó.
Tốc độ thân tàu là gì?
Là tốc độ mà ở đó bước sóng do thân thuyền tạo ra dài bằng chiều dài đường nước, khiến thuyền rẽ nước rất khó đi nhanh hơn. Công thức kinh nghiệm là khoảng 1,34 nhân căn bậc hai chiều dài đường nước tính bằng foot, ra hải lý/giờ.
Vì sao cano chở đông không chạy nhanh được?
Chở nặng làm thân chìm sâu, cần nhiều công suất hơn để vượt qua giai đoạn chuyển tiếp có lực cản lớn nhất. Nếu máy không đủ, cano không lên lướt được, cứ chổng mũi chạy chậm và tốn nhiên liệu.
Thuyền cánh ngầm khác thuyền lướt thế nào?
Thuyền lướt vẫn tựa đáy lên mặt nước, chỉ là phần ngâm nhỏ lại khi chạy nhanh. Thuyền cánh ngầm nâng cả thân lên khỏi mặt nước nhờ các cánh nhỏ đặt chìm bên dưới, nên lực cản còn thấp hơn và ít bị sóng hất hơn.
