Có một hiện tượng kỳ lạ khi tàu đang đi trên biển rồi bỗng dưng bị đứng lại, dù rằng máy móc vẫn chạy bình thường. Các nhà hàng hải đã phát hiện hiện tượng này từ thế kỷ 19, nhưng mãi đến nay là năm 2020 mới có lời giải đáp. Chiếc tàu buồm ngày xưa được người ta dùng để đi chinh phục khắp thế giới, chỉ có tốc độ chừng mười mấy km/giờ. Nhưng tàu buồm ngày nay có thể đạt tốc độ gần 100km/giờ! Bí quyết nào dẫn đến sự thay đổi ngoạn mục như thế?
Cái gì làm cho con tàu đang đi bỗng dưng chậm lại hay dừng hẳn một cách bí ẩn mặc dù động cơ vẫn chạy bình thường? Hiện tượng này được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1893 và được mô tả chính xác vào năm 1904, nhưng không ai giải thích được nguyên nhân của cái được gọi là “dòng nước chết” này. Một nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa gọc Quốc gia (CNRS) của Pháp và Đại học Poitiers đã giải thích hiện tượng này lần đầu tiên, sau hơn 100 năm: sự thay đổi tốc độ con tàu khi đi vào vùng nước chết là do sóng tác động như một chiếc băng tải dợn sóng mà trên đó chiếc thuyền đi tới, đi lui. Công trình này được công bố trên quyển Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ (PNAS) vào ngày 6-7-2020.
Năm 1893, nhà thám hiểm người Na Uy Fridtjof Nansen phát hiện ra một hiện tượng lạ khi đi về hướng Bắc Siberia: con tàu bị chậm lại một cách kỳ lạ mà ông không thể làm gì được, phải để mặc cho nó tự động trở lại tốc độ bình thường.
Năm 1904, nhà vật lý kiêm hải dương học người Thụy Điển Vagn Walfrid Ekman mô tả trong phòng thí nghiệm rằng sóng tạo ra bên dưới lớp mặt tại giao điểm giữa nước mặn và ngọt, tạo ra phần trên của vùng biển Bắc cực, tác động vào con tàu, khiến cho nó không đi tới được.
Hiện tượng này được gọi là “dòng nước chết” được nhìn thấy ở mọi vùng biển và đại dương, nơi nước có nhiều tỉ trọng khác nhau (do độ mặn hay nhiệt độ) trộn lẫn vào nhau. Nó biểu hiện bằng hai hiện tượng trì kéo mà nhà khoa học quan sát được. Trước tiên là trì kéo tạo sóng Nansen, tạo ra tốc độ chậm liên tục bất thường. Thứ hai là trì kéo tạo sóng Ekman đặc trưng bằng tốc độ dao động của con tàu bị vướng vào. Nguyên nhân vẫn còn chưa rõ. Các nhà vật lý học, các chuyên gia cơ học lưu chất và các nhà toán học tại CNRS và Đại học Poitiers cố giải đáp bí ẩn này. Trước tiên, họ sử dụng xếp loại toán học các sóng nội khác nhau và phân tích hình ảnh thí nghiệm ở cấp độ hạ-pixel.
Công trình nghiên cứu cho thấy những thay đổi tốc độ này là do thế hệ sóng đặc biệt tác động như chiếc băng tải dợn sóng mà trên đó con tàu đi tới hay lui. Họ cũng hóa giải được những quan sát khác biệt giữa Nansen và Ekman. Họ nhận thấy chế độ dợn sóng Ekman chỉ là tạm thời, con tàu cuối cùng vẫn thoát ra được và đạt tốc độ Nansen cố định.
Công trình này là một phần của cuộc điều tra lớn để biết tại sao trong trận đánh Actium vào năm 31 TCN, những con tàu to lớn của Nữ hoàng Cléopâtre phải thua trước những con tàu nhỏ hơn của Octavius. Có thể là Vịnh Actium có mọi đặc tính của một vịnh hẹp, đã làm cho những con tàu của Nữ hoàng Ai Cập bị kẹt trong “dòng nước chết”.
Cuộc cách mạng của thuyền buồm
Thuyền buồm được xem như một trò giải trí êm dịu. Nhưng trong những năm gần đây, thế giới thuyền buồm nhẹ đã làm một cuộc cách mạng với chiếc tàu 2 thân được hỗ trợ bằng cánh ngầm gọi là foiler. Những con tàu này giống như một chiếc máy bay hoàn hảo hơn là con tàu, tổng hợp được các quy luật khí động lực và thủy động lực, có thể chạy với tốc độ 50 knot (92,5 km/giờ), nhanh hơn cả gió thổi nó đi! Một chiếc hai thân F50 mang nhãn hiệu Sail GP mới đây còn vượt qua cả giới hạn tốc độ này, đạt đến tốc độ khó tin 50,22 knot, hoàn toàn bằng sức đẩy của gió trong khi tốc độ của gió chỉ là 19,3 knot (35,7km/giờ)! Con tàu F50 dài 15m, rộng 8,8m, dùng cánh buồm cứng hứng gió; Sail GP có thể xem như một chiếc xe đua Thể thức 1 trên mặt biển. Làm cách nào để tàu buồm có thể chạy nhanh đến như vậy? Câu trả lời nằm ở một số nguyên lý cơ học lưu chất đơn giản.
Khi một thân tàu di chuyển trong nước, có hai cơ cấu vật lý tạo ra sức ỳ làm cho nó chậm lại. Muốn có một con tàu chạy nhanh, phải thắng được sức ỳ này. Cơ chế thứ nhất là ma sát. Khi dòng nước đi qua thân tàu, một lớp nước cực mỏng bám dính vào thân và kéo dài dọc theo con tàu. Lớp nước thứ hai bám theo lớp thứ nhất, và sự trì kéo giữa chúng tạo ra ma sát. Bên ngoài chúng là lớp nước thứ ba cũng trì kéo với các lớp bên trong, tạo ra ma sát, và cứ thế. Tổng cộng các lớp này được gọi là lớp giáp ranh. Chính sự trì kéo giữa các phân tử ở lớp giáp ranh này tạo ra sức ỳ ma sát.
Con tàu cũng tạo ra sóng khi đẩy nước chung quanh và bên dưới thân tàu, từ mũi đến lái. Sóng tạo ra hai dạng khác nhau ở hai bên mạn tàu gọi là sóng Kelvin. Sóng này di chuyển cùng tốc độ với con tàu, tiêu tốn rất nhiều năng lực. Nó tạo ra sức ỳ trên con tàu gọi là sức ỳ tạo sóng, chiếm tổng cộng đến 90% sức ỳ. Khi con tàu càng gia tăng tốc độ, sóng này càng cao và dài hơn.
Hai hiệu ứng này cộng lại, tạo ra hiện tượng gọi là “tốc độ thân tàu”. Đó là tốc độ nhanh nhất mà một con tàu có thể đi được. Với kiểu dáng cổ điển, tốc độ này rất thấp. Một con tàu cùng kích cỡ với chiếc F50, với kiểu dáng cổ điển, chỉ có chạy tối đa 12 dặm/giờ (19,3km).
Cánh ngầm
Tuy nhiên, có thể giảm sức ỳ ma sát và tạo sóngvà vượt qua giới hạn tốc độ thân tàu bằng cánh ngầm. Cánh ngầm là cánh nhỏ nằm dưới mặt nước. Nó có tác dụng như cánh máy bay, tạo ra lực nâng, chống lại hấp lực, đưa con tàu lên, để thân tàu ra khỏi mặt nước. Trong khi cánh máy bay cần phải rất lớn, tỉ trọng của nước so với không khí là rất cao, nghĩa là chúng ta chỉ cần cánh ngầm rất nhỏ là đủ tạo ra lực nâng lớn. Một cánh ngầm có diện tích bằng 3 tờ giấy A3 khi di chuyển với tốc độ 16km/giờ, tạo ra lực đủ để nâng một con người to lớn lên cao.
Điều này làm giảm đáng kể diện tích bề mặt và thể tích con tàu nằm trong nước, cắt bỏ được sức ỳ ma sát và tạo sóng. Từ đó, con tàu có thể chạy nhanh hơn nếu không có cánh ngầm. Một cái mới khác làm tăng tốc độ con tàu là sử dụng cánh buồm cứng. Lực của cánh buồm vải cổ điển để đẩy con tàu đi tới là tương đối nhỏ, giới hạn vì nó còn phải cân bằng với các lực khác và không có được hình dáng lý tưởng để tạo ra lực. Cánh buồm cứng, rất giống với thiết kế cho cánh máy bay, tạo ra hiệu suất cao hơn cánh buồm cổ điển, thực sự cung cấp cho con tàu một động cơ lớn hơn, công suất mạnh hơn.
Khi con tàu tăng tốc do lực đẩy của loại cánh buồm này, nó còn tạo ra cái được gọi là “gió biểu kiến” (apparent wind). Hãy tưởng tượng một ngày hoàn toàn yên tĩnh, không có gió. Khi đi bộ, bạn sẽ cảm thấy có một luồng gió hiu hiu tương ứng với vận tốc đi của mình. Nếu cũng có một luồng gió thổi qua nữa, bạn sẽ cảm thấy một tổng hợp gió thật và gió hiu hiu do mình tạo ra.
Cả hai sẽ tổng hợp thành gió biểu kiến, nhanh hơn là gió thật! Nếu có đủ gió thật, cộng với gió biểu kiến này, thì một lực đẩy đáng kể phát sinh từ cánh buồm sẽ đẩy con tàu đi. Vì thế, nó có thể đi nhanh hơn chính vận tốc gió!
Tổng hợp hiệu ứng giảm sức ỳ và và tăng lực đẩy vào con thuyền làm cho nó chạy nhanh hơn nhiều năm trước đây. Tất cả những điều này không thể xảy ra nếu thiếu một cái mới nữa là chất liệu. Để có thể “bay”, trọng lượng của con tàu phải thật nhẹ và cánh ngầm phải thật cứng. Muốn được như thế, chất liệu gỗ và nhôm thông thường là bất khả thi.
Phải có vật liệu composite với sợi carbon chen vào. Kỹ thuật sản xuất tối ưu: giảm tối đa trọng lượng, tăng độ cứng mới có thể tạo ra được chiếc F50 khó tin như ngày nay. Các kỹ sư và nhà thiết kế đang tìm cách cải tiến thêm nữa để chiếc F50 trong tương lai còn có thể “bay” nhanh hơn nữa trên mặt nước, bằng chính gió trời!
