Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 52)

Chương 15

SONAR VÀ TÀU NGẦM

Chúng ta đã bàn nhanh về tàu ngầm ở các chương trước. Trong chương này, chúng ta sẽ xét tàu ngầm kĩ hơn. Nó đã được cải tiến theo năm tháng, và chẳng mất bao lâu cho các nước nhận ra rằng nó có tiềm năng quân sự không hề nhỏ.

Mặc dù một vài thiết kế thô cho tàu ngầm đã xuất hiện trước thế kỉ mười tám, song một trong những người đầu tiên chế tạo một mô hình hoạt động được chính là kĩ sư Mĩ Robert Fulton. Từ năm 1793 đến 1797, ông đã chế tạo tàu ngầm vận hành được đầu tiên trong khi sống ở Pháp. Nó có thể lặn dưới nước trong mười bảy phút, và nó dài khoảng hai mươi bốn foot. Ông gọi nó là Nautilus. Tàu ngầm cũng được sử dụng trong Nội Chiến nước Mĩ. Phe Liên Minh chế được bốn tàu ngầm, nổi tiếng nhất trong đó là chiếc H.L. Hunley. Sau chiến tranh, nghiên cứu về tàu ngầm vẫn tiếp diễn, và nghiên cứu này thường gắn liền với hai cái tên: Simon Lake và John Holland. Lake bắt đầu làm thí nghiệm với ý tưởng sử dụng lực nổi để nhận chìm và trồi lên một tàu ngầm. Holland nghiên cứu các phương pháp đẩy. Chiếc tàu ngầm vũ trang đầu tiên của Hải quân Mĩ, USS Holland, do Holland chế tạo vào năm 1898. Nó dài năm mươi ba foot, cân nặng bảy mươi lăm tấn, và nó có một động cơ đốt trong dùng để chạy trên mặt nước và một động cơ điện dùng khi lặn.

Mọi tàu ngầm đều phụ thuộc vào một nguyên lí được thiết lập hồi nhiều năm trước bởi Archimedes xứ Syracuse, Sicily. Chúng ta đã nói sơ về nó ở phần trước; bây giờ hãy xét nó cụ thể hơn.

NGUYÊN LÍ ARCHIMEDES

Nguyên lí Archimedes liên quan đến áp suất tác dụng lên một vật ở trong nước hay chất lỏng khác, hay chính xác hơn, lực nổi tác dụng lên một vật trong một chất lưu.¹ Để hiểu nó, hãy bắt đầu với khái niệm áp suất; nó được định nghĩa là lực trên đơn vị diện tích, hay viết theo đại số là P = F/A, trong đó P là áp suất, F là lực, và A là diện tích. Nếu bạn xét áp suất tác dụng lên một bề mặt cho trước dưới một lượng nước nhất định, thì bạn dễ dành thấy rằng áp suất đó là do trọng lượng của cột nước phía trên nó tác dụng lên bề mặt đã cho. Và trọng lượng của cột nước này phụ thuộc vào trọng lượng riêng của nó, hay trọng lượng trên đơn vị thể tích của nó. Trọng lượng riêng của nước là sáu mươi hai pound trên foot khối.

Song chúng ta chủ yếu quan tâm đến lực nổi, thế nên hãy xét một khối lập phương chất rắn bên trong một bể nước và xác định lực nổi tác dụng lên nó. Đây là lực đẩy nó lên trên. Nguyên lí Archimedes nói rằng lực hướng lên tác dụng lên vật bất kì ở trong nước hay chất lưu khác có độ lớn bằng với trọng lượng chất lưu bị chiếm chỗ. Archimedes (278–212 BCE) đã đi tới nguyên lí này khi nhà vua xứ Syracuse hạ lệnh cho ông kiểm tra xem người thợ rèn có đánh cắp vàng mà ngài đã trao để làm vương miện bằng cách tráo bạc vào đó hay không. Và, như vỡ lẽ, người thợ rèn đã làm thế.

Nguyên lí Archimedes có giá trị nếu vật bị nhận chìm hoàn toàn, hoặc nó nổi. Quả vậy, ta dễ dàng thấy rằng nếu trọng lượng của vật nhỏ hơn trọng lượng của nước bị chiếm chỗ (khi nó hoàn toàn bị nhận chìm), thì vật sẽ nổi. Điều này có nghĩa là nếu trọng lượng riêng của nó nhỏ hơn của nước, thì nó sẽ nổi.

Bây giờ hãy xét khối lập phương rắn trong bể nước. Giả sử nó chìm hoàn toàn. Áp suất tác dụng lên mọi mặt bên của nó sẽ cân bằng bởi lẽ có một lực bằng về độ lớn và ngược chiều ứng với mỗi lực tác dụng lên nó. Nhưng lực tác dụng lên mặt trên và mặt đáy sẽ khác nhau do bởi lực hướng lên tác dụng lên mặt đáy lớn hơn lực tác dụng lên mặt trên, vì mặt đáy khối lập phương ở sâu hơn. Hiệu hai lực này sẽ bằng trọng lượng của nước mà khối lập phương chiếm chỗ. Đây là lực nổi. Và nếu nó lớn hơn trọng lượng của khối lập phương, thì khối lập phương sẽ trồi lên trên và nổi. Tất nhiên, đây là điều mà nguyên lí Archimedes cho chúng ta biết. Nó xảy ra với bất kì vật nào ở trong nước khi trọng lượng riêng của vật nhỏ hơn của nước, và thật vậy, đây là nguyên do tàu thuyền có thể nổi, mặc dù chúng được làm bằng thép nặng. Thép có trọng lượng riêng cao, nhưng con tàu chủ yếu là không khí, vốn có trọng lượng riêng nhỏ hơn nhiều so với nước, thành ra nó có trọng lượng riêng trung bình nhỏ hơn của nước.

VẬT LÍ HỌC VỀ TÀU NGẦM

Tất nhiên, một tàu ngầm có thể nổi trên mặt nước, và nó cũng có thể lặn dưới nước. Và khi nó nổi thì trọng lượng riêng trung bình của nó nhỏ hơn của nước, nhưng khi nó lặn thì trọng lượng riêng trung bình của nó phải lớn hơn. Vậy nên rõ ràng nó phải thay đổi trọng lượng riêng, và nó làm như vậy bằng cách sử dụng các két bì trên mặt ngoài của nó. Khi các két này chứa đầy không khí thì trọng lượng riêng trung bình của tàu ngầm nhỏ hơn của nước, vì thế tàu ngầm nổi lên. Để chìm xuống, tàu ngầm giải phóng không khí qua các lỗ thông nhỏ và cho phép các két chứa đầy nước. Khi chúng đầy (hoặc đầy một phần), thì trọng lượng riêng của tàu ngầm đủ cho nó chìm xuống. Để nổi lên, không khí được bơm vào các két bì từ một két khí nén. Nó ép nước ra ngoài.²

Người ta còn dùng thủy phi cơ hỗ trợ trong quá trình lặn xuống và trồi lên. Chúng ở phía sau tàu ngầm và trông tựa như cánh máy bay. Chúng giúp lái tàu ngầm lên xuống theo kiểu giống như bánh lái trên máy bay.

Điều cũng quan trọng là phải giữ cho tàu ngầm thăng bằng và ổn định ở những độ sâu khác nhau khi nó ở dưới mặt nước. Trên thực tế có một vài trục trặc. Ví dụ, trọng lượng riêng của nước tăng theo độ sâu, vì thế lực nổi tăng khi độ sâu tăng. Nhiệt độ của nước cũng có một tác dụng nhỏ. Do vậy và do những vấn đề khác, tàu ngầm ở trạng thái cân bằng không bền khi nó chìm, và do đó nó có xu hướng trồi lên hoặc chìm xuống ở đầu này hoặc đầu kia trừ khi có sự điều chỉnh liên tục. Điều này được gọi là giữ thăng bằng. Để giữ thăng bằng, tàu ngầm sử dụng các két nhỏ hơn ở đầu tàu và đuôi tàu. Máy bơm dịch chuyển nước tới lui giữa chúng, làm thay đổi phân bố trọng lượng hầu như liên tục. Một hệ thống tương tự cũng được sử dụng để giữ ổn định.³

Các két bì trên tàu ngầm.

NĂNG LƯỢNG CHO CHÂN VỊT

Tàu ngầm cần năng lượng để làm quay chân vịt, và theo năm tháng nguồn năng lượng này cũng thay đổi theo. Những tàu ngầm xưa nhất được cấp sức đẩy bằng cơ bắp con người. Một số người thật sự đã quay chân vịt bằng tay. Nhưng chẳng mấy chốc thì động cơ các kiểu đã ra đời để làm việc này. Vào khoảng năm 1900, các động cơ sức khí đã được sử dụng trên mặt nước, và động cơ điện được sử dụng khi tàu ngầm chìm xuống. Tuy nhiên, động cơ xăng sớm bị thế chỗ bởi động cơ diesel. Trong những tàu ngầm đầu tiên thuộc loại này, động cơ diesel và động cơ điện ngăn cách nhau bởi một khớp li hợp, nên chúng gắn chung với một trục chân vịt. Điều này cho phép động cơ diesel chạy động cơ điện làm máy phát điện có thể dùng để sạc acquy dùng để cấp điện. Một trong những vấn đề chính với tàu ngầm thời Thiến chiến I và Thế chiến II là chúng phải trồi lên mặt nước để sạc lại các acquy của chúng khá thường xuyên. Cuối cùng, một dụng cụ thông hơi đã được phát minh để chúng có thể sạc lại trong khi vẫn ở dưới nước, nhưng chúng vẫn phải ở khá gần mặt nước.

HÌNH DẠNG VÀ KÍNH TIỀM VỌNG

Một trong những vấn đề chính gắn liền với tàu ngầm là lực kéo theo thủy động lực học. Lực kéo theo cũng là vấn đề đối với ô tô, và do đó chúng được thiết kế với hình dạng sao cho lực kéo theo là tối thiểu. Trong trường hợp tàu ngầm, môi trường mà chúng chuyển động là nước, và nước gây ra lực kéo theo lớn hơn nhiều so với không khí. Hình dạng giọt nước mắt ở phần trước được dùng để giữ cho lực kéo theo tối thiểu trên đa số tàu ngầm sử dụng trong Thế chiến I và Thế chiến II; tuy nhiên, gần đây hơn, một hình dạng hơi khác đã được sử dụng, mặc dù hình dạng giọt nước mắt vẫn được dùng trong chừng mực nào đó.

Sơ đồ tàu ngầm cho thấy kính tiềm vọng, buồm, và bánh lái.

Trên nóc tàu ngầm là một tháp dựng đứng, gọi là tháp chỉ huy, nó được trang bị kính tiềm vọng, các dụng cụ điện tử khác nhau, và radio. Trong nhiều tàu ngầm xưa, phòng điều khiển cũng nằm ở đây. Phòng điều khiển ngày nay đặt bên trong tàu ngầm và tháp dựng đứng ngày nay được gọi là buồm. Kính tiềm vọng cho phép người quan sát ở trong tàu ngầm nhìn thấy những gì đang xảy ra trên mặt nước khi tàu ngầm chìm dưới nước. Nó gồm một hệ thống gương và thấu kính làm bẻ cong và phản xạ hình ảnh xuống một cái ống dài. Trong các tàu ngầm mới người ta dùng cột buồm photon thay thế cho kính tiềm vọng. Chúng là các camera màu, phân giải cao, gửi hình ảnh qua sợi quang xuống một màn hình lớn (trong quang học sợi, các xung ánh sáng được gửi đi theo một sợi quang dài).

ĐI LẠI

Tàu ngầm hiện đại có thể sử dụng GPS (hệ thống định vị toàn cầu) để hỗ trợ dẫn đường trong khi nó ở trên mặt nước, nhưng khi chìm dưới nước thì GPS không hoạt động được. Vì thế, các tàu ngầm mới hơn có các hệ thống dẫn đường quán tính dưới nước giúp theo dõi vị trí của chúng bằng cách để ý chuyển động của chúng ra xa một điểm cố định nào đó. Các hệ thống này khá phức tạp, và chúng thường sử dụng con quay hồi chuyển để lần theo vị trí của tàu ngầm. Các tàu ngầm Mĩ sử dụng một hệ thống gọi là SINS (hệ thống dẫn đường quán tính cho tàu thuyền); nó dùng con quay hồi chuyển để lần theo vị trí của tàu ngầm bằng cách theo dõi các thay đổi lộ trình của nó. Các con số được nạp vào máy vi tính và so sánh với tọa độ xuất phát. Với hệ thống này, thủy thủ trên tàu ngầm có thể nhanh chóng xác định được họ ở đâu vào bất kì lúc nào.

Con quay hồi chuyển không chỉ hữu ích cho việc dẫn đường dưới nước, mà, như chúng ta sẽ thấy, chúng còn được sử dụng để dẫn đường cho ngư lôi thẳng đến mục tiêu. Con quay hồi chuyển có ích bởi lẽ chúng biểu hiện một tính chất cơ bản gọi là quán tính hồi chuyển, đem lại cho nó sự vững chãi trong không gian. Như chúng ta đã thấy ở phần trước, đây là hệ quả của định luật thứ nhất của Newton về chuyển động, nó nói rằng một vật có xu hướng tiếp tục đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều trừ khi chịu một lực ngoài tác dụng. Điều này có nghĩa là khi một con quay hồi chuyển đang quay tròn theo một chiều nhất định, thì cần có lực để làm thay đổi chuyển động đó. Thật vậy, con quay không những có ích trên tàu ngầm và ngư lôi; chúng còn được dùng trên phi thuyền vũ trụ, tên lửa, tên lửa dẫn đường, và tàu thuyền, thế nên rõ ràng chúng giữ một vai trò quan trọng trong trang thiết bị chiến tranh.

SONAR

Cũng có tầm quan trọng để đi lại dưới nước là sonar. Khi tàu ngầm lặn xuống, nó thường biến mất khỏi tầm nhìn xung quanh vì ánh sáng không xuyên sâu lắm vào nước. Vì thế mặc dù có các video camera gắn bên ngoài tàu, song chúng ít có tác dụng. Sonar tương tự như radar ngoại trừ là nó sử dụng sóng âm thay cho vi sóng. Trong chương trước, chúng ta đã thấy các hệ thống radar gửi đi một xung điện từ sau đó tìm kiếm tiếng vọng, hay sóng phản xạ, của xung đó. Bằng cách phân tích tiếng vọng, hệ thống radar có thể xác định có những gì xung quanh chúng, mặc dù các vật ấy không thể nhìn thấy trực tiếp. Theo cách tương tự, sonar cho phép thủy thủ tàu ngầm nhìn thấy những gì có ở trong nước xung quanh họ.⁴

Có hai loại sonar được sử dụng ở tàu ngầm: chủ động và thụ động. Sonar chủ động giống radar ở chỗ thời gian truyền cho sóng phản xạ được ghi nhận theo sự biến thiên tần số của tín hiệu ban đầu. Một máy phát tín hiệu chủ động tạo ra một xung sóng âm được gọi là một ping. Xung này được tập trung thành một chùm tương đối hẹp, để nó truyền đi theo một hướng nhất định. Nó chủ yếu được dùng để phát hiện các tàu ngầm khác, tàu thuyền, hay các vật thể khác xung quanh tàu ngầm. Phân tích tiếng vọng đem lại thông tin về khoảng cách đến vật thể và hướng cùng tốc độ mà nó đang di chuyển. Khoảng cách của nó dễ dàng được xác định từ thời gian giữa lúc phát tín hiệu và lúc phản hồi tiếng vọng. Tốc độ của nó có thể được xác định từ Hiệu ứng Doppler.⁵

Một trong những trở ngại đối với sonar chủ động trong chiến tranh là tàu thuyền hay tàu ngầm khác ở vùng lân cận có thể dễ dàng nhận ra nó, điều đó cho phép kẻ địch xác định vị trí của con tàu. Do vậy, trong nhiều tình huống người ta dùng sonar thụ động. Nó đơn giản là một microphone rất nhạy dưới nước dùng để nghe các tiếng nhiễu trong nước xung quanh tàu ngầm. Vấn đề, tất nhiên, là nhận dạng sóng âm mà microphone thu được. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, nhiệm vụ này được giao cho một máy vi tính. Một bộ cơ sở dữ liệu quy mô về các âm thanh khác nhau, cùng với những thứ gây ra chúng, được lưu trữ trong máy tính. Khi một âm thanh nhất định được phát hiện, nó được cho vào máy tính để nhận dạng. Nói chung, sonar thụ động có tầm hoạt động lớn hơn, và nó có ưu điểm là không bị phát hiện.

Trong Thế chiến II, sonar chủ động nói chung được giữ ở mức tối thiểu, nên đa số tàu ngầm phụ thuộc nhiều vào sonar thụ động. Song các kĩ thuật và dụng cụ hiện đại đã cải tiếng sonar chủ động, nên ngày nay sonar chủ động lẫn thụ động đều được sử dụng rộng rãi. Tất nhiên, có những vấn đề khác với cả hai loại sonar. Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi độ sâu dưới nước và bởi nhiệt độ và tính hòa tan của nước, và các yếu tố này đều được xét đến. Ngoài ra, còn có cái gọi là nhiệt tuyến trong đại dương. Nó là sự phân chia rõ nét giữa lớp nước bề mặt ấm áp và lớp nước lạnh, đứng yên bên dưới. Khi sóng âm truyền qua nó, chúng có xu hướng bị lệch hướng, và điều này cũng phải được xét đến.

Sonar không chỉ dùng cho tàu ngầm. Các vật gọi là phao âm cũng được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến II, và chúng vẫn được sử dụng ngày nay. Phao âm là những hệ thống nhỏ, dài khoảng ba foot và rộng năm inch, có thể dễ dàng được thả hoặc ném ra từ máy bay hoặc tàu thuyền. Chúng nổi trong nước và có thể là chủ động hoặc thụ động. Tín hiệu của chúng được thu bởi một con tàu hay máy bay gần đó. Tuy nhiên, chúng có các hạn chế. Chúng có tuổi thọ giới hạn (tùy thuộc vào pin của chúng) và tầm hoạt động giới hạn, nhưng chúng tỏ ra thật hữu ích.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp