Υδροδυναμική σκαφών μεγάλων ταχυτήτων – Μέρος β

Μια σύντομη προσέγγιση στην «γρήγορη» γάστρα βαθέος V

Του Μάκη Ματιάτου

ΜΕΡΟΣ B!

Η υδροδυναμική των μεγάλων ταχυτήτων αποτελεί ένα τεράστιο κεφάλαιο. Στο πρώτο μέρος του θέματος αυτού που δημοσιεύθηκε στο πρώτο μέρος είδαμε τις βασικές αρχές του πλαναρίσματος, αναλύοντας τις δυνάμεις οι οποίες εξασκούνται στη γάστρα. Στη δεύτερη συνέχεια θα ξεκινήσουμε με την ανάλυση των άλλων στοιχείων της ταχύπλοης γάστρας, που είναι τα spray rails, η κλιμακωτή γάστρα και τα flaps της πρύμης και θα δούμε δύο βασικά φαινόμενα της δυναμικής ευστάθειας.

Spray rails

Όπως είδαμε στο πρώτο μέρος, το βαθύ V της γάστρας είναι ιδανικό για την ευστάθεια πορείας και το ομαλό ταξίδεμα στο κύμα χωρίς χτυπήματα, δεν είναι όμως κατάλληλο για να ανασηκώσει το σκάφος και να το πλανάρει. Ένας τρόπος για να βελτιώσουμε τη δυνατότητα πλαναρίσματος είναι να προσθέσουμε spray rails κατά μήκος της γάστρας. Στο σχήμα 1 μπορούμε να δούμε μια χαρακτηριστική κάθετη τομή ενός spray rail. Τι κάνει όμως το spray rail; Καθώς η ροή του νερού «τρέχει» κατά μήκος των πλευρών της γάστρας, υποχρεώνεται από το spray rail να στραφεί όσο γίνεται προς τα κάτω, προσφέροντας επιπλέον δυναμική άντωση και ανασηκώνοντας το σκάφος.
Στο σημείο Α της τομής του σχήματός μας, όπου το νερό αποσπάται από τη γάστρα, το spray rail πρέπει να είναι όσο γίνεται πιο οξύ, ενώ αντίθετα στο σημείο Β πρέπει να έρχεται γλυκά και να γίνεται ένα με το σκάφος.
Για να αποφύγουμε τις επιπλέον τριβές και αντιστάσεις γενικότερα, όταν το spray rail δεν δουλεύει στις χαμηλές ταχύτητες, δημιουργούμε μια ομαλή κούρμπα, που να το δένει με τη γάστρα. Τα spray rails είναι περισσότερο χρήσιμα από την πλώρη μέχρι το μέσον του σκάφους, όπου και μπορούν να «σβήσουν». Από το μέσον του σκάφους και πρύμα η ροή είναι γενικά παράλληλη με τη γάστρα, άρα τα spray rails δεν προσφέρουν τίποτε περισσότερο και δημιουργούν αντιστάσεις. Πολλές φορές όμως συνεχίζονται προς τα πρύμα, λειτουργώντας κυρίως σαν αντιδιατοιχιστικά πτερύγια. Γενικά μπορούμε να πούμε πως τα spray rails θα πρέπει να ξεκινούν γλυκά από πλώρα χωρίς έντονα τα χαρακτηριστικά τους, τα οποία θα πρέπει να εντείνονται προς το μέσον του σκάφους. Αυτό είναι απαραίτητο για τον εξής λόγο: Αν δημιουργηθεί μεγάλη δυναμική άντωση στην πλώρη, όταν το σκάφος πέφτει πάνω στο κύμα επιταχύνεται, μειώνοντας την επίδραση του V της γάστρας, άρα χάνοντας την ευστάθεια πορείας. Έτσι, κοντά στην πλώρη, το σχήμα θα πρέπει να είναι μικρότερο και να βλέπει προς τα πάνω αντί προς τα κάτω.

Κλιμακωτή γάστρα

Οι κλιμακωτές γάστρες δεν είναι κάτι νέο και χρησιμοποιούνται εδώ και πολλά χρόνια για να δώσουν μεγαλύτερες επιδόσεις σε ταχύτητα. Το πρώτο σκάφος με τέτοια γάστρα ήταν το Maple Leaf, ναυπηγημένο από ξύλο το 1912. Ο λόγος που η κλιμακωτή γάστρα (stepped hull) προσφέρει μεγαλύτερες επιδόσεις είναι γιατί η βρεχάμενη επιφάνεια χωρίζεται σε δύο ή περισσότερα τμήματα, τα οποία διαθέτουν μεγαλύτερο πλάτος σε σχέση με το μήκος τους.
Όπως είδαμε στο πρώτο μέρος του θέματος, το ανασήκωμα του σκάφους είναι μεγαλύτερο στα σκάφη με μικρή σχέση μήκους/πλάτους. Η δημιουργία της επιπλέον άντωσης μας δίνει τη δυνατότητα να μειώσουμε το σύνολο της βρεχάμενης επιφάνειας της γάστρας, πράγμα που σημαίνει μικρότερη αντίσταση τριβής.

Ας παρατηρήσουμε ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα κλιμακωτής γάστρας στο σχήμα 2. Όπως βλέπουμε, η κάθε περιοχή πρύμα από κάθε σκαλοπάτι πρέπει να επιτρέπει στον αέρα να διαφεύγει, άρα ο αέρας θα πρέπει να μπορεί να εισέρχεται σε ικανοποιητική ποσότητα. Συνήθως, αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα, γιατί η πίεση είναι αρκετά χαμηλή, το πρόβλημα όμως είναι η αδιάκοπη παροχή αέρα στην περιοχή, καθώς η ροή του νερού διώχνει τον αέρα πίσω από κάθε σκαλοπάτι. Αυτό επιτυγχάνεται με την επέκταση του κάθε σκαλοπατιού προς τις μπάντες. Η αρχή αυτή της διοχέτευσης του αέρα προς τις πλευρές μπορεί μερικές φορές να είναι αναποτελεσματική, γιατί η έξοδος μπλοκάρεται προσωρινά αλλά και στιγμιαία από τα κύματα. Χωρίς την έξοδο του αέρα δεν έχουμε είσοδο, άρα χάνεται η ροή του αέρα, που σαν συνέπεια έχει τη δημιουργία μιας οπισθέλκουσας, η οποία αυξάνει την αντίσταση και στολάρει το σκάφος. Η απότομη αυτή μείωση της ταχύτητας (σε υψηλές ταχύτητες) μπορεί να προκαλέσει ακόμα και ατύχημα στο μέλος του πληρώματος που δεν κρατιέται καλά. Επίσης, αν η παροχή αέρα διακοπεί απότομα από τη μια πλευρά, όπως είναι φυσικό το σκάφος στρέφεται απότομα (όπως το αυτοκίνητο που τα φρένα πιάνουν από τη μία πλευρά μόνο) και σε ακραία περίπτωση μπορεί να αναποδογυρίσει. Την περίπτωση της παροχής αλλά και της απρόσκοπτης ροής του αέρα μπορούμε να ξεπεράσουμε με ανοίγματα αρκετά πάνω από την επιφάνεια της ισάλου αλλά και με τούνελ από το επίπεδο του καταστρώματος. ?λλος ένας πρακτικός τρόπος είναι η διοχέτευση της εξαγωγής του κινητήρα από ένα σκαλοπάτι. Με τη μέθοδο αυτή τα καυσαέρια του κινητήρα φεύγουν με την αναρρόφηση, βελτιώνοντας την απόδοση της μηχανής. Καθώς η επιπλέον άντωση επιμερίζεται σε πολλές επιφάνειες κατά μήκος της γάστρας, η διαμήκης ευστάθεια του σκάφους αυξάνει εντυπωσιακά, πράγμα που δυσχεραίνει το τριμάρισμα πλώρα-πρύμα άρα και το κατέβασμα της πλώρης. Αυτό βέβαια δεν αποτελεί πρόβλημα στην μπουνάτσα, αλλά στην τρικυμία η γάστρα τείνει να ακολουθεί την καμπύλη των κυμάτων. Σκάφη μεσαίου μεγέθους μπορεί να αποκτήσουν μια τάση να χτυπούν δυνατά στο επερχόμενο κύμα, κάνοντας το ταξίδεμα αρκετά δυσάρεστο, σε αντίθεση με τα μικρότερα σκάφη, που τείνουν να πηδούν από κύμα σε κύμα. Μια άλλη επίδραση της κλιμακωτής γάστρας με τα διαφορετικά επίπεδα της άντωσης είναι πως η εγκάρσια ευστάθεια δεν επηρεάζεται. Το σκάφος ταξιδεύει ψηλά, με ελάχιστη βρεχάμενη επιφάνεια, πράγμα που επιτρέπει σχεδιαστικά την αεροδυναμική εκμετάλλευση των εξάλων και της υπερκατασκευής για ακόμα μεγαλύτερη εγκάρσια ευστάθεια και ευστάθεια πορείας.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι και η γάστρα “Air Step” του Flyer 750 που φαίνεται και στις αντίστοιχες φωτογραφίες. Τα κύρια δεδομένα της, όπως είπαμε και παραπάνω, είναι οι μεγαλύτερες επιδόσεις σε ταχύτητα με μικρότερες ιπποδυνάμεις, πιο γρήγορο και εύκολο πλανάρισμα, μεγάλη οικονομία σε καύσιμα, μεγάλη ευστάθεια πορείας και ευκολία στο τιμόνεμα, ομαλή και χωρίς χτυπήματα πλεύση, μεγαλύτερη ευστάθεια στις στροφές.

Flaps (trim tabs)

Όπως ξέρουμε, τα flaps στην πρύμη βοηθούν στο τριμάρισμα του σκάφους και τον έλεγχο του ανασηκώματος της πλώρης, αλλάζοντας και ρυθμίζοντας, στην ουσία το κέντρο βάρους. Τα flaps επίσης χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν το τριμάρισμα του σκάφους, όταν ταξιδεύει σε χαμηλές ταχύτητες λόγω περιορισμένου χώρου ή όταν επιταχύνεται. Η χρήση τους μειώνει την κατανάλωση με τον περιορισμό των αντιστάσεων, όπως και τη δημιουργία απόνερων, που είναι σημαντικά πολλά σε χαμηλές ταχύτητες. Τα flaps επίσης βοηθούν στη βελτίωση της πλεύσης, μειώνοντας το χτύπημα.

Δυναμική ευστάθεια

Δύο είναι τα πλέον βασικά φαινόμενα της δυναμικής ευστάθειας για την ταχύπλοη γάστρα. Το πρώτο οφείλεται στη μεγάλη φυγόκεντρο δύναμη, που δημιουργείται όταν το σκάφος αλλάζει πορεία ή κάνει ελιγμούς με μεγάλη ταχύτητα. Το δεύτερο οφείλεται στις δυνάμεις που δημιουργούνται από την αναρρόφηση λόγω του σχήματος (κυρτότητα) κοντά στα chines, στις δύο πλευρές των υφάλων. Ας δούμε αυτά τα δύο τόσο ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Φαινόμενο Α: Όταν δώσουμε κάποια γωνία κλίσης στο τιμόνι, δημιουργείται μια πλάγια δύναμη, που κάνει το σκάφος να στραφεί. Η κλίση του πηδαλίου στρέφει το σκάφος προς μια άλλη κατεύθυνση καθώς η δύναμη αυτή εξασκείται πρύμα από το κέντρο βάρους. Μετά από λίγο, το σκάφος έχει πάρει μια εγκάρσια κλίση, η οποία οφείλεται σε μια πλευρική δύναμη αντίστασης (κυρίως στο τμήμα της γάστρας από την πλώρη μέχρι το μέσον) στη δύναμη που εξασκείται στο πηδάλιο. Τώρα η διεύθυνση της κίνησης αρχίζει να αλλάζει, έχοντας μπει το σκάφος σε κάποια τροχιά. Μια φυγόκεντρος δύναμη έχει αρχίσει να σχηματίζεται με κατεύθυνση προς τα έξω, στην ίδια κατεύθυνση με τη δύναμη που εξασκείται στο πηδάλιο, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Όπως βλέπουμε στο σχήμα μας, η δύναμη πίεσης που κάνει το σκάφος να φεύγει προς τα έξω είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη προς τα μέσα. Η διαφορά τους στις οριζόντιες συνιστώσες τους είναι η πλευρική δύναμη, που προαναφέραμε. Υπάρχει όμως επίσης μια κάθετη συνιστώσα, μεγαλύτερη προς την εξωτερική πλευρά, με την οποία η συνισταμένη δύναμη πίεσης δημιουργεί μια ροπή γύρω από το κέντρο βάρους, που τείνει να γείρει το σκάφος προς την εσωτερική πλευρά, δηλαδή την πλευρά της στροφής.
Η ροπή αυτή ενισχύεται από τη γωνία κλίσης του πηδαλίου και την πλευρική δύναμη, που εξασκείται πάνω του. Αν πάρουμε το κέντρο βάρους σαν την αρχή της ροπής σημαίνει πως ούτε η βαρύτητα, αλλά ούτε η φυγόκεντρος συνεισφέρουν, άρα το αποτέλεσμα είναι κάποια ροπή που θα κάνει το σκάφος να πάρει κλίση προς τα μέσα. Αν το κέντρο βάρους μεταφερθεί πιο ψηλά, η συνισταμένη δύναμη πίεσης στη γάστρα σύντομα θα περάσει από το σημείο εφαρμογής του, δημιουργώντας μια ροπή στρέψης. ΣΆ αυτό το σημείο, η πλευρική δύναμη στο πηδάλιο εξακολουθεί να κάνει το σκάφος να γέρνει προς τα μέσα, αλλά αν το κέντρο βάρους ανέβει ψηλότερα, η πίεση στη γάστρα θα δώσει κάποια κλίση προς τα έξω. Σε κάποιο σημείο η ροπή από το σύνολο των δυνάμεων, που εξασκούνται θα εξισορροπήσει τη ροπή του πηδαλίου. Είναι το σημείο, που το σκάφος δεν έχει καθόλου κλίση. Οποιαδήποτε μεταβολή στη θέση του κέντρου βάρους θα επηρεάσει την ισορροπία. Αν το κέντρο βάρους του σκάφους ανέβει λίγο, το σκάφος θα γείρει προς τα έξω. Από τα παραπάνω -δύσκολα στην κατανόησή τους από μη έμπειρους στη θεωρία- μπορούμε να βγάλουμε ένα γενικό συμπέρασμα. Το αν το σκάφος θα γείρει προς τα μέσα ή προς τα έξω εξαρτάται από το ύψος του κέντρου βάρους. Τα περισσότερα σκάφη πλαναρίσματος έχουν το κέντρο βάρους αρκετά χαμηλά για να γέρνουν προς τα μέσα, αλλά τα σκάφη κρουαζιέρας με αρκετά έξαλα και υπερκατασκευές, όπως είναι τα flybridge cruisers, μπορεί να έχουν το κέντρο βάρους πολύ υψηλά και να παίρνουν κλίση προς τα έξω, μερικές φορές πολύ επικίνδυνα με κλειστές στροφές σε θαλασσοταραχή. Στα σκάφη εκτοπίσματος οι πλευρικές δυνάμεις πίεσης και από τις δύο πλευρές οφείλονται σχεδόν αποκλειστικά στην πλευστότητα της γάστρας και ως εκ τούτου τείνουν να γέρνουν προς τα έξω.

Φαινόμενο Β: Το φαινόμενο αυτό, όπως είπαμε, οφείλεται στην κυρτότητα των βρεχάμενων επιφανειών της γάστρας. Καθώς η ροή του νερού περνάει από τις κυρτές επιφάνειες η πίεση μειώνεται. Όσο πιο μεγάλη είναι η κούρμπα στους γοφούς (πρυμιό τμήμα της γάστρας), τόσο πιο πολύ μειώνεται η πίεση. Αν οι γοφοί είναι πολύ κουρμπαρισμένοι κοντά στα chines, δημιουργείται μια αναρρόφηση. Βέβαια, όταν το σκάφος ταξιδεύει όρθιο, η επίδραση από τις δύο μπάντες εξισορροπείται, αλλά αν πάρει κάποια μικρή κλίση, η πλευρά που είναι περισσότερο βυθισμένη στο νερό δημιουργεί μεγαλύτερη αναρρόφηση. Όσο αυξάνει η κλίση, τόσο αυξάνει και η αναρρόφηση, δημιουργώντας κάποια αστάθεια. Το γέρσιμο του σκάφους συνεχίζεται μέχρις ότου (ευτυχώς) η στατική ροπή επαναφοράς γίνει αρκετά μεγάλη για να εξισορροπήσει και να ξεπεράσει τη ροπή κλίσης. Το φαινόμενο αυτό, εκτός από το να δημιουργεί μεγάλο μπότζι στο ταξίδεμα, πράγμα δυσάρεστο στους επιβαίνοντες, σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσει και στο αναποδογύρισμα του σκάφους, από την ταλάντωση. Συνήθως οι γοφοί των σκαφών σχεδιάζονται με όσο γίνεται πιο ευθείες γραμμές, στο μέσον και στην πλώρη όμως δύσκολα μπορούμε να αποφύγουμε τις κούρμπες. Το πρόβλημα λοιπόν παρουσιάζεται όταν το τριμάρισμα, με τη βοήθεια των flaps είναι πολύ μικρό και το πλωριό μισό τμήμα του σκάφους «πέφτει» στο νερό με μεγάλη ταχύτητα.

Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παρουσιαστεί όταν:
• Το σκάφος είναι υπερφορτωμένο.
• Το φορτίο βρίσκεται πολύ πλώρα.
• Η ισχύς των κινητήρων αυξηθεί απότομα, χωρίς να μεταφέρουμε κάποια φορτία από πλώρα πρύμα, μετατοπίζοντας το κέντρο βάρους πιο πρύμα.
• Τα flaps δημιουργούν απότομη μεταβολή όταν κατεβάζουμε την πλώρη.
Από τα παραπάνω μπορούμε να δούμε πόσο σημαντική είναι η σωστή χρήση και λειτουργία των trim tabs.

Υδροδυναμική σκαφών μεγάλων ταχυτήτων – Μέρος α

Μια σύντομη προσέγγιση στη «γρήγορη» γάστρα βαθέoς V

Του Μάκη Ματιάτου

Μέρος Α!

Η υδροδυναμική μεγάλων ταχυτήτων είναι ένα θέμα που ενδιαφέρει τους φίλους του ταχύπλοου μηχανοκίνητου σκάφους. Στην πράξη όλοι μας έχουμε την εμπειρία της συμπεριφοράς σκαφών επιδόσεων, όμως τα στοιχεία που συντελούν στη όποια συμπεριφορά του σκάφους κατά το πλανάρισμα δεν είναι τόσο γνωστά. Μια σύντομη προσέγγιση θα μας διαφωτίσει σε πολλά σημεία που μέχρι σήμερα ήταν κάπως ομιχλώδη.

γαστρα

Η υδροδυναμική των μεγάλων ταχυτήτων είναι ένα τεράστιο κεφάλαιο, γιΆ αυτό στο θέμα μας θα ασχοληθούμε μόνο με μερικά στοιχεία της: με το πλανάρισμα του σκάφους, το deadrise γάστρας βαθέoς V και τις δυνάμεις που ενεργούν πάνω της, τα spray rails -τα σκαλοπάτια της κλιμακωτής γάστρας ή stepped bottom hull όπως είναι περισσότερο γνωστά- και τη δυναμική ευστάθεια του σκάφους όταν αυτό πλανάρει. Το θέμα μας αυτό θα προσπαθήσουμε να αποδώσουμε σε δύο μέρη με απλές έννοιες και όρους, όσο πιο εκλαϊκευμένα και απλοποιημένα γίνεται για τους φίλους μας που δεν έχουν βαθιές τεχνικές γνώσεις. Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή.

Η γεωμετρία του μηχανοκίνητου σκάφους που πλανάρει, δεν διαφέρει σε τίποτε από αυτή του ιστιοφόρου. Το εκτόπισμα των σκαφών όλων των τύπων, σε σχέση με τη στατική και δυναμική ευστάθεια υπολογίζεται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, ακόμα και ως προς τη ροή του νερού στη γάστρα αλλά και ως προς την αντίσταση του κύματος. Θα προσπαθήσουμε, λοιπόν, να αναλύσουμε τις ιδιαιτερότητες του μηχανοκίνητου σκάφους και να εξηγήσουμε πώς πλανάρει.

Σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη, η πλευστότητα ενός σώματος μερικώς ή ολικώς βυθισμένου σε κάποιο υγρό είναι ίση με το βάρος του υγρού που εκτοπίζει. Η πλευστότητα αυτή οφείλεται στην υδροστατική πίεση του υγρού, μέσα στο οποίο βρίσκεται το σώμα. Όταν το σκάφος, για παράδειγμα, βρίσκεται σε ακινησία (ταχύτητα μηδέν), η υδροστατική αυτή δύναμη είναι εκείνη που εξισορροπεί ακριβώς το σκάφος που πλέει στο νερό. Μόλις το σκάφος αρχίσει να κινείται, η γάστρα κάνει να κινηθούν τα μόρια του νερού που το περιβάλλουν, εξασκώντας δύναμη στο καθένα. Η ίδια δύναμη, αυτή τη φορά όμως αντίθετη, εξασκείται από τα μόρια του νερού στο κύτος. Αυτή η δύναμη ανά μονάδα επιφανείας, πάνω στην οποία εξασκείται, μπορεί να χαρακτηριστεί ως η υδροδυναμική πίεση, στην οποία οφείλεται η αντίσταση της τριβής (κατά κύριο λόγο) και του κύματος. Οι δύο αυτές συνιστώσες δυνάμεις αντίστασης δημιουργούνται από τη διαμήκη (οριζόντια) συνιστώσα της πίεσης στην επιφάνεια των υφάλων του σκάφους (κύρια αντίσταση). Η άλλη συνιστώσα, κατά την κατακόρυφη έννοια αυτή τη φορά, είναι η υδροδυναμική πίεση που κάνει το σκάφος να βυθίζεται ή να ανασηκώνεται, δηλαδή να τριμάρεται πλώρα-πρύμα, και λέγεται δυναμική άντωση. Στις μεγάλες ταχύτητες αυτή η κάθετη δύναμη πίεσης μπορεί να υπερβεί μερικές φορές κατά πολύ τη δύναμη της στατικής άντωσης (που κάνει το σκάφος να πλέει), ανασηκώνοντας το σκάφος τελείως από την επιφάνεια του νερού. Το σκάφος που κυρίως στηρίζεται στην υδροδυναμική πίεση ή δυναμική άντωση για να ταξιδέψει, θεωρείται ελαφρού εκτοπίσματος ή πλαναρίσματος.

Η βασική αρχή του πλαναρίσματος μπορεί να γίνει περισσότερο κατανοητή στο σχήμα 1, που δείχνει τη ροή κάτω από ένα σχεδόν επίπεδο τμήμα της γάστρας, καθώς το σκάφος ταξιδεύει πλαναρισμένο στην επιφάνεια του νερού. Ας παρακολουθήσουμε τη ροή του νερού με τα βέλη. Όπως βλέπουμε, η ροή πέφτει κάθετα πάνω σε κάποιο σημείο της γάστρας. Είναι ένα σημείο όπου δεν υπάρχει ροή (εφόσον το νερό πέφτει κάθετα πάνω στο σημείο). Στο σημείο αυτό όπου το νερό πέφτει κάθετα και λιμνάζει (stagnation point), η ροή χωρίζεται σε δύο μέρη, το ένα προς πρύμα και το άλλο προς την πλώρη. Στο «νεκρό» αυτό σημείο, η υδροδυναμική πίεση είναι πολύ υψηλή, καθώς δεν υπάρχει ροή και όλη η κινητική ενέργεια έχει μετατραπεί σε πίεση. Πλώρα και πρύμα από το σημείο αυτό η πίεση σταδιακά μηδενίζεται στο τέλος της πρύμης καθώς επίσης και προς την πλώρη, όταν η ροή γίνεται παράλληλη ως προς τη γραμμή της γάστρας. Πιο πλώρα, το λεπτό στρώμα της ροής διασπάται σε μικρά σωματίδια με τη μορφή σπρέι, που πέφτει στην επιφάνεια του νερού. Η υψηλή πίεση δημιουργεί μία δύναμη κάθετη στο επίπεδο της γάστρας, δηλαδή μία δύναμη Fn που κλίνει προς την πρύμη, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Ας παρακολουθήσουμε όμως τι ακριβώς συμβαίνει, στο σχήμα 2. Εκτός από την Fn έχουμε έναν ακόμα συνδυασμό δυνάμεων που εξασκούνται στο επίπεδο της γάστρας. Η υψηλή πίεση δημιουργεί μία δύναμη, την Flr που «γέρνει» πρύμα και είναι η συνισταμένη των Fn και Ff εκ των οποίων η Ff είναι η αντίσταση τριβής στο σημείο πρόσπτωσης της ροής. Η Flr είναι η συνισταμένη δύο βασικών δυνάμεων, της Fl και της Fr. Η Fl είναι η δυναμική άντωση, που εξασκείται για να ισορροπήσει το βάρος του σκάφους, ενώ η Fr είναι η κυρίως αντίσταση, κυρίως η αντίσταση τριβής του κύματος. Στο σχήμα μας παρατηρούμε ότι η Fn είναι ένας συνδυασμός υδροστατικών και υδροδυναμικών δυνάμεων, λόγω της στατικής και δυναμικής άντωσης.

Το deadrise

Μια επίπεδη επιφάνεια, που υδρολισθαίνει στην επιφάνεια του νερού είναι το ιδανικό παράδειγμα για να κατανοήσουμε τις αρχές του πλαναρίσματος. Οι ιστιοσανίδες και τα πέδιλα του σκι είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα, τι συμβαίνει όμως με το μηχανοκίνητο σκάφος, που πλανάρει; Η γάστρα του σκάφους έχει απαραίτητα κάποια τμήματα σχήματος V, το λεγόμενο deadrise, που δίνει την ευστάθεια πορείας, περιορίζοντας την πλαγιολίσθηση. Μια τελείως επίπεδη γάστρα δεν θα μπορούσε να ταξιδέψει ομαλά, χωρίς κραδασμούς αλλά και με ασφάλεια. Ο συνδυασμός επίπεδων ή σχεδόν επίπεδων επιφανειών και τμημάτων σχήματος V έχει αποδειχτεί ο πλέον ιδανικός, παρόλο που το V μειώνει τη δυναμική άντωση. Σαν αντιστάθμισμα, οι γάστρες σχεδιάζονται με μεγαλύτερη επιφάνεια υφάλων και φυσικά χρειάζονται μεγαλύτερη γωνία κλίσης, που και τα δύο αυξάνουν την αντίσταση. Ο λόγος που το deadrise μειώνει τη δυναμική άντωση, είναι γιατί το νερό που πέφτει στη γάστρα εξοστρακίζεται στις πλευρές. Όπως είδαμε παραπάνω, η υδροδυναμική πίεση που ανασηκώνει το σκάφος, οφείλεται στις δυνάμεις αντίδρασης από τα μόρια του νερού, που υποχρεώνονται να αλλάξουν κατεύθυνση, όταν πλησιάσουν στα ύφαλα του σκάφους. Για μια επίπεδη επιφάνεια, η αλλαγή κατεύθυνσης είναι σχεδόν 180ο, στο τμήμα της ροής πριν από το stagnation point (σημείο κάθετης πρόσπτωσης της ροής) όπως φαίνεται στο σχήμα 1, δημιουργώντας υψηλή πίεση. Αν τώρα η ροή διοχετεύεται προς τις πλευρές (σχήμα γάστρας βαθέoς V), η αλλαγή κατεύθυνσης των μορίων του νερού είναι κατά πολύ μικρότερη, άρα η δύναμη αντίδρασης είναι μικρότερη, άρα η υδροδυναμική πίεση δεν φτάνει τις αντίστοιχες τιμές και επίσης παρουσιάζει μία «άχρηστη» κλίση προς το κέντρο της γάστρας, όπως μπορούμε να δούμε στα σχήματα 3α και 3β. Το σπρέι που δημιουργείται από μία γάστρα V συνήθως αυξάνει την αντίσταση, αφού το περισσότερο διοχετεύεται πρύμα. Είπαμε όμως, η γάστρα V έχει πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα, που αν τα ζυγίσουμε υπερτερούν τα πρώτα.

Δυνάμεις που εξασκούνται πάνω στη γάστρα

Αναγκαστικά θα μπούμε τώρα σε κάπως πιο δυσνόητα σημεία ναυπηγικής και σχεδίασης, τα οποία όμως θα προσπαθήσουμε να παρουσιάσουμε όσο γίνεται πιο απλοποιημένα. Ας πάμε στο σχήμα 4 να τα δούμε πιο αναλυτικά. Στο σχήμα μας έχουμε ένα σκάφος πλαναρίσματος, με όλες τις δυνάμεις που εξασκούνται πάνω του. Η Fn είναι η γνωστή μας δύναμη των υδροστατικών και υδροδυναμικών πιέσεων, που συναντήσαμε στα σχήματα 1 και 2 ενώ η Rf είναι η αντίσταση τριβής της γάστρας. Υπάρχει ακόμα η δύναμη Τ, που είναι η ωστική δύναμη της προπέλας, καθώς και η Ra που είναι η αντίσταση τριβής από το ποδάρι της μηχανής. Το βάρος του σκάφους παρίσταται με mg και εξασκείται κάθετα, περνώντας από το σημείο G που είναι το κέντρο βάρους του σκάφους. Αν παρατηρήσουμε τις δυνάμεις αυτές θα δούμε πως οι Fn, Rf και Ra, με αντίστοιχους μοχλοβραχίονες e, ff και fa, δημιουργούν ροπές, που τείνουν να κατεβάσουν την πλώρη. Αντίθετα, η ωστική δύναμη της προπέλας Τ τείνει να ανασηκώσει την πλώρη. Το σκάφος λοιπόν καταλήγει να πλέει υπό μία γωνία τα, όταν οι δύο ροπές ακυρώνουν η μία την άλλη. Αν, για παράδειγμα, εξασκήσουμε μία ροπή για να κατεβάσουμε την πλώρη μας, διαταράσσοντας την ισορροπία του σκάφους, η νέα μικρότερη γωνία τριμαρίσματος σημαίνει πως η υδροδυναμική πίεση έχει μειωθεί, η βρεχάμενη επιφάνεια της γάστρα έχει αυξηθεί και η δυναμική άντωση είναι ακόμα αρκετά μεγάλη. Αν η δυναμική άντωση δεν είναι αρκετή, το σκάφος θα βυθισθεί ακόμα περισσότερο στο νερό, μέχρις ότου η στατική άντωση το κάνει να πλεύσει στη φυσική του ίσαλο. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχει σημαντική αύξηση της αντίστασης τριβής, που υπερτερεί του πλεονεκτήματος της δυναμικής άντωσης και της δύναμης Fn. Η κατάσταση αυτή εμφανίζεται, όταν το κέντρο βάρους του σκάφους βρίσκεται πολύ πλώρα και όπως πολύ καλά ξέρουμε, για να ανασηκωθεί η πλώρη και να πλανάρει εύκολα το σκάφος, καθόμαστε πρύμα, για να μετατοπίσουμε το κέντρο βάρους του σκάφους πιο πρύμα.

Αν τώρα το κέντρο βάρους του σκάφους βρίσκεται πολύ πρύμα, δεν μπορούμε να πούμε πως οι συνθήκες βελτιώνονται. Βέβαια, αυξάνεται η γωνία του τριμαρίσματος, άρα αυξάνεται και η πίεση σε συνδυασμό με τη μείωση της βρεχάμενης επιφάνειας της γάστρας, που κάνει το σκάφος να ταξιδέψει πιο ψηλά, πράγμα που επιθυμούμε για να μειώσουμε τις τριβές. Το μειονέκτημα της κατάστασης αυτής είναι ότι η συνιστώσα δύναμη αντίστασης Fr της Fn αποκτά μεγαλύτερη τιμή, που έχει σαν αποτέλεσμα την υπερβολική αύξηση της αντίστασης. Όταν το κέντρο βάρους βρίσκεται πολύ πρύμα, συχνά εμφανίζεται κάποια αστάθεια. Αυξάνοντας τη γωνία τριμαρίσματος η δύναμη Fn μεταφέρεται επίσης πολύ πρύμα, προκαλώντας μία ροπή που κατεβάζει την πλώρη, κάνοντας το σκάφος να σκαμπανεβάζει και να κτυπάει στο κύμα (δελφίνισμα).

Από τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε πως η σχεδίαση του σκάφους πλαναρίσματος δεν είναι μια τυπική διαδικασία. Η επιτυχία είναι να σχεδιαστεί μία γάστρα, που να μπορεί να ισορροπεί σε μια λογική γωνία τριμαρίσματος καθώς και να διαθέτει τα θετικά εκείνα στοιχεία, που να κάνουν εύκολο το πλανάρισμα.

Στο επόμενο τεύχος Μαρτίου 2006 θα δούμε με λεπτομέρειες το σχήμα της γάστρας, καθώς και αυτά που την κάνουν λειτουργική και καλοτάξιδη, δηλαδή τα chines (πολλοί επιμένουν λανθασμένα να τα λένε παρατροπίδια αντί αναβαθμίδες, όπως είναι η σωστή ορολογία, παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιούμε περισσότερο τον αγγλικό όρο chine), τα spray rails και τα έξυπνα κλιμακωτά επίπεδα της γάστρας (stepped hull), που κάνουν τη μεγάλη διαφορά στο ταξίδι.

Close