Σκάφος αναψυχής, o γνωστός «άγνωστος» θαλασσινός μας φίλος
Ο γνωστός «άγνωστος» θαλασσινός μας φίλος
Του Ιάσονα Θαλασσινού
Δεν υπάρχει πιο χαρακτηριστική έκφραση για το ιστιοφόρο σκάφος από αυτή, που χρησιμοποιεί ο Pierre Gutelle στhν εισαγωγή του πολύ ενδιαφέροντος βιβλίου του με τίτλο The Design of Sailing Yachts: «Χωρίς αμφιβολία, η συμπεριφορά ενός ιστιοφόρου σκάφους είναι πιο πολύπλοκη από αυτήν οποιουδήποτε άλλου
ναυπηγήματος». Και βέβαια συμφωνούμε απόλυτα με τον χαρακτηρισμό του αυτόν.
Το σκάφος «λειτουργεί» συγχρόνως μέσα σε δύο διαφορετικά «υγρά» τον αέρα και το νερό, όπου το καθένα έχει τα δικά του ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και «καπρίτσια». Λόγω της ενέργειας των δύο στοιχείων, το κάθε σκάφος, ιστιοφόρο ή μηχανοκίνητο, ταξιδεύει επηρεαζόμενο από έξι διαφορετικές κινήσεις την ίδια στιγμή. Αυτές είναι η διατοίχιση (roll), η πρόνευση (pitch), η έκπτωση (yaw), η ταλάντωση πάνω-κάτω, δηλαδή το σκαμπανέβασμα (heave), η ταλάντωση δεξιά- αριστερά (sway) και τέλος η ταλάντωση μπρος-πίσω (surge). Οι τρεις πρώτες είναι κυκλικές ταλαντώσεις, ενώ οι υπόλοιπες γραμμικές, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Για την ελεύθερη κίνηση του σκάφους στο νερό, δηλαδή τις κυκλικές και γραμμικές ταλαντώσεις έχουμε ήδη αναφερθεί σε παλαιότερα άρθρα.
Για να καταλάβουμε πώς το σκάφος λειτουργεί μέσα στο φυσικό του στοιχείο και για να μπορέσουμε να συγκρίνουμε σκάφη μεταξύ τους, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε κάτι για τα συγκεκριμένο στοιχεία. Ο αέρας είναι και αυτός ένα υγρό και η ενέργεια, που οι μετεωρολογικές συνθήκες του μεταδίδουν (οι αέρηδες), αποτελούν την κινητήριο δύναμη, που κάνει το σκάφος να ταξιδεύει. Για τον ίδιο λόγο, οι αέρηδες είναι και η αιτία της δημιουργίας των κυμάτων, τα οποία επιβραδύνουν το ταξίδεμα.
Τα σκάφος, όταν ταξιδεύει, επιβραδύνεται από δύο τύπους κυμάτων, αυτά που δημιουργούνται από την κίνηση της γάστρας στο νερό και εκείνα, που οφείλονται στον αέρα. Αυτά τα δύο είδη κυμάτων είναι υπεύθυνα και για την απορρόφηση του μεγαλύτερου μέρους της κινητήριας δύναμης του σκάφους, δηλαδή της δύναμης, που προέρχεται από την επίδραση του αέρα στα πανιά. Μέσα σε ένα τέτοιο περίπλοκο σύστημα δεν είναι δυνατή μια ακριβής ανάλυση, αλλά αν απομονώσουμε μερικά από τα στοιχείο του συστήματος και τα εξετάσουμε μεμονωμένα, μπορούμε να καταλάβουμε καλύτερα πώς λειτουργούν, αλλά και να δούμε πιο καθαρά πώς επηρεάζουν το όλο σύστημα.
Φυσικά θαλάσσια κύματα
Εκείνο, που ο περισσότερος κόσμος πιστεύει είναι ότι, τα κύματα είναι η κίνηση του ίδιου του νερού. Στην πραγματικότητα τα κύματα δεν είναι τίποτα άλλο από μια «μετάφραση» ή «έκφραση» κίνησης στο νερό. Τα μόρια του νερού αποκτούν μια κυκλική ή τροχιακή κίνηση. Η διάμετρος της τροχιάς στην επιφάνεια είναι λίγο-πολύ ίση με το ύψος του κύματος ή της απόστασης h από την κορυφή μέχρι την κοιλιά του (σχήμα 2). Η τροχιακή κίνηση ελαττώνεται με το βάθος και εξαφανίζεται τελείως, σε βάθος ίσο με το μήκος κύματος L (σχήμα 2). Έτσι εξηγείται και tο γιατί τα υποβρύχια μπορούν να
παραμείνουν σταθερά σε σχετικά μικρό βάθος, ακόμα και σε περίπτωση, που στην επιφάνεια έχει φουρτούνα. Υπάρχουν μόνο δύο τύποι κίνησης της υγρής μάζας των κυμάτων και βέβαια oι δυο αυτοί τύποι επηρεάζουν το σκάφος. Ο πρώτος είναι η δημιουργία ρευμάτων επιφανείας, που οφείλεται στην τροχιακή κίνηση των μορίων του νερού. Στην κορυφή του κύματος, τα ρεύματα κινούνται προς την κατεύθυνση του κύματος, αλλά αλλάζουν
διεύθυνση στην κοιλιά (σχήμα 2). Σε μεγάλο κυματισμό, η αλλαγή αυτή είναι σημαντική. Ο δεύτερος τύπος κίνησης είναι το «σκάσιμο», που αναγκάζει έναν όγκο νερού να εκτοξεύεται από την κορυφή του κύματος. Αυτός ο όγκος κρύβει μια τεράστια κινητική ενέργεια, που πολλές φορές μπορεί να γίνει επικίνδυνη.
Ταχύτητα και κύματα που δημιουργούνται από τη γάστρα.
Όταν ένα σώμα κινείται στο νερό, δημιουργεί κύματα, καθώς ένα μέρας της
ενέργειας απορροφάται από το νερό. Όταν ένα σκάφος αρχίζει να κινείται σε ήρεμη θάλασσα, δημιουργείται μια σειρά από μικρά κύματα κατά μήκος του κύτους. Καθώς η ταχύτητα του σκάφους αυξάνει, η απόσταση L μεταξύ των δύο κορυφών, δηλαδή το μήκος κύματος, μεγαλώνει αντίστοιχα. Το ίδιο βέβαια συμβαίνει και με το ύψος του κύματος h. Όποιο και να είναι το ύψος και το μήκος του κύματος, αυτό «ταξιδεύει» με μια σταθερή σχετική
ταχύτητα ή «γρηγοράδα», που μπορεί να αποδοθεί με τον τύπο Cft/sec = √gLft/2π, όπου g = ειδικό βάρος και L = μήκος κύματος. Αυτό βέβαια μπορεί
να αποδοθεί ή καλύτερα να μεταφραστεί σε Vknots = 1,35√LWLft ή στο μετρικό σύστημα Vknots = 2,43√LWLm. Η σχέση αυτή μας επιτρέπει λοιπόν να
μετρήσουμε τη σχετική ταχύτητα ενός σώματος, που κινείται στο νερό, από την ταχύτητα των κυμάτων, που δημιουργεί.
Αυτή η σχετική ταχύτητα είναι μια έννοια βασικής σημασίας, όταν έχουμε να συγκρίνουμε σκάφη διαφορετικού μεγέθους. Πριν από 100 χρόνια περίπου, ο William Froude, ο πατέρας της σύγχρονης υδροδυναμικής των πλοίων, ανέπτυξε το νόμο σύγκρισης ταχυτήτων, βασισμένο sτην παραπάνω σχέση, ο οποίος είναι ευρύτερα γνωστός σαν Αριθμός Froude (Froude Number Fn). Στην πράξη έχει απλοποιηθεί και σήμερα εκφράζεται ως σχέση ταχύτητας μήκους (speed-length ratio). Καθώς το σκάφος επιταχύνεται, τα κύματα, που δημιουργεί στις πλευρές του απλώνονται. Κάποια στιγμή, η πλώρη βρίσκεται στην κορυφή του προηγούμενου κύματος και αυτή του επόμενου στην πρύμη, ενώ το υπόλοιπο βρίσκεται στα κοίλο. Σε αυτό το σημεία, η απόσταση μεταξύ των δύο κορυφών, δηλαδή το μήκος κύματος, είναι ίσο με την ίσαλο του σκάφους. Εκείνο, που παραστατικά μπορούμε να πούμε είναι ότι το σκάφος «άνοιξε» ένα λάκκο στο νερά, φτάνοντας αυτό, που είναι κοινώς γνωστό σαν μεγίστη ταχύτητα γάστρας στη συμβατική πλεύση για σκάφη εκτοπίσματος, όπως είναι τα ιστιοφόρα. Για να ξεφύγει το σκάφος από το «λάκκο» και να περάσει στο «πλανάρισμα», θα πρέπει να «σκαρφαλώσει» και να ξεπεράσει την κορυφή του κύματος της πλώρης του, αφήνοντας βέβαια πίσω και την κορυφή του κύματος της πρύμης. Αυτό, όπως είναι ευνόητο μπορεί να γίνει μόνο με ακόμα μεγαλύτερη δύναμη πρόωσης.
Το πλανάρισμα
Επειδή το ύψος του κύματος ή καλύτερα το βάθος του είναι συνάρτηση του εκτοπίσματος του σκάφους, η επιπλέον δύναμη, που χρειάζεται για να βγει το σκάφος από το «λάκκο» είναι και αυτή μια συνάρτηση του εκτοπίσματος. Όσο πιο βαρύ είναι το σκάφος, τόσο μεγαλύτερη δύναμη χρειάζεται για να βγει από το λάκκο, που το ίδιο δημιουργεί. Όταν το σκάφος αρχίζει την αναρρίχηση στο κύμα της πλώρης του, είναι η στιγμή, που περνά σε μια μεταβατική κατάσταση μεταξύ του εκτοπίσματος και του πλαναρίσματος. Η πλώρη
ανασηκώνεται στο κύμα της, η πρύμη πέφτει στο λάκκο και το σκάφος σχηματίζει μια γωνία. Στην κατάσταση αυτή τα μηχανοκίνητα συνήθως δεν έχουν καλό τιμόνεμα και μπορεί να στολάρουν.
Όπως είδαμε παραπάνω, η σχετική ταχύτητα του σκάφους σε συμβατική πλεύση, στο μετρικό σύστημα είναι συνάρτηση της ταχύτητας της πλεύσης και του μήκους της ισάλου του (Vknots = 2,43√LWLm). Ο συντελεστής 2,43 είναι
η σχετική λοιπόν ταχύτητα του σκάφους εκτοπίσματος και εκφράζεται με R, δηλαδή R = Vknots / √LWLm .Το R λοιπόν στα σκάφη εκτοπίσματος είναι 2,43. Αυτός ο συντελεστής μας επιτρέπει να κάνουμε σύγκριση σκαφών ίδιου τύπου, που όμως δεν έχουν το ίδιο μήκος. Στον πίνακα που ακολουθεί μπορούμε να δούμε χαρακτηριστικές τιμές της σχετικής ταχύτητας R, που μας επιτρέπει τη σύγκριση ομοειδών σκαφών.
1,62 Μικρά ιστιοφόρα κρουαζιέρας ή σκάφη μηχανοκίνητα βαρέος εκτοπίσματος.
2,16 Γρήγορα ιστιοφόρα και μηχανοκίνητα βαρέος εκτοπίσματος.
2,43 Θεωρητική ταχύτητα βαρέων ιστιοφόρων και μηχανοκίνητων εκτοπίσματος.
4,32 Μικρά ελαφρά ιστιοφόρα και dinghies, καθώς και σκάφη ημιεκτοπίσματος.
6,48 Αρχή του πλαναρίσματος και ταχύτητα ιστιοφόρων, όταν πλανάρουν στο κύμα.
13,5-16,2 Αγωνιστικά μηχανοκίνητα.
