MỘT MÁI CHÈO Ở ĐUÔI THUYỀN HOẠT ĐỘNG NHƯ MỘT CÁNH MÁY BAY

Thuyền kayak, xuồng canoe và thuyền chèo đẩy nước chủ yếu bằng lực cản: lưỡi chèo được kéo qua nước, rồi nhấc lên để đưa về. Chèo lái đuôi làm một việc khác. Một mái chèo dài duy nhất tựa vào một khấc hoặc cọc chèo trên ván đuôi thuyền, lưỡi chèo luôn ở dưới nước. Người chèo, thường quay mặt về phía sau, lắc cán chèo từ bên này sang bên kia, hai tay vẽ một dấu vô cực “∞”, đồng thời xoay mái chèo quanh trục của nó để chỉnh góc của lưỡi chèo. Kỹ thuật này vẫn được thực hành ở nhiều nơi trên thế giới, nhưng trước đây chủ yếu được các nhà dân tộc học và cơ sinh học nghiên cứu. G. Roudaut (hiệp hội Tud Yaouank Ar Mor, Lampaul-Plouarzel), B. Augier (IFREMER) và M. Rabaud (Đại học Paris-Saclay và CNRS) đã bắt tay xem xét nó như một bài toán cơ học chất lưu.

Một mái chèo đầy cảm biến

Chiếc thuyền thử nghiệm của họ dài 4,74 mét, rộng 1,63 mét và nặng khoảng 100 kilôgam khi không tải, với một sống thuyền dài và nông — chèo lái đuôi hiệu quả nhất với một chiếc thuyền khá nặng, có sống thuyền, vì mái chèo đẩy đuôi thuyền lần lượt sang trái và sang phải. Mái chèo bằng sợi carbon dài 3,62 mét, với lưỡi chèo bằng gỗ dài một mét có mặt cắt đối xứng trái phải và hơi cong rất nhẹ.

Các thiết bị đo đo lực của hai tay lên cán chèo và lực của khấc lên mái chèo. Hai cảm biến chuyển động theo dõi mái chèo và thân thuyền, và một máy đo tốc độ kiểu bánh guồng, được hiệu chuẩn bằng GPS, đo tốc độ. Vì mái chèo nhẹ, các lực tác dụng lên nó gần như cân bằng, nên lực đẩy của nước lên lưỡi chèo có thể suy ra từ hai lực đo được. Hai người chèo giàu kinh nghiệm lần lượt đưa thuyền trên mặt nước lặng từ trạng thái đứng yên đến tốc độ nhanh nhất họ có thể đạt.

Một cánh máy bay, rồi một cú hất

Nhịp chèo có bốn pha: một lần quét sang một bên, một cú xoay nhanh mái chèo, một lần quét sang bên kia, một cú xoay nữa.

Trong những lần quét, nước gặp lưỡi chèo ở các góc nhỏ và chảy êm qua nó. Lưỡi chèo hoạt động như một cánh máy bay, và lực nâng đẩy thuyền đi. Một phép tính theo từng lát dọc lưỡi chèo, dùng một chương trình tiêu chuẩn về biên dạng cánh, cho lực đẩy 35 newton tại một thời điểm, so với 31 newton đo được.
Trong những cú xoay, lưỡi chèo trong chốc lát quay mặt về phía dòng chảy. Lực cản thông thường chỉ cho từ 2 đến 10 newton, nhưng nhóm đo được từ 20 đến 45. Phần chênh lệch là khối lượng kèm (added mass): lưỡi chèo tăng tốc mạnh và phải kéo theo một khối nước chuyển động cùng nó. Ước tính của họ, khoảng 70 newton, đủ để giải thích lực đo được.

Cả bốn pha đều đẩy thuyền về phía trước, dù lực đẩy giảm gần về không hai lần mỗi chu kỳ. Ở 1,2 mét mỗi giây, lực đẩy trung bình là 19,4 newton. Mép trái và mép phải của lưỡi chèo thay phiên nhau làm mép trước, điều mà các tác giả gọi là độc nhất so với cách di chuyển trong thế giới động vật, nơi vây và cánh thường giữ nguyên một mép trước. Trong vệt nước phía sau, các xoáy bong ra ở mỗi lần đổi chiều tạo thành một dãy so le đưa nước về phía sau.

65% ở tốc độ hành trình

Chia công suất truyền cho thuyền cho công suất người chèo đưa vào mái chèo ta được hiệu suất. Nó tăng ở tốc độ thấp, đạt đỉnh 65 ± 5% quanh 1,2 mét mỗi giây, rồi giảm xuống khoảng 25% quanh 2 mét mỗi giây. Để so sánh, các tác giả dẫn con số khoảng 75% cho một chân vịt tàu thủy ở tốc độ thiết kế và cho kiểu chèo thuyền cổ điển tốt nhất.

Họ giải thích rằng có hai điều trục trặc khi tốc độ cao. Để giữ góc tốt cho lưỡi chèo, hai tay sẽ phải di chuyển ngang nhanh hơn mức thoải mái đối với cơ thể con người. Và việc kéo mái chèo về đủ nhanh trong những cú xoay trở nên khó khăn — thậm chí có nguy cơ nhấc nó ra khỏi khấc. Trong khi đó, chính thân thuyền tiến gần tốc độ tới hạn, nơi việc tạo sóng trở thành lực cản chính: công suất cần thiết tăng gấp mười lần trong khoảng tốc độ đã thử, và người chèo không thể đi nhanh hơn dù tạo ra khoảng 300 watt.

Còn chỗ cho một mái chèo tốt hơn

Nhóm đã thử một mái chèo cố ý được làm cứng để giữ cho phép đo đơn giản. Người chèo thực tế thường thích mái chèo hơi dẻo, và các tác giả gợi ý rằng một lưỡi chèo dẻo, một mái chèo dài hơn hoặc một lưỡi chèo cong xuống có thể giữ góc tốt hơn ở tốc độ cao. Thiết kế mái chèo lý tưởng cho một chiếc thuyền chèo lái đuôi, họ kết luận, “đòi hỏi nhiều sự đánh đổi, bao gồm cả công suất do người chèo tạo ra.”