tidal analysis, 2

Như thế ta thấy từ những tò mò, băn khoăn nhỏ dẫn đến những bước tiến lớn… như kiểu bị quả táo rụng vào đầu vậy! Vấn đề thủy triều gây ra nhiều quan tâm ở châu Âu, đặc biệt là ở Anh và Pháp, nơi thủy triều cao và thấp có thể chênh nhau đến hơn 7, 8 mét và gây ra những hệ quả nghiêm trọng! Từ Newton, Laplace, đến Fourier, nhiều nhà toán học, vật lý học đã nghiên cứu về thủy triều. Đặc biệt sau khi Fourier chỉ ra rằng bất kỳ một hàm tuần hoàn nào, dù phức tạp đến đâu, cũng đều có thể được phân giải thành tổng của các hàm lượng giác tuần hoàn đơn giản có dạng f(t) = A cos(vt + p), tức là phân giải một tần số thành tổng của nhiều tần số con. Mà những tần số con này đều đã biết trước trong bài toán thủy triều, ví dụ như với mặt trăng (M2), tần số là khoảng 24.8333, vì trái đất quay (biểu kiến) quanh mặt trăng mất khoảng 24h 50 phút. Đã biết trước hầu hết các tham số, chỉ phải tính A – amplitude, biên độ nữa mà thôi.

Không khó để chứng minh rằng, tích phân của hàm g(t) x f(t) chia cho thời gian t chính là biên độ dao động A, với g(t) là hàm thủy triều và f(t) là hàm cosine đại diện cho mức độ ảnh hưởng của mặt trăng. Việc còn lại là thu thập dữ liệu lên xuống của thủy triều, bỏ vào trong cái máy tính tích phân, nhân nó với các hàm cosine và tính ra các hệ số tương ứng! Và chính là từ bài toán phân tích và dự đoán thủy triều, mà dẫn đến một loạt các phát kiến, phát minh, dẫn đến các hệ máy tính cơ học đầu tiên, dẫn đến các hệ thống tính toán và tự động hóa khác… Nhắc lại một câu chuyện tiếu lâm đã kể mấy năm trước, một người Anh bị quả táo rụng vào đầu, thế là ông ta đã phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn! Một người Trung Quốc bị quả táo rụng vào đầu, ông ta liền trồng cả một nông trại táo rộng lớn và bán các sản phẩm táo đi khắp thế giới. Một người VN… à không, anh ta đã bị một quả dừa to rụng vào đầu từ rất lâu về trước… :D

ball and disk integrator

Trong hình là một cái máy tính tích phân cơ khí, cơ chế hoạt động như sau: đĩa tròn quay với vận tốc không đổi, đại diện cho trục x, thường là thời gian t, đĩa quay làm quả bi tròn quay theo! Tùy theo vị trí của bi mà tốc độ quay khác nhau, nếu bi ở chính ngay tâm đĩa, thì tốc độ là 0, bi không xoay, nếu bi được di chuyển ra càng gần mép đĩa thì tốc độ quay càng nhanh hơn, nếu di chuyển ngược lại về phía bên kia đĩa thì bi sẽ quay theo chiều ngược lại. Bi xoay làm cho trục tròn nằm ngang xoay theo, nếu ta di chuyển bi qua lại dọc theo đồ thị của một hàm số f(x) thì, không quá khó để hình dung, số vòng quay tích lũy của trục chính là tích phân của hàm f(x), nói một cách đơn giản chính là diện tích phần ‘nằm bên dưới’ đường cong f(x).

Chỉ cần đếm số vòng quay của trục thì sẽ nhận được giá trị của tích phân này. Căn bản đó chỉ là một cái máy tính tích phân cơ học, nhưng ứng dụng thì quá quan trọng đến nỗi người ta cho rằng đây là thiết bị quan trọng nhất từng được chế tạo trước khi máy tính điện tử ra đời! Máy chỉ thị mục tiêu và dẫn bắn trên chiến hạm Dreadnought là sử dụng cơ chế đĩa và bi, máy tính dẫn bắn cho các loại ngư lôi trong WW2 là dạng bi và đĩa, máy quan sát ném bom – Norden bombsight cũng là dạng bi và đĩa, và vô số máy móc, thiết bị khác. Hình là máy phân tích thủy triều chế tạo bởi Sir Kelvin (William Thomson), đĩa không chuyển động tròn đều mà chuyển động hình sin, nhưng căn bản, đây chính là máy tính tích phân đầu tiên!

báo chí cúm mùa

Lảm nhảm cuối tuần, vài con số thống kê, nước Mỹ có dân số 340 triệu, nhưng có đến khoảng 25.2 triệu chiếc “du thuyền”. Chữ “du thuyền” trong tiếng Việt gợi lên ý nghĩa giàu có, xa xỉ, nhưng thực ra đủ tiêu chuẩn đăng ký thì đã xem là “du thuyền” rồi, phần đông những chiếc gọi là “du thuyền” này đều dưới 26 feet – 8m và thực tế thì, ở Mỹ không phải ai cũng giàu! Trừ một số ít triệu phú, tỷ phú và những chiếc siêu du thuyền ra thì, kỳ lạ thay, phần đông người chơi thuyền ở Mỹ có thu nhập dưới 100K/năm, được xem không phải là giàu ở nước đó! Không hiếm những bạn trẻ ra “bãi rác”, nhặt về những chiếc thuyền cũ đã có tuổi đời trên 30, 40 năm với giá rẻ như cho, và bỏ công sức 2, 3 năm để cải tạo, sửa chữa, trang bị thành một chiếc đi biển được cho phù hợp với nhu cầu và túi tiền của mình. Bởi vì đó là một phần văn hóa của họ, rất nhiều người gắn bó với biển cả.

Trước đây không phải như vậy, có một thời, hơn trăm năm trước, thuyền là là biểu tượng của giới có tiền. Nhưng mọi thứ thay đổi trong những năm 60 của thế kỷ trước, khi kinh tế phát triển và nhiều gia đình ở Mỹ đủ khả năng sở hữu một chiếc thuyền nhỏ, cũng không khác gì sở hữu một chiếc xe hơi. Đó là giai đoạn… chiến tranh VN, như mọi người đã biết, kinh tế phát triển, nhiều quốc gia trở nên phồn vinh nhờ “ăn ké” chiến tranh, mọi người đều được ấm no, hạnh phúc, đương nhiên là trừ người VN ra. Ví dụ như Đài Loan, rất nhiều du thuyền ở Mỹ là đóng ở Đài Loan, lên đến nhiều chục ngàn chiếc. Thành phần dân cư có thuyền nhiều nhất là nằm bên phía bờ Tây, và có thuyền thì ta làm gì? Phần đông là tổ chức những kỳ nghỉ hàng năm, đi đến các hòn đảo nhiệt đới, cận nhiệt đới tuyệt đẹp trong vùng biển Caribbean, vui chơi một vài tuần rồi quay trở lại.

Và cũng vì thế mà xuất hiện những “urban legends” về những sự mất tích bí ẩn ở “Tam giác quỷ Bermuda”, những huyền thoại mà giờ đây ta biết là láo toét, vùng biển Bermuda cũng an toàn (và cũng không an toàn) chẳng khác gì những vùng biển khác! Nhưng tại sao lại xuất hiện những tin đồn như vậy, cũng là do GATO – ghen ăn tức ở thôi, du thuyền nhiều như vậy, người ta đi chơi nhiều như vậy, thành phần không làm được thì ghét, cứ thế bịa chuyện ra. Ở Mỹ mà còn như thế, thì ở VN… toàn như thế, cái đám nhà báo thiểu năng cứ mỗi năm lại đem mấy cái chuyện cũ ra nói đi nói lại như vẹt, đó là loại nhà báo mà tôi gọi là “báo chí cúm mùa”, tức mùa nào thì thức ấy, cứ như là “cúm” vậy, mùa vải thì xuất hiện những bài liên hệ trái vải với tiểu đường, đầu óc u tối, máy móc cứ lặp mãi từng đó chuyện, không thấy hy vọng gì có thể tự suy nghĩ cho có nội dung được!

tidal analysis

Thủy triều được dự đoán, tính toán như thế nào? Vì có quá nhiều tham số tác động đến thủy triều, như M2 (moon) hay S2 (sun), và nhiều hành tinh khác, nên dự đoán thủy triều được bắt đầu bằng việc… thu thập, ghi chép số liệu thực nghiệm tại một cảng nào đó, số liệu này được thu thập trong nhiều năm và sau đó dùng một phép biến đổi Fourier để phân tích hàm thủy triều (số liệu) này thành tổng của các hàm lượng giác con, mỗi hàm con có dạng f(t) = A x cos(st + p), với A (amplitude) là độ lớn, biên độ dao động, s (speed) là vận tốc góc, p (phase shift) là độ lệch pha, và t là thời gian. Mỗi hàm lượng giác điều hòa con này là đại diện cho mức độ ảnh hưởng của một yếu tố riêng biệt, như mặt trời, mặt trăng, các hành tinh, etc…

Nhưng ngày xưa chưa có máy tính điện tử, người ta phân tích Fourier như thế nào? Cũng lại là dùng các máy tính cơ học, trong ảnh là máy phân tích thủy triều được chế tạo bởi Sir Kelvin (William Thomson) năm 1878, máy dài 6m. Sau khi đã phân tích dữ liệu quá khứ đã thu thập và có được các tham số thì lại nhập các tham số này vào máy dự đoán thủy triều (đã nói ở bài trước) để tính thủy triều tại một thời điểm cụ thể nào đó trong tương lai. Về máy phân tích thủy triều thì có nhiều chuyện phức tạp, nhưng về máy dự đoán thủy triều, cơ chế vận hành của nó lại khá đơn giản. Hình thứ 2 là cơ chế máy dự đoán thủy triều, hàng bánh xe trên là cố định, hàng bánh xe dưới có thể chỉnh được tốc độ, độ lớn cũng như độ lệch pha!

Chính là biểu diễn các tham số A, s và p trong công thức nói trên. Sau đó thông qua những cái “Scotch yoke” (cái này không biết phải dịch ra tiếng Việt thế nào) để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, kéo các ròng rọc chạy! Nguyên hệ ròng rọc chạy và kéo một sợi dây, sợi dây này kéo một cây bút trên bề mặt một băng giấy xoay tròn, vẽ thành đồ thị thay đổi lên xuống của thủy triều theo thời gian. Hàm tổng (thủy triều) được tổng hợp lại từ các hàm con đơn giản như thế! 150 năm trước người ta đã tìm cách phân tích và tổng hợp chính xác, 150 năm sau, chúng ta tổ chức giải đua ghe, nhưng rút cuộc không đua được vì còn phải chờ đến “giờ lành” để bắt đầu, đến “giờ lành” thì nước triều đã rút cạn chỉ tới đầu gối!

July 4th

Ngày 4 tháng 7 vừa qua là một ngày rất đặc biệt, trái đất ở xa mặt trời nhất trong năm, xa hơn khoảng 3% so với đường tròn lý thuyết, vì quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời là một hình tựa ellipse có 2 tâm! Điều này dẫn đến tác động của lực hấp dẫn của mặt trời lên thủy triều giảm xuống khoảng 5%, đồng thời trăng thượng huyền cũng là giai đoạn mà tác động của lực hấp dẫn của mặt trăng giảm thêm khoảng 8% nữa… Các kênh rạch, sông ngòi ở Sài Gòn, mực nước triều xuống ở mức thấp gần như suốt ngày, nhiều nơi cạn trơ đáy! Đến cỡ cuối năm sang đầu năm mới, trái đất quay đến vị trí gần mặt trời nhất nên sẽ xuất hiện triều cường, đặc biệt khi kết hợp với trăng non! Tính toán thủy triều không phải là một việc quá đơn giản…

Nói theo nghĩa rộng thì đó là một “phương trình” vô hạn tham số, nhưng thực tế trong thủy đạc, người ta chỉ dùng vài chục tham số chính (mặt trời, mặt trăng, etc…) để tính xấp xỉ thủy triều. Hình bên dưới: máy tính cơ học, dùng để tính thủy triều, chế tạo bởi William Thomson năm 1872 ở Anh, máy có 10 tham số. Nước và những con tàu, đó là những “chỗ đứng” vô cùng đặc biệt, đứng trên boong một con tàu, dù là một chiếc kayak bé xíu, hay là một chiếc tàu hàng trăm ngàn tấn, bạn có thể thấy được rất nhiều thứ: trên thì trông thiên văn, dưới thì nhìn địa lý, rộng thì thấy thế giới, hẹp thì thấy vùng miền, xa thì nhìn khắp lịch sử, gần thì tìm hiểu khoa học kỹ thuật, cao thì thấy dân trí, mà thấp thì nhìn rõ lòng người… :)

hq-954

Facebook nhắc lại ngày này năm trước, một thân tàu tuyệt đẹp, HQ-954, tàu cứu hộ của HQ VN, nếu là tàu buồm thì người ta sẽ nói đây là một kiểu “deep full keel”. Do công năng cứu hộ nên bắt buộc phải chịu được sóng to gió lớn, thiết kế phải làm đáy sâu xuống dưới, đổ chì, sắt, gang hay bê-tông cho nặng. Lượng tải giằng này có khi chiếm đến 40~50% toàn bộ tải trọng hữu ích của con tàu. Nếu nhìn mặt cắt chính sẽ thấy đáy tàu như một con lắc – pendulum và thân tàu uống như hình ly rượu – wineglass shape.

Nhà máy X51 – Hải Minh là nơi đóng và sửa những con tàu này! Mỗi lần chèo qua đây là thấy các con tàu được sửa chữa, lúc nào cũng sửa một cái gì đó, lúc nào cũng có việc làm…. Chủ yếu là ăn mòn và rỉ sét do thép vỏ tàu không đạt chất lượng. Đóng thì cũng đã đóng rồi, có thể áp dụng thêm kỹ thuật “Impressed current cathodic protection – ICCP”: chủ động áp một dòng điện nhỏ lên thân tàu để tăng cường bảo vệ, chống ăn mòn điện phân. Tuy nhiên kỹ thuật ICCP tương đối phức tạp và cần sự điều chỉnh chi ly…

green washing

Xanh – góc nhìn từ một con tàu… Nhiều người (trong đó có tôi) mơ về một con tàu xanh, sạch, tất cả đều chạy điện: êm ru, tiện lợi, sạch sẽ.. Nhưng bây giờ, ta thử làm một vài phép tính nhẩm để ước lượng số điện sử dụng trên một con tàu buồm nhỏ, giả sử như là một chiếc cỡ 30 feet – 4 tấn! Nếu là trên cạn, với điện gia dụng, bạn xài vài chục ký (kilowatt) mỗi ngày không phải là vấn đề gì lớn, nhưng điều đó không đúng trên một con tàu. Thử liệt kê một vài máy móc thiết yếu cần phải có, đầu tiên là một cái tủ lạnh nhỏ, loại 100 lít, chạy tiết kiệm nhất cũng hết 1 ký điện mỗi ngày. Tiếp theo là bếp từ, dùng ít nhất cũng 1 ~ 2 ký điện mỗi ngày, chưa kể còn phải có nồi cơm điện, lò vi sóng, máy xay sinh tố, máy giặt sấy, máy rửa chén, và vô số các loại máy móc gia dụng khó có thể thiếu khác.

Như thế trên một con tàu nhỏ, để sống cho có chút tiện nghi, bạn phải xài ít nhất 3 ký điện mỗi ngày, đó là chưa có quạt và máy lạnh nhé! Để có đủ điện xài cho một tuần thì phải có khối pin lithium cỡ: 3 x 7 = 21 kw, khối pin này nặng cỡ 120 ~ 140 kg. “Máy phát điện”, là cái alternator trong động cơ diesel, thực ra chỉ xài 5 ~ 10% công suất động cơ để phát điện mà thôi, giả sử như động cơ chính của con thuyền, bét nhất là 11 kw – 15 HP, thì phải chạy liên tục hơn 2 ~ 3 tuần mới sạc đầy được khối pin kia, đây là chuyện hoàn toàn không khả thi! Nên suy đi tính lại, bạn sẽ thấy cần phải có một cái máy phát điện chuyên dụng cho con tàu. Mà máy phát loại nhỏ gọn, chạy xăng tuy rẻ tiền nhưng không xài chung loại nhiên liệu với động cơ diesel, tức là phải đem theo 2 loại nhiên liệu khác nhau trên tàu!

Mà máy phát diesel loại chuyên dụng cho hàng hải, thì… còn mắc tiền hơn cả cái động cơ, cũng phải từ USD 3000 ~ 4000 trở lên, và mỗi cái nặng cỡ hơn 120 kg, như thế, máy phát điện + khối pin và các thiết bị có liên quan sẽ tăng thêm vài trăm kg cho tải trọng con tàu! Động cơ thì phải làm mát bằng nước, tức là phải có két nước làm mát, chứ giờ ít ai bơm trực tiếp nước biển vào nữa, nước không sạch gây ra tắc nghẽn, hao mòn. Vấn đề chưa dừng lại ở đó, động cơ diesel loại phổ biến chỉ có hiệu suất cỡ 40%, máy phát điện biến động năng thành điện năng có hiệu suất thực tế cỡ 80%, quá trình sạc và xả điện vào và ra cục pin chỉ đạt hiệu suất cỡ 95%, và dòng điện này cấp cho bếp từ để nấu ăn cũng chỉ đạt hiệu suất tối đa cỡ 70%! Làm thử một phép tính nhẩm: 0.4 x 0.8 x 0.95 x 0.7 ~ 0.21…

Hiệu suất toàn phần của quá trình chỉ đạt 21%, thực tế bạn sẽ không bao giờ đạt được con số này! Nếu ta đốt trực tiếp nhiên liệu diesel để nấu ăn (dùng các loại bếp pressurized stove) thì vẫn đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng ít nhất là gấp đôi con số đó, chỉ cần một cái lò đơn giản, không cần phải có máy phát, pin và hàng trăm kg thiết bị khác, chưa kể các vấn đề lắp đặt và chiếm dụng không gian, vốn đã rất chật hẹp trên một con tàu! Không có ý nói rằng tất cả những giải pháp kỹ thuật xanh đều vô dụng, nhưng trong nhiều không gian bài toán cụ thể (ví dụ như trên một con tàu), thì vấn đề “xanh” là… hoàn toàn tào lao như chúng ta đã thấy, cứ đốt trực tiếp nhiên liệu hóa thạch vẫn là giải pháp tối ưu nhất và những loại nói là “xanh” thực tế chỉ… green – washing mà thôi!

AI and boat design

Bữa đó, tôi hỏi AI: có thể thiết kế một thân thuyền buồm mà chiều cao thân bằng chiều rộng thân được hay không, vì sao!? Một câu hỏi mới nghe thì có vẻ rất “đơn giản” nhưng để trả lời nó thì lại không hề đơn giản chút nào! AI liền trả lời: nói chung là có thể, nhưng thường người ta không làm thế, sau đó AI liệt kê vô số thông tin đi kèm, loại thông tin dư thừa, vô bổ, hoàn toàn KHÔNG có cái nào giải thích được tại sao nên (hay không nên) làm như vậy! Đọc xong lời “giải thích” của nó là tôi biết AI không hề có tí suy luận logic nào, nó chỉ lặp lại như vẹt lời ai đó đã nói mà thôi!

Muốn trả lời được phải xây dựng mô hình tàu, tính toán thủy tĩnh, thủy động, hoặc ít nhất là tham khảo hàng trăm thiết kế tàu đã có sẵn để rút ra một thông tin nào đó. Cần phải đến các thư viện, bảo tàng, lục tìm các bản vẽ hàng trăm năm trước mới đưa ra được kết luận, mà những thông tin này không nằm trong Cơ sở dữ liệu của AI, các kiến thức vật lý, mô hình, suy luận toán học cũng không có trong AI. Nên, làm ơn, đừng “xưng tụng” là AI… có suy luận logic, chỉ có loại não phẳng không viết nổi câu văn đơn giản, không suy nghĩ được chuyện đơn giản, mới nói như thế!

uscgc mellon

Thế là Mỹ đã chuyển giao cho VN 3 con tàu Tuần duyên cũ, một chiếc hạ thủy năm… 1968, một chiếc hạ thủy năm 1969, và một chiếc năm 1972, như vậy 3 con tàu đó đã… 57, 56 và 53 tuổi, hai chiếc già hơn (USCGC Mellon và USCGC Morgenthau) thực sự đã từng tham chiến ở Việt Nam những năm 1968 ~ 1972! Theo các ước tính trong hàng hải, một con tàu đến 40 tuổi được xem là đã rất thành công, sau khi hạ thủy và đưa vào sử dụng khoảng 20 năm, sẽ có một lần “mid-life upgrade – nâng cấp giữa đời”!

Tức là được trông đợi là sẽ phục vụ tiếp nửa phần đời còn lại, thêm 20 năm nữa cho đủ 40 năm. Hơn 50 tuổi đối với một con tàu đã có thể xem là “cổ lai hy – xưa nay hiếm”, dù Nga có một con tàu đã 110 tuổi vẫn còn hoạt động trong biên chế, nhưng đây là ngoại lệ vô cùng hiếm hoi. Ở nhiều nơi khác thì những con tàu này đã bị biến thành… bia tập bắn từ lâu! Điều gì khiến cho những con tàu của họ 60 năm vẫn còn xài được, còn tàu chúng ta đóng ra mới chỉ có vài năm đã xập xệ, xuống cấp, liên tục sửa chữa!?

duy tân

Sau khi đội tàu của Đề đốc Matthew Perry đến Nhật Bản, trước một màn phô trương sức mạnh quá thuyết phục như vậy: những con tàu hơi nước hiện đại, những khẩu pháo Paixhans khổng lồ, chính quyền Tokugawa bị “thuyết phục” hoàn toàn và phải ký các hiệp ước mở cửa nước Nhật ra giao thương với thế giới sau hơn 200 năm khép kín. Matthew C. Perry là một người khéo léo, ông ta tặng người Nhật những khẩu súng lục Colt biệt danh: the peacemaker – người kiến tạo hòa bình, và cũng tặng kèm những động cơ hơi nước nhỏ mang tính trình diễn. Dù vẫn còn phải đánh nhau thêm vài trận nhỏ nữa (Boshin war) để dẹp hoàn toàn các thế lực cản đường trước khi chuyển sang thời Minh Trị duy tân, nhưng ngay lúc đó, người Nhật bắt tay vào những công việc cụ thể để canh tân đất nước.

Một trung tâm huấn luyện hàng hải được dựng lên bên cạnh Dejima, hòn đảo giao thương với người Hà Lan cũ, Tanaka Hisashige được giao nhiệm vụ phát triển các thiết bị điện tín (telegraph), công ty của ông ta sau về trở thành tập đoàn Toshiba lừng danh, và chỉ 2 năm sau thì họ chế tạo thành công động cơ hơi nước đầu tiên, tuy vẫn có một số khiếm khuyết nhưng chạy được. Về cái “nghi án” VN đã chế tạo thành công tàu thủy động cơ hơi nước dưới thời Nguyễn, tôi nghĩ cần phải nói thẳng đây là trò bịp bợm! Sự thực là nhà Nguyễn đã có mua vài chiếc tàu hơi nước nhỏ, nhưng mới dùng được thời gian thì hỏng, không tự sửa chữa được đành xếp xó! Ở VN cũng có người nhận rõ sự cần thiết phải Duy tân, ví dụ như Nguyễn Trường Tộ, ông ta… chăm chỉ viết điều trần gởi lên triều đình!

Tế cấp luận thâu tóm trí khôn của thiên hạ 500 năm nay… Tế cấp luận của tôi nếu đem ra thực hành hàng trăm năm cũng chưa hết… Nếu đọc kỹ Nguyễn Trường Tộ, ta sẽ thấy tư tưởng rõ ràng là có chút tiến bộ, nhưng lời văn vẫn kiểu mắc vào “cái tôi”, loay hoay không giải thích được Duy tân phải bắt đầu từ đâu! Quả thực như vậy, suốt cuộc đời ông ta chăm chỉ viết điều trần, viết đến gần 100 bản, nói thì dông dài quá nhiều nhưng chưa bao giờ thấy động tay chân làm điều gì! Có vẻ như là đã tận lực, đã cố hết sức rồi, nhưng toàn bộ những gì “làm” được chỉ là một mớ ngôn từ bùng nhùng, mơ hồ như thế! Như vậy phải coi lại sức khỏe thế chất, vật lý có vấn đề gì không, có bị khuyết tật chỗ nào hay không, chứ sao cái “dân tộc tính” đến tận ngày nay, mãi vẫn chỉ có nói mà không có làm như thế!?