TÀI LIỆU HỌC TẬP DÀNH CHO SINH VIÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NGUYÊN LÝ
TÀU THỦY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH


Trang naøy ñeå troáng


ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

GIÁO TRÌNH

NGUYÊN LÝ TÀU THỦY

Thành phố Hồ Chí Minh 9/2008


Mục lục
Mở đầu
CHƯƠNG I: TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU
1. Tính nổi tàu thủy
2. Kích thước hình học thân tàu và tỷ lệ giữa chúng
3. Đường hình vỏ tàu
4. Các đường cong tính nổi
5. Các phép tích phân gần đúng
6. Tính cân bằng dọc tàu
7. Thước tải trọng

3

Trang
9
15
19
22
23
30
31
32
34
39
57
64
74
109
129
137
145
150
164
166
167
169
171
173
175
177
178

CP, CP
CW, CW
d
D,H
D, Δ
FA
Fb
G

khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm ổn đònh M trong mặt cắt dọclongitudinal metacentre above centre of buoyancy
hệ số đầy thể tích - block coefficient
hệ số đầy mặt cắt giữa tàu - midship coefficient
hệ số đầy lăng trụ - longitudinal prismatic cefficient
hệ số đầy đường nước - waterplane coefficient
mớn nước - draught, draft
chiều cao tàu - depth moulded
lượng chiếm nước - displacement weight
trụ mũi - foreward perpendicular
mạn khô tàu
- freeboard
trọng tâm tàu - centre of gravity

GM,

chiều cao tâm ổn đònh - metancentric height

BM L
B

GM

∇≡V

chiều cao tâm nổi trên đáy - center of gravity above moulded base
chiều dài tàu nói chung - length
chiều dài toàn bộ - length over all
chiều dài giữa hai trụ - length between perpendiculars
chiều dài đường nước - waterplane length
tâm nghiêng - metacentre
mặt ướt vỏ tàu - wetted surface
mớn nước tàu - draft moulded
thể tích phần chìm
- displacement volume
hệ số đầy thể tích
hệ số đầy mặt giữa tàu
hệ số đầy thể tích
hệ số đầy lăng trụ
lượng chiếm nước của tàu - displacement weight
thể tích phần chìm
- displacement volume

B

4

(keel)


CHƯƠNG 1

TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU

Tàu này có tên gọi tàu đường nước nhỏ.
Ngoài tàu nổi còn có tàu ngầm, hoạt động chủ yếu trong lòng nước, trên nguyên tắc
tàu nhóm ba vừa nêu.
Trong các phần tiếp của tài liệu sẽ đề cập đến tàu làm việc theo nguyên lý của đònh
luật Archimedes.
Các hình tiếp theo giới thiệu những tàu đang hoạt động.

5


Tàu trên đệm khí

Trimaran

SWATH tàu catamaran đường nước nhỏ
6


Tàu vận tải hàng khô

Tàu chở khí hóa lỏng kiểu LPG

Tàu chở hàng rời (bulk carrier)

7


Taøu chôû container

Taøu chôû saø lan LASH

Hình 1.1: Trọng lực và lực nổi

Lực thủy tónh tác động lên phần tử dS của mặt ướt vỏ tàu trong trường hợp này được
hiểu là:
dP = (pa + γ z)dA

(**)

Mặt khác dP được phân thành các thành phần, dPx – tác động theo phương nằm ngang,
bằng (pa + γ z)dSX, dPZ tác động theo phương thẳng đứng, bằng (pa + γz)dSZ - (pa + γ .0 )dSZ
= γzdSZ.
Phân tích các thành phần lực thủy tónh do áp lực này gây ra trên vỏ tàu có thể thấy
rằng, tổng các lực thành phần theo phương nằm ngang sẽ bằng 0 do chúng tự triệt tiêu nhau,
còn lực tác động theo phương thẳng đứng có dạng:
dPZ =

γ z dSZ

(***)

Nếu ký hiệu dV – thể tích cột nước cao z, diện tích đáy dSz,
(***) sẽ có dạng:
dF = dPZ = γ.dV

dV = z.dSZ công thức
(****)

Công thức cuối được hiểu là lực nổi do nước tác động lên phần thân tàu chìm trong
nước F = γV. Lực nổi tính theo đònh luật Archimedes, bằng trọng lượng khối nước bò thân tàu
choán chỗ, tác động theo hướng từ dưới lên. Lực nổi F có tâm đặt lực tại B, gọi là tâm nổi.

nghiêng ngang đến góc nhất đònh, tâm nổi dòch dời vò trí tùy thuộc hình dáng phần chìm của
tàu. Đường tác động lực nổi qua tâm B’ hiện thời không trùng với đường tác động lực trọng
trường qua G. Vì rằng W = F và khoảng cách giữa hai đường tác động lực mang giá trò nhất
đònh, ví dụ khoảng cách giữa chúng l, xuất hiện momen ngẫu lực Wl làm quay tàu. Nếu
momen này lớn hơn 0, tức là theo chiều quay kim đồng hồ, tàu còn bò quay theo chiều thuận
kim đồng hồ. Ngược lại momen mang giá trò âm, tàu quay ngược, hình 2. Trong cả hai trường
hợp, khi góc nghiêng còn bé tàu quay ngang qua tâm nghiêng ngang M.

Hình 2

10


Trong trường hợp tâm nổi nằm xa trọng tâm, tính theo chiều dọc tàu, momen ngẫu lực
W.L làm cho tàu bò chúi về trước nếu momen ngẫu lực mang dấu âm. Tâm nghiêng dọc ML
(hay còn gọi chúi tàu) trong trường hợp này nằm khá xa nếu so với khoảng cách từ tàu đến
M, hình 3.

Hình 3
Tàu ở tư thế ổn đònh khi hoành độ tâm nổi bằng hoành độ trọng tâm tàu. Từ đó có
thể thấy điều kiện cần và đủ để tàu nổi và cân bằng trên nước, dưới tác động của lực W và F
sẽ là: cân bằng lực W = F và cân bằng momen thể hiện khoảng cách L giữa hai đường tác
động lực của W và F bằng 0, dẫn đến WxL - FxL = 0.
Hai điều kiện được viết dưới dạng tổng quát:
∑Pi = 0
∑Pi. xi = 0

(1.2)

với i = 1,2, ...


Xác đònh trọng lượng và trọng tâm tàu đòi hỏi phải thực hiện khối lượng rất lớn các
công việc tính toán và thường các phép tính đòi phải chi tiết, cụ thể. Thực hiện các bảng tính
này được gọi là tính toán các trường hợp tải trọng của tàu. Trọng lượng và trọng tâm tàu xác
đònh cho mỗi trường hợp sẽ cần cho các bảng tính tính nổi và các bảng tính cân bằng dọc, cân
bằng ngang và ổn đònh tàu.
Thông lệ tiến hành phân loại các nhóm trọng lượng tàu khi tính làm cho công việc rõ
ràng hơn, dễ hiểu hơn. Ví dụ, trọng lượng tàu thông dụng có thể chia thành các nhóm nhỏ sau:
Trọng lượng vỏ tàu
Trọng lượng trang thiết bò vỏ
Trọng lượng máy chính và các máy phụ
Trọng lượng hệ thống toàn tàu
Trọng lượng trang thiết bò trên boong
Thiết bò điện, điện tử
Trọng lượng trang thiết bò nội thất
Trọng lượng nhiên liêu, nước
Trọng lượng đoàn thủy thủ , khách và dự trữ
Trọng lượng vật dằn và các phần khác
vv. . .
Tại đây chúng ta cần thống nhất một điều, khi tính trọng lượng và trọng tâm, điều cần
quan tâm là “trọng lượng”, tính bằng kG (trọng lượng) hoặc tấn trọng lượng (MT) của tất cả
thực thể trên tàu chứ không đi sâu tìm hiểu “khối lượng” tính bằng kg hoặc tấn khối lượng.
Trong mọi trường hợp, với tàu thủy cần để ý đến lượng dự trữ của lượng chiếm nước D.
Tàu dân sự, lượng dự trữ này chiếm khoảng 1 – 2%.
Từ các nhóm trọng lượng tiến hành chia nhóm nhỏ hơn trong khi lập bảng tính. Ví dụ từ
nhóm trọng lượng vỏ có thể hình thành nhóm nhỏ gồm đáy, boong, thượng tầng, vách vv …
Từ nhóm trang thiết bò trên boong phải chia ra hệ thống neo buộc, hệ thống lái, hệ thống cẩu
hàng (nếu có) và các hệ thống khác.
Thực tế tính toán cho thấy, những nhóm nhỏ chứa rất nhiều thành phần riêng nhau.
Trong những trường hợp ấy cần thiết tiếp tục chia các nhóm nhỏ vừa đề cập thành nhóm nhỏ

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

∑wI

∑Mx
12

∑My

∑Mz


Công thức (1.3) và (1.4) được suy từ đây:
Trọng lượng

:

W = ∑(2)

Trong công thức cuối, YG được hiểu là tọa độ trọng tâm tàu theo chiều ngang, tính cho
trường hợp trọng tâm này không nằm trong mặt đối xứng. Các tàu thường gặp, đối xứng qua
mặt cắt dọc giữa tàu, tâm nổi YB = 0, do vậy khi thiết kế và chế tạo người ta đã tìm mọi cách
để trọng tâm YG = 0, nhằm đảm bảo cân bằng ngang . Trong trường hợp ấy điều kiện nổi của
tàu quay lại như (1.1).
Ví dụ: Áp dụng điều kiện nổi xác đònh mớn nước tàu cho tàu đi từ sông ra biển. Tàu
được xét là một ponton đáy hình chữ nhật LxB = 10x4 m, cao H = 2,5m. Trong sông tàu có
mớn nước d = 2m.
Tại trạng thái đang xét trọng lượng tàu sẽ là:
W = D = γ1.V1 = γ1. LxBxd = 1,0x10x4x2 =80t
trong đó: γ1- trọng lượng riêng nước sông nhận bằng 1,0t/m3.
Khi ra biển trọng lượng ponton không thay đổi, và lực nổi do nước biển tác động lên
ponton sẽ bằng giá trò tuyệt đối của W = 80t.
F = W = 80t
Mặt khác trọng lượng riêng của nước biển γ2 khác γ1, do vậy thể tích phần chìm của
ponton khi ở biển không bằng thể tích phần chìm lúc còn trong sông.
F = D = γ1xLxBxd1 = γ2xLxBxd2,
trong đó: d1 - mớn nước ponton tại sông bằng 2m, d2 - mớn nước ponton lúc ở biển.
Thay giá trò γ2 = 1,025 t/m3 dùng cho nước biển vào biểu thức trên có thể xác đònh được
giá trò mớn nước ponton tại biển:
13


d2 = (γ 1/ γ2 )x d1 = (1/ 1,025)x2 =1,951m
Phân biệt các tên gọi sau đây khi xác đònh trọng lượng, trọng tải và dung tích tàu.
Thể tích chiếm nước của thân tàu, ký hiệu V (hoặc ∇), là thể tích phần chìm của tàu trong
nước, đo bằng đơn vò đo thể tích. Trong hệ thống đo theo hệ mét, đơn vò thường dùng là mét
khối, m3. Trong hệ thống đo truyền thống tại Anh-Mỹ, đơn vò đo thể tích dùng trong tàu là
cu.ft, tương đương 0,0283m3.
Lượng chiếm nước của tàu, ký hiệu D (hoặc Δ), có giá trò bằng tổng trọng lượng tàu trong

hơn là registered tonnage, mang ý nghóa “tấn đo dung tích tàu”. Sở dó có sự lẫn lộn giữa tấn
trọng lượng và tấn đăng ký vì trong lòch sử phát triển hàng hải đã xẩy ra việc phát âm trùng
nhau từ tun dùng chỉ thùng tô nô chứa rượu vang, đã một thời làm đơn vò vận chuyển, với từ
ton (tấn) thông dụng. Có thể giải thích thêm một (thùng) tun rượu vang nặng 2200 cân Anh,
dung tích 252 gallon. Trong khi đó một long ton của người Anh đổi ra được 2240 cân Anh.
Tấn đăng ký được sử dụng chính thức và thường xuyên khi đăng ký tàu, là đơn vò chính dùng
trong thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đạâu cảng vv... Tính dung tích tàu và
14


xác đònh tấn Đăng kiểm cho tàu là công việc bắt buộc trong thiết kế tàu, tại phần tham khảo
tiếp sau đây của tài liệu sẽ giới thiệu sơ lược cách làm này.
2. KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC THÂN TÀU VÀ TỈ LỆ GIỮA CHÚNG
2.1 Kích thước chính
Chiều dài tàu.
Phân biệt các tên gọi liên quan đến chiều dài tàu sau:
Chiều dài toàn bộ tàu, Lt hoặc Loa, là khoảng cách đo từ điểm xa nhất trước mũi tàu
đến điểm xa nhất sau lái.
Chiều dài đường nước kết cấu LKW, đo trên đường nước thiết kế, kể từ điểm tiếp nước ở
mũi tàu đến điểm tiếp nước phía sau lái.
Chiều dài giữa hai trụ Lpp, là khoảng cách đo trên mặt đường nước, tính từ trụ lái đến
trụ mũi. Trên tàu vỏ thép trụ lái được hiểu là trục đi qua trục quay bánh lái, còn trụ mũi đi
qua điểm cắt nhau của đường nước thiết kế với mép ngoài trên lô mũi tàu. Với các tàu có
vách đuôi nằm nghiêng so với mặt cơ bản qua đáy (vách T ), trụ lái nhận đi qua đường cắt
của vách nghiêng với đường nước thiết kế, tính trên mặt cắt dọc giữa tàu.

Hình 4
Chiều rộng tàu
Chiều rộng tàu lớn nhất Bmax, là khoảng cách lớn nhất đo tại mặt ngang tại khu vực
rộng nhất của tàu, tính từ điểm xa nhất bên mạn trái đến điểm xa nhất bên mạn phải của tàu.

(1.5)

Hệ số đầy (hệ số béo)

Quan hệ giữa kích thước chính của tàu với thể tích phần chìm, diện tích đường nước,
diện tích mặt giữa tàu vv... đựợc thể hiện qua các hệ số đầy.
Hệ số đầy đường nước, CW hoặc α, là tỉ lệ giữa diện tích mặt đường nước được vỏ tàu
giới hạn và diện tích hình chữ nhật có cạnh là chiều dài và chiều rộng đường nước. Nếu ký
hiệu AW - diện tích mặt đường nước, L - chiều dài tàu, đo tại đường nước, B - chiều rọng tàu,
hệ số CW tính theo công thức:
16


Hình 6
CW =

AW
LxB

(1.6)

Hệ số đầy sườn giữa tàu, CM hoặc β, là tỉ lệ giữa diện tích phần chìm của sườn giữa tàu
AM với diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp nó, cạnh BxT
CM =

AM
BxT

(1.7)


CV =

V
AW xT

hay là CP =

CB
CW

(1.10)

17


Trước khi tìm hiểu cách tính các đường cong tính nổi trên cơ sở các dữ liệu thu nhận từ
một tàu cụ thể bạn đọc có dòp làm quen cách tính các hệ số đầy (hệ số béo) vừa nêu qua ví
dụ cụ thể sau. Tàu đi biển với kích thước chính Lpp = 120m, B = 15,6m, d = 5,7m, có thể
tích phần chìm trong trạng thái khai thác xác đònh V = 5220m3, diện tích mặt đường nước
thiết kế Aw = 1310m2, diện tích mặt sườn giữa tàu AM = 78 m2. Tính các hệ béo của tàu trên
đây.
Hệ số đầy CW:

CW =

AW
1310
=
= 0,70
LxB 120 × 15,6

Hệ số đầy CV:

CV =

C B 0,489
=
= 0,698
0,70
CW

Bảng 2a. Hệ số đầy của các tàu thường gặp trong thực tế như sau:
Kiểu tàu
CB
CW
CM
Tàu khách đi biển cỡ lớn
0,56 – 0,70
0,70 – 0,80
0,95 – 0,96
Tàu khách đi biển
0,50 – 0,60
0,70 – 0,80
0,85 – 0,96
Tàu hàng đi biển cỡ lớn
0,62 – 0,72
0,80 – 0,85
0,95 –0,98
Tàu hàng đi biển cỡ vừa
0,65 – 0,75
0,80 – 0,85

chìm của tàu.
Những giá trò đặc trưng cho các kiểu tàu được trình bày tiếp theo, căn cứ vào kết quả
thống kê.
Bảng 2b. Tỷ lệ các kích thước chính
Kiểu tàu
L/B
B/T
H/T
L/H
Tàu khách đi biển cỡ lớn
7 – 10
2,3 – 3,1
1,36 – 1,7
12 – 15
18


Tàu khách đi biển
Tàu hàng đi biển cỡ lớn
Tàu hàng đi biển cỡ vừa
Tàu hàng đi biển cỡ nhỏ
Tàu hàng rời
Tàu container
Tàu dầu lớn
Tàu dầu cỡ trung
Tàu kéo đi biển

6,5 – 7,5
7,20 – 8,0
6,5 – 7,5

10 –14
9 – 11
9 – 11
12 – 14
12,5 – 14,0
6–8

3. ĐƯỜNG HÌNH VỎ TÀU
Đường hình lý thuyết của vỏ tàu được biểu diễn trong hệ toạ độ gắn liền với vỏ tàu như
trên hình 9. Trục OZ hướng lên trên. Trục OX trùng với chiều dọc tàu, hướng về trước, còn
trục OY hướng sang mạn phải. Tâm của hệ toạ độ đặt tại giao điểm ba mặt phẳng: mặt cắt
ngang giữa tàu, mặt cắt dọc giữa tàu và mặt cơ bản qua đáy tàu.

Hình 9. Hệ toạ độ chung
Đường lý thuyết miêu tả vỏ tàu được qui ước vẽ trong bản vẽ hai chiều 2D, bao gồm các
phần sau.
Hình chiếu các vết cắt dọc tàu do mặt phẳng dọc giữa tàu và các mặt phẳng song
song với mặt này tạo thành. Cụm vết cắt này nằm phía trái, trên.
Hình chiếu các vết cắt vỏ tàu qua các đường nước, nằm phía trái, dưới.
Hình chiếu các mặt cắt ngang tàu, gọi là các sườn lý thuyết, nằm phía phải, trên. Hình
ảnh các mặt chiếu và xuất xứ của nó được miêu tả trên hình 10.

19


Hình 10. Các mặt cắt và hình chiếu trên đường lý thuyết.
Bản vẽ đường hình lý thuyết
Đường bao vỏ tàu là mặt cong trong không gian ba chiều 3D. Để miêu tả gần đúng mặt
cong này nhất thiết phải rời rạc hóa và biểu diễn lại dưới dạng mặt gần đúng như sau. Dọc
thân tàu, tính từ lái đến mũi tàu, tiến hành chia tàu thành nhiều đoạn thẳng, gọi là khoảng

bày các đường cong tính nổi của tàu. Thuật ngữ chuyên ngành để chỉ đồ thò dạng này không
giống nhau ở các nước. Trong tài liệu chính thức của tổ chức hàng hải quốc tế IMO và các
hội nghò ITTC, họ đường cong này có tên gọi bằng tiếng Anh là hydrostatic curves, có nghóa
các đường thủy tónh của tàu. Các đường cong được trình bày trong bản vẽ này nhất thiết phải
có mặt:
• Đường cong V(z) – thể tích phần chìm, tính bằng m3,
• Đường cong D(z) - lượng chiếm nước, tính bằng tấn (T),
• Đường cong tâm nổi KB, tính bằng m, đo từ đáy,
• Đường diện tích đường nước AW, tính bằng m2,
• Đường hoành độ tâm diện tích đường nước, ký hiệu xf hoặc LCF, tính bằng m, thông
lệ cách mặt cắt giữa tàu, mang dấu (+) khi nằm trước mặt giữa tàu,
• Hoành độ tâm nổi, LCB, đo bằng m, thông lệ cách mặt cắt giữa tàu,
Trên các bản vẽ dạng này, ưu tiên việc xây dựng đồ thò BM(z), tính từ đường KB vừa
dựng. Có thể hiểu đây là đường cong KM(z) = KB(z) +BM(z), trong đó
IT
I '
còn BM L = L .
V
V
Trong nhiều trường hợp có thể yêu cầu xây dựng các đường momen quán tính đường
nước IT và IL’ .
BM =

•

Đường cong miêu tả momen chúi tàu một đơn vò chiều cao TRIM. Theo cách ký
hiệu mà IMO đề nghò đại lượng này mang tên gọi momen để thay đổi 1 đơn vò
chiều chìm, ví dụ 1 cm – Moment to change Trim One cm.

Các hệ số đầy CB , CW , CM , CP

n

∑ yi - ( ½ )*(y0 + yn)

]

i =0

Ví dụ tính theo phương pháp hình thang
Bảng 3. Bảng tính theo phương pháp hình thang
TT
Giá trò y
Ghi chú
0
y0
1
y1
.
n
yn
∑
Tổng
1
Hiệu chỉnh
( y0 + yn )
2
1
Tổng
∑ − 2 ( y0 + yn )
Diện tích


0

(

d
8a.d 2 + 6b.d + 6c
3

)

(a)

Mặt khác các giá trò y tương ứng với x0, x1, x2 có thể tính qua a, b, c theo quan hệ: y0
= c; y1 = ad2 + bd +c; y2 = 4ad2 +2bd + c, do vậy công thức tính diện tích A cho trường
hợp này sẽ là:
2d

A=

∫ ydx = 3 ( y
d

0

+ 4 y1 + y 2 )

(b)

0

ấy các giới hạn tích phân, ví dụ từ 0 đến L hoặc từ –L/2 đến +L/2 là những giới hạn thực tế,
đúng với giới hạn đường nước. Trường hợp thường gặp, phần sau của đường nước bắt đầu
24