Nguyên lý chung về thiết kế ngư cụ 1

Ngư cụ có rất nhiều loại, mỗi loại đòi hỏi phải có một phương pháp thiết kế riêng cho nó. Một vài loại ngư cụ đòi hỏi phương pháp thiết kế khá phức tạp sẽ được thảo luận kỹ trong các chương sau, còn chương này chỉ đề cập đến các nguyên lý tổng quát áp dụng cho thiết kế những trường hợp đơn giản. Mục đích của chương là sẽ tập trung vào cách thiết lập được các tham số cơ bản cho một ngư cụ cần phải có.

Thiết kế ngư cụ là một tiến trình chuẩn bị các chi tiết kỹ thuật của ngư cụ và vẽ nó ra nhằm thỏa mãn các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật, hoạt động, xử lý ngư cụ đặt ra. Giải quyết các yêu cầu về một ngư cụ tốt, thoả mãn các đặc tính đặc biệt thì không đơn giản, trước hết bởi vì công nghệ thì phức tạp và thứ hai bởi vì một số các đặc tính kỹ thuật đối nghịch nhau cần phải được hài hòa. Về nguyên lý, để thiết kế được một ngư cụ tốt cần có kiến thức, kinh nghiệm đánh bắt thực tế của ngư cụ đó và phải đảm bảo các yêu cầu tính toán cho nó. Từ kiến thức này, các bản vẽ và chi tiết kỹ thuật của ngư cụ mới được phát triển thêm, rồi qua thi công, kiểm định thực tế thì ngư cụ thiết kế mới có thể được xem hoàn thành. Nếu ngư cụ mới không thỏa mãn, nó cần phải được bổ sung hoặc, tệ nhất, phải thiết kế lại từ đầu để loại bỏ các sai sót.

Hầu hết ngư cụ mới thường được tạo ra bằng phương pháp thử nghiệm và sửa sai và, dù các phương pháp như thế cho ra kết quả rất tốt, thì chúng cũng gây tốn kém về tiền của và thời gian.

Tương tự các lãnh vực khác, một khi kinh nghiệm và kiến thức được tích lũy, sự khái quát hoá một vấn đề nào đó sẽ được nâng lên thêm, nghĩa là lý thuyết và khoa học về nó sẽ xuất hiện. Không phải ngẫu nhiên là trong khoa học ngư cụ, một xu hướng lý thuyết về thiết kế ngư cụ mới đã xuất hiện và phát triển từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước. Khi đó, xu hướng cũ thiết kế dựa trên kinh nghiệm trong việc đánh giá các tham số ngư cụ được thay thế bởi phương pháp phân tích dựa trên các ”nguyên lý đồng dạng”.

Trong thiết kế ngư cụ, hai yêu cầu cần thiết phải đánh giá đồng thời là: chất lượng kỹ thuật đánh bắt và hiệu quả kinh tế của nó. Mặt khác, ngư cụ có nhiều loại, do đó, lý thuyết thiết kế không nên giải quyết theo lối mòn, bất di bất dịch hoặc theo công thức nhất định, mà người thiết kế phải sáng tạo trong mỗi trường hợp, hoàn cảnh cụ thể.

Hiệu quả của ngư cụ còn phụ thuộc lớn vào những hiểu biết tập tính cá trong vùng ngư cụ hoạt động, mà điều này không thể dựa trên phương diện số học được. Sự thích hợp của một ngư cụ đến tập tính cá và ngư trường thường liên quan đến kinh nghiệm đánh bắt, nó sẽ áp đặt các yêu cầu nào đó lên tiến trình thiết kế, đôi khi nó mang tính nghệ thuật hơn là tính khoa học.

Kiến thức và khả năng sử dụng của người ngư dân đối với ngư cụ mới cũng có ảnh hưởng đến những đặc điểm thiết kế. Thí dụ, ngư cụ mới thường phức tạp, rắc rối hơn nên không thích hợp và được duy trì lâu dài trong nghề cá thủ công. Mặt khác, nếu có các thiết bị điện tử, máy móc công nghệ cao cần được trang bị thêm để thao tác ngư cụ, khi đó người ngư dân sẽ phải được tập huấn thêm về các kỹ thuật. Do vậy, thường sẽ thuận lợi hơn nếu ngư cụ được giữ đơn giản, ngay cả khi ngư dân có kỹ năng cao và cơ sở dịch vụ sửa chữa sẳn có.

Dưới đây là các trường hợp thường thấy mà ngư cụ nên được thiết kế theo phương pháp đồng dạng:

1. Hiệu suất của một ngư cụ đã được khẳng định và nổi tiếng nhưng cần phải được cải tiến nâng cao thêm các đặc tính kỹ thuật như là sử dụng vật liệu thích hợp hơn, thiết bị tốt hơn, hay làm giảm trọng lượng hoặc chi phí thi công.
2. Một ngư cụ đánh bắt có hiệu quả nhưng cần được cải tiến thêm cho thích hợp với ngư trường mới, kỹ thuật thao tác mới, v.v.. Biến thể ngư cụ mới này phải được phát triển trên cơ sở đảm bảo các yếu tố chủ yếu của ngư cụ qua kiểm định mô hình, sau đó chế tạo ở kích cở đầy đủ dưới điều kiện khai thác thực tế.
3. Kiểu ngư cụ thiết kế được xem là mới hoàn toàn thì không được giống cái đã có rồi. Khó khăn chính là phản ứng tập tính cá đối với phương pháp đánh bắt mới thì chưa được biết. Khi đó đồ án kiểu như thế phải bao hàm việc thiết kế và kiểm định mô hình thành công và có khác biệt cơ bản với nguyên mẫu dưới điều kiện khai thác.

Yêu cầu cơ bản trong thiết kế ngư cụ là tính kinh tế và hiệu suất đánh bắt của nó, điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tình trạng nguồn tài nguyên; nhu cầu thị trường cá và giá cả của nó; chi phí hoạt động khai thác; số lượng, cỡ và loại tàu trong vùng khai thác; độ xa từ ngư trường đến cảng; tính sẳn có của vật liệu, phụ tùng nghề cá; sự hổ trợ kỹ thuật cho sửa chữa, xây dựng đội tàu; sự quản lý nguồn lợi thủy sản (luật lệ và các giới hạn); điều kiện khí tượng – thủy văn, sự sẵn có và kỷ năng chuyên nghiệp của ngư dân; và các điều kiện kinh tế kỹ thuật khác. Do vậy, thiết kế mới nên phù hợp càng nhiều càng tốt với các yêu cầu này và các điều kiện kỹ thuật, kinh tế -xã hội khác.

Việc thiết kế ngư cụ và phụ tùng liên quan đến nó được phân thành 5 giai đoạn và có thể chồng lắp nhau. Đó là:

1. Các nhận định và đánh giá (xác định các cần thiết cho ngư cụ mới);
2. Lên kế hoạch các yêu cầu kỹ thuật thoả mãn các yêu cầu thiết kế mới;
3. Chuẩn bị cho thiết kế khái niệm hoặc thiết kế ban đầu;
4. Phát triển thiết kế các chi tiết kỹ thuật và vật liệu;
5. Chuẩn bị các bản vẽ thi công.

Bước nhận định và đánh giá là phải lý giải cho được: tại sao việc thay đổi hoặc cải tiến ngư cụ là cần thiết, nghĩa là xác định rõ hoàn cảnh khai thác mà dưới hoàn cảnh này việc thay đổi ngư cụ sẽ làm cho hoạt động khai thác tốt hơn, cũng bao gồm kiến thức và khả năng của người ngư dân, và xác định cái cần đạt được về hiệu quả kinh tế, cũng như những cái cần đạt được khác.

Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của thiết kế mới phải thể hiện được như sau:

1. Mục đích của thiết kế ngư cụ;
2. Xác định kiểu ngư cụ và phương pháp hoạt động;
3. Các tính năng của ngư cụ;
4. Các đặc điểm cấu trúc của ngư cụ.

Hiệu quả của ngư cụ mới phụ thuộc rất nhiều vào các yêu cầu kỹ thuật này. Nếu các đặc trưng kỹ thuật là không phù hợp sẽ làm cho ngư cụ hoạt động không hiệu quả. Do đó, nếu có thể được, ngư cụ hiện đang được sử dụng nên được chọn như là nguyên mẫu. Để chọn nguyên mẫu, Bảng 1 cho ta một số đặc trưng của vài loại ngư cụ quan trọng.

Việc cải tiến ngư cụ được phát triển trên cơ sở thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trên, ngoài ra cần có hiểu biết thấu đáo các nét riêng biệt của cá và hoàn cảnh của ngư trường dự định khai thác. Khi đó, các thay đổi mong muốn trong thiết kế và các kích thước, thiết bị, vật liệu, chế độ hoạt động đối với ngư cụ mới được sẽ cho làm việc dưới các chế độ thử, thăm dò. Các yêu cầu kỹ thuật nên được hiểu rõ và ngư cụ nên có sự so sánh hổ tương. Thí dụ, tốc độ kéo và các kích thước lưới kéo chỉ có thể được đánh giá khi công suất tàu được biết.

Trong giai đoạn chuẩn bị cho thiết kế thử, tính tương hợp của yêu cầu cấu trúc và biểu hiện của lưới cần được thẩm tra và xem xét cái lợi có từ thiết kế. Do vậy, tất cả các thông tin sẵn có về thiết kế và hoạt động của ngư cụ nguyên mẫu cần được đánh giá. Nếu xét thấy việc kiểm định mô hình là cần thiết, chúng sẽ được thực hiện ở giai đoạn này để đánh giá hình dạng của ngư cụ, tốc độ, vị trí, độ lớn và phương của các lực, v.v.. Mặt khác, nó cũng hữu ích nếu thí nghiệm kiểm định áp dụng với kích cở bằng với ngư cụ nguyên mẫu thực tế. Trong giai đoạn kiểm định một vài sửa đổi, cải tiến thêm có thể được thực hiện trên cơ sở phân tích các kết quả thí nghiệm.

Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật tất cả các vấn đề về liên quan đến tính sẵn có của vật liệu lưới, thừng, thiết bị và phụ tùng ngư cụ phải được xét đến. Nếu ngư cụ thiết kế sau đó sẽ được sản xuất như là sản phẩm công nghiệp thì các chi tiết cấu trúc, danh sách vật liệu và chi phí phải được định rõ.

Các bản vẽ thi công cần chứa đựng tất cả thông tin cần thiết cho sản xuất và hoạt động của ngư cụ. Hiệu quả hoạt động của ngư cụ mới phải được chứng thực ở ngư cụ qui mô thực tế dưới điều kiện khai thác thật sự ở ngư trường dự định khai thác, và nếu ngư cụ được chấp nhận cho sản xuất thương mại, một mô tả kỹ thuật đầy đủ và hướng dẫn hoạt động phải được chuẩn bị để phát kèm theo ngư cụ mới.

Định luật sinh học về chọn lọc tự nhiên và thích nghi của loài cũng có thể được áp dụng trong đánh sự tồn tại của ngư cụ. Một kiểu lưới nào đó đã từng được sử dụng rộng rãi trước đây thì nay có thể bị mất đi hoăc bị quên lãng một khi ngư cụ mới giúp khai thác tốt hơn và thuận lợi hơn. Việc tích lũy kinh nghiệm hoặc yêu cầu cần loại bỏ kiểu ngư cụ cũ là cơ sở cho các ý niệm về thiết kế mới hoặc cải tiến ngư cụ.

Các thông số cho thiết kế ngư cụ mới có thể được chia thành 4 nhóm.

1. Các thông số mà đã được củng cố qua khai thác hoặc mong muốn mang nét đặc trưng của hoạt động khai thác, gồm: sản lượng (C) mỗi mẽ lưới, tốc độ di chuyển của ngư cụ hoặc tốc độ dòng chảy (V), công suất tàu (P) hoặc thời gian trung bình của chu kỳ khai thác. Trong một vài trường hợp, còn cần thêm một số thông số khác, như: kích thước tối đa của ngư cụ; kích thước và tính năng của tàu, sản lượng tối đa trên một chu kỳ khai thác; trạng thái biển, các dòng đại dương và băng trôi.
2. Các thông số do chính quyền hoặc qui tắc và luật lệ quốc tế đặt ra, như: cở mắt lưới tối thiểu; loại xơ sợi sử dụng; hạn ngạch khai thác; cỡ cá đánh bắt tối thiểu; các tải cho phép trong ngư cụ và thiết bị của nó; trọng lượng ngư cụ tối đa cho tính ổn định của tàu và giới hạn các điều kiện khai thác an toàn. Các chuẩn mực này thường là có tính bắt buộc phải thể hiện trong thiết kế.
3. Các thông số được chọn theo trực giác của người thiết kế cho chức năng tối ưu hoặc tối thiểu, gồm: các chi tiết cấu trúc (số lượng và vị trí của các tấm lưới, số thừng và các thiết bị khác). Các thông số này không nên chọn tùy tiện mà nên được tỉ lệ hoá, được vẽ dựa trên kinh nghiệm thiết kế và kết quả tính toán lý thuyết.
4. Các thông số được tìm thấy qua tính tỉ lệ trong quá trình thiết kế là: kích thước cuối cùng của ngư cụ, độ lớn của lực cản thông qua phụ tùng phao, chì, neo, ván lưới, v.v.. cần đảm bảo để đạt được ngư cụ mong muốn.

Về phương diện toán học nếu có ”n” thông số (đại lượng) chưa biết có liên quan với nhau thì phải có một hệ thống của ”n” phương trình để tìm rea những giá trị. Tuy nhiên, giải quyết vấn đề này trong ngư cụ thì không dễ bởi hầu hết các quan hệ chức năng trong ngư cụ thường đối lập nhau, như giữa kích thước và lực cản, hoặc giữa lực cản và độ sâu khai thác. Do đó, hầu hết các vấn đề của thiết kế ngư cụ đều được giải quyết bằng phương pháp gần đúng hoặc gần đúng liên tục.

Phương pháp dựa trên kinh nghiệm khai thác ngư cụ hiện hữu có ứng dụng thêm cái mới đã được chứng minh là phương pháp tốt. Khi đó một số đặc tính tốt của nguyên mẫu sẽ được chuyển trực tiếp đến ngư cụ thiết kế mới. Nếu nguyên mẫu là tốt hoàn toàn, việc chọn các tham số thiết kế mới sẽ đơn giản hơn đảm bảo được tính phù hợp và tránh được được nhiều sai sót lớn.

Các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của ngư cụ là kích thước, hình dáng của nó, lực cản của ngư cụ sẽ là một hàm của vận tốc và độ lớn của các lực bị gây nên bởi các thiết bị khác nhau. Các thông số của nguyên mẫu này sẽ được chuyển qua ngư cụ mới qua qui tắc đồng dạng. Mặt khác, các đặc điểm kỹ thuật của phụ tùng ngư cụ tương ứng giữa nguyên mẫu và thiết kế mới cũng cần được biểu thị qua các hệ số tỉ lệ đồng dạng về kích thước, tốc độ và lực, v.v.. (Fridman, 1973).

Nếu thiết kế mới yêu cầu không khác biệt lớn so với nguyên mẫu, khi đó các yếu tố cơ bản của nó chỉ cần tính toán lại trực tiếp từ dữ liệu nguyên mẫu. Nếu có sự khác biệt lớn, khi đó phải qua kiểm định mô hình để đánh giá tính hiệu quả của ngư cụ mới.

Khi ngư cụ mới được thiết kế có sử dụng dữ liệu từ nguyên mẫu nếu có khác biệt nhỏ trong trình tự nghiên cứu sẽ phải được đánh giá theo yêu cầu của chương 3, nghĩa là cần xác định tham số tỉ lệ đồng dạng cho một đại lượng nào đó (SB) để tính toán. Từ đó suy ra giá trị cần có của đại lượng đó, nghĩa là:

SB=BnBp size 12{S rSub { size 8{B} } = { {B rSub { size 8{n} } } over {B rSub { size 8{p} } } } } {} ⇒ B_n = S_B.B_p

ở đây; Bn – giá trị của một đại lượng nào đó trong ngư cụ mới; Bp – là giá trị của đại lượng tương ứng trong ngư cụ nguyễn mẫu.

Theo tiêu chuẩn đồng dạng (mục 3.4) đối với mô hình ngư cụ kích thước thực tế, thì các tiêu chuẩn đồng dạng (Ne, Fr, Sr) phải giống nhau trong cả mô hình và nguyên mẫu, nhưng bởi vì các diện tích chỉ lưới chiếm chổ dùng trong tiêu chuẩn này không cần phải đánh giá. Do đó, các tiêu chuẩn đồng dạng này có thể được trình bày dưới các dạng sau:

Từ tiêu chuẩn Newton (3.17), ta có: SF.SmSC.Sρ.SD.SL2.SV2=1 size 12{ { {S rSub { size 8{F} } "." S rSub { size 8{m} } } over {S rSub { size 8{C} } "." S rSub { size 8{ρ} } "." S rSub { size 8{D} } "." S rSub { size 8{L} } rSup { size 8{2} } "." S rSub { size 8{V} } rSup { size 8{2} } } } =1} {} (4.1)

Từ tiêu chuẩn Froude (3.20), ta có: Sρ.SV2Sγ.SD=1 size 12{ { {S rSub { size 8{ρ} } "." S rSub { size 8{V} } rSup { size 8{2} } } over {S rSub { size 8{γ} } "." S rSub { size 8{D} } } } =1} {} (4.2)

Từ tiêu chuẩn Strouhal (3.31), ta có: SV.SISL=1 size 12{ { {S rSub { size 8{V} } "." S rSub { size 8{I} } } over {S rSub { size 8{L} } } } =1} {} (4.3)

ở đây việc định danh thì tương tự trong chương 3, chỉ có đổi thành S.

Tùy từng vấn đề thiết kế mà áp dụng hết hoặc chỉ vài phương trình (4.1) đến (4.3).

Từ các tiêu chuẩn đồng dạng trên, ta thấy không phải chỉ là 3 phương trình (4.1) đến (4.3) mà thật ra nó chứa tới 10 biến số cần giải quyết. Do đó, để đạt được một giải pháp chung thì cần thiết phải xét đến một số quan hệ khác để tìm ra các tham số tỉ lệ mới để các phương trình có thể thực hiện được.

Ở đây ta cần lưu ý về một số đặc tính tương đồng hoặc đặt nó trong những điều kiện đặc biệt hoặc dễ dàng biết trước một số đặc trưng nào đó để từ đó chọn các tham số tỉ lệ cho thuận lợi hơn, đó là đối với:

Tham số tỉ lệ Sρ thì nên chọn cùng môi trường chất lỏng, khi đó sẽ có Sρ=1.

Tham số tỉ lệ S thì cần phải biết các đặc tính của vật liệu thiết kế.

Tham số tỉ lệ Sm cũng có thể được xác định nếu biết cỡ lưới đánh bắt hoặc điều kiện thủy động lực ở lưới (nghĩa là, mắt lưới lớn ở cánh lưới kéo để giảm lực cản).

Tham số tỉ lệ Sc có thể được xác định nếu ta biết số Reynolds (Re_D) hoặc cho ngư cụ làm việc trong khu vực mô hình tự động, khi đó S_c ≈ 1. Tuy nhiên, nó được đề nghị rằng giả định này thì nên được xác minh lại trong mỗi trường hợp.

Trong thiết kế lưới kéo, tham số tỉ lệ lực (S_F) có thể được xác định nếu như ta có thể so sánh tỉ lệ lực cản hoặc tỉ lệ sức kéo của tàu giữa đánh giá từ công thức sau:

SF=RnRp=FtnFtp size 12{S rSub { size 8{F} } = { {R rSub { size 8{n} } } over {R rSub { size 8{p} } } } = { {F rSub { size 8{ ital "tn"} } } over {F rSub { size 8{ ital "tp"} } } } } {} (4.4)

ở đây: Rn và Rp tương ứng là lực cản của ngư cụ thiết kế và nguyên mẫu; Ftn và Ftp tương ứng là các lực kéo của tàu thiết kế và tàu nguyên mẫu ở tốc độ được cho.

Mặt khác, ta biết rằng công suất tàu (P) có liên quan tới lực kéo lưới (F), do vậy ở mức độ xấp xĩ ta có:

SF=FtnFtp=PnPp=Sp size 12{S rSub { size 8{F} } = { {F rSub { size 8{ ital "tn"} } } over {F rSub { size 8{ ital "tp"} } } } = { {P rSub { size 8{n} } } over {P rSub { size 8{p} } } } =S rSub { size 8{p} } } {} (4.5)

và vận tốc tốc (V) qua quan hệ P = F.V, nên khi này ta cũng có:

Thay thế các tham số tỉ lệ trên vào phương tình (4.1) ta có thể xác định tham số tỉ lệ SL qua biểu thức sau:

SL=Sp.SmSc.Sρ.SD size 12{S rSub { size 8{L} } = sqrt { { {S rSub { size 8{p} } "." S rSub { size 8{m} } } over {S rSub { size 8{c} } "." S rSub { size 8{ρ} } "." S rSub { size 8{D} } } } } } {} (4.6)