Ảnh hưởng của nền đáy và lực cản do cá gây ra
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: Ma sát lướt trên 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:
- Ma sát lướt trên nền đáy
- 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 1 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).
Bảng 1: Hệ số ảnh hưởng của một số phụ tùng ngư cụ trên nền đáy cát mịn và đáy cát-sỏi
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.1).
Hình dạng con lăn lưới kéo
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 αb của phương trục lăn và phương di chuyển. Giá trị của Er được cho trong Bảng 2
| αb | 0o | 15o | 30o | 45o | 60o | 75o | 90o |
| Er | 1,0 | 0,97 | 0,95 | 0,92 | 0,87 | 0,80 | 0,40 |
Ở αb = 90o con lăn sẽ lăn dễ dàng và lực cản của nó là tối thiểu. Khi αb = 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 ≥ 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 β nào đó (H 2) 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:
Rg=Kg.Ww1+HL.Kg size 12{R rSub { size 8{g} } = { {K rSub { size 8{g} } "." W rSub { size 8{w} } } over {1+ left ( { {H} over {L} } right ) "." K rSub { size 8{g} } } } } {} (2.32)
ở đây: H là độ sâu; L là khoảng cách ngang từ ngư cụ đến đá dằn.
Các véc-tơ lực của bộ đá dằn ngư cụ
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 1
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:
Bây giờ tái sắp xếp lại (2.22) để tìm trọng lượng trong nước (Ww) của túi cát,
Ww=RgKg(1+HL.Kg)=1000,76(1+49,17×0,76)=175 size 12{W rSub { size 8{w} } = { {R rSub { size 8{g} } } over {K rSub { size 8{g} } } } ( 1+ { {H} over {L} } "." K rSub { size 8{g} } ) = { {"100"} over {0,"76"} } ( 1+ { {4} over {9,"17"} } times 0,"76" ) ="175"} {} kg
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
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.cosβ
ở đây β là góc hợp giữa nền đáy và phương dây neo. Nhưng sin β = 6/60 = 0,1 khi đó cosβ=1−0,12=0,995≈1 size 12{"cos"β= sqrt {1 - 0,1 rSup { size 8{2} } } =0,"995" approx 1} {}. 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:
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:
Ft=Kf.WfL3 size 12{F rSub { size 8{t} } = { {K rSub { size 8{f} } "." W rSub { size 8{f} } } over { nroot { size 8{3} } {L} } } } {} (2.24)
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:
Fk=Wf.V2g.e size 12{F rSub { size 8{k} } = { {W rSub { size 8{f} } "." V rSup { size 8{2} } } over {g "." e} } } {} (2.25)
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 3
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:
- F1 = 20 x 62/(9,8 x 2) = 36,7 kg
- F2 = 20 x 62/(9,8 x 4) = 18,4 kg
- 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.
