Εγκάρσια ευστάθεια σχήματος & βάρους
Τα σκάφη και τα μυστικά τουςΟι δυο παράγοντες που καθορίζουν την ευστάθεια του ιστιοφόρου
Του Ιάσονα Θαλασσινού
Το ιστιοφόρο σκάφος το αγαπάς ή το μισείς από την πρώτη σου κιόλας
εμπειρία, αν κατορθώσεις να ξεπεράσεις το φόβο του κουπασταρίσματος. Και όμως, το ιστιοφόρο θεωρείται το ασφαλέστερο μέσον για ταξίδεμα με κακοκαιρία. Μπορεί να υπάρχει απαγορευτικό για τα μεγάλα ακτοπλοϊκά
σκάφη, δεν ισχύει όμως για τα ιστιοφόρα.
Και μόνο το ό,τι δεν ισχύει το απαγορευτικό στα ιστιοφόρα θα πρέπει να λέει κάτι στους νεοφερμένους στην ιστιοπλοΐα, γιατί οι πλέον έμπειροι ξέρουν και έχουν δοκιμάσει. Τα πάντα βασίζονται στην εγκάρσια ευστάθεια του σκάφους, την οποία θα προσπαθήσουμε εδώ να γνωρίσουμε καλύτερα και να δούμε από τι επηρεάζεται. Ένα σκάφος λέμε ότι ισορροπεί, όταν πλέει σε οριζόντια θέση. Στην κατάσταση αυτή μας ενδιαφέρουν τα δύο βασικά κέντρα, άντωσης ή πλευστότητας (center of buoyancy, Β) και βάρους (center of gravity, G).
Εφόσον ένα σκάφος πλέει στο νερό, οι δυνάμεις βάρους και άντωσης είναι ίσες, διότι βάρος = εκτόπισμα = άντωση. Το κέντρο βάρους G (σχ. 1) είναι το σημείο, που θεωρητικά βρίσκεται συγκεντρωμένα όλο το βάρος του σκάφους. Αντίστοιχα, το κέντρο άντωσης Β είναι το σημεία, όπου συγκεντρώνονται όλες οι δυνάμεις άντωσης. Το κέντρο άντωσης συμπίπτει και με το γεωμετρικό κέντρο του όγκου των υφάλων του σκάφους (γάστρα). Οι διευθύνσεις των δυνάμεων βάρους και άντωσης εξασκούνται στα ομώνυμο κέντρα G και Β και είναι αντίθετες. Το μεν βάρος έχει διεύθυνση από πάνω προς τα κάτω, ενώ αντίθετα η άντωση, από κάτω προς τα πάνω. Επομένως, οι δύο αυτές δυνάμεις είναι ίσες και αντίρροπες. Λέμε, λοιπόν, ότι για να πλέει ένα σκάφος σε οριζόντια θέση, οι δύο δυνάμεις ενεργούν στο ίδιο επίπεδο (κατά τη διαμήκη έννοια), όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Τι γίνεται όμως όταν ταξιδεύει με τα πανιά και παίρνει κάποια κλίση; Στο σχήμα 2 βλέπουμε το ίδιο σκάφος να ταξιδεύει κουπασιαρισμένο. Το βάρος δεν μεταβάλλεται, ούτε ως προς το μέγεθος, ούτε ως προς τη διεύθυνση, ούτε ως προς το σημείο εφαρμογής του. Η άντωση δεν μεταβάλλεται ως προς το μέγεθος, ούτε ως προς τη διεύθυνση, το κέντρο όμως της εφαρμογής της μετατοπίστηκε σε μία άλλη θέση προς την πλευρά της κλίσης. Η μετατόπιση αυτή είναι βέβαια φυσικό επακόλουθο αφού, όπως ξέρουμε, συμπίπτει με το γεωμετρικό κέντρο της γάστρας, η οποία με την κλίση έχει αλλάξει σχήμα. Στην κλίση αυτή οι δύο δυνάμεις
εξακολουθούν να είναι ίσες και αντίρροπες, αλλά δεν ενεργούν στο ίδιο επίπεδο κατά τη διαμήκη έννοια, άρα σχηματίζουν ένα ζεύγος δυνάμεων, τη λεγόμενη ροπή ευστάθειας, που τείνει να επαναφέρει το σκάφος σε οριζόντια θέση. Η ροπή ευστάθειας είναι το γινόμενο του βάρους (ή εκτοπίσματος) του σκάφους επί το μοχλοβραχίονα επαναφοράς, δηλαδή την απόσταση μεταξύ των καθέτων που διέρχονται από το κέντρο βάρους G και το κέντρο άντωσης Β. Σε μερικές περιπτώσεις όμως, οι ίδιες αυτές δυνάμεις μπορεί να προκαλέσουν την ανατροπή του σκάφους. Ας δούμε τις τρεις βασικές αυτές περιπτώσεις με τα αντίστοιχα σχηματικά παραδείγματα.
Στο σχήμα 3 έχουμε την κλασική περίπτωση ενός σκάφους, που αναποδογυρίζει, έχοντας πάρει κάποια ακραία γωνία κλίσης. Το κέντρο
άντωσης Β, που όπως είπαμε συμπίπτει με το γεωμετρικό κέντρο των υφάλων, έχει μεταφερθεί, λόγω της μεγάλης κλίσης, από την αντίθετη πλευρά της κλίσης, μεταβάλλοντας το μοχλοβραχίονα επαναφοράς σε μοχλοβραχίονα ανατροπής άρα και τη ροπή ευστάθειας σε ροπή ανατροπής. Στο σχήμα 4 έχουμε ένα πολύ στενό σκαρί, που επίσης αναποδογυρίζει για τους ίδιους λόγους με το προηγούμενο. Στο σχήμα 5, το σκάφος έχει πολύ υψηλό κέντρο βάρους, που έστω και με μικρή σχετικά κλίση μπορεί να αναποδογυρίσει.
Εκείνο, που μπορούμε να παρατηρήσουμε από τα παραπάνω τρία παραδείγματα είναι ότι η ευστάθεια ενός σκάφους εξαρτάται από το σχήμα και το έρμα του. Είναι ηλίου φαεινότερο πως, όσα πιο φαρδύ είναι ένα σκάφος, τόσο πιο δύσκολα αναποδογυρίζει και πώς εφόσον υπάρχει καλός ερματισμός, το σκάφος επανέρχεται στην οριζόντια θέση. Η ολική εγκάρσια, λοιπόν, ευστάθεια του σκάφους εξαρτάται από δύο παράγοντες, το σχήμα και το έρμα, δηλαδή έχουμε την ευστάθεια λόγω σχήματος και την ευστάθεια λόγω βάρους, ο συνδυασμός των οποίων δίνει τα ιδιαίτερα γνωρίσματα ευστάθειας στο σκάφος. Ας δούμε διεξοδικότερα τα χαρακτηριστικά των δύο παραγόντων της ευστάθειας.
Ευστάθεια σχήματος
Τα κύρια χαρακτηριστικά της είναι το μεγάλο πλάτος στην ίσαλο και το υψηλό κέντρο άντωσης. Στο σχήμα 6 βλέπουμε δύο σκάφη με το ίδιο μέγιστο πλάτος. Το σκάφος α είναι πιο «γεμάτο» στην πλώρη και πρύμη
(μεγαλύτερη επιφάνεια ισάλου), άρα είναι πιο ευσταθές από το σκάφος β. Στην περίπτωση του υψηλότερου κέντρου άντωσης συμβαίνει το εξής. Καθώς το σκάφος κουπαστάρει, το κέντρο άντωσης μετατοπίζεται προς την πλευρά της κλίσης. Επειδή το κάθε σκάφος «φαρδαίνει» όσα ανεβαίνουμε από την καρίνα προς τα πάνω, το κέντρο άντωσης έχει «περισσότερο χώρο» μετατόπισης, εφόσον βρίσκεται ψηλά. Όσο πιο μακριά μπορεί να μετατοπιστεί το κέντρο άντωσης, τόσο περισσότερο ευσταθές είναι το σκάφος. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του σχήματος 7. Το φαρδύτερα σκάφος α έχει υψηλό κέντρο άντωσης, που μετατοπίζεται πιο μακριά από την περίπτωση του στενού και με χαμηλό κέντρο άντωσης σκάφους β.
Ευστάθεια βάρους
Για να κατανοήσουμε καλύτερα την ευστάθεια λόγω βάρους (έρματος), ας
παρακολουθήσουμε το παράδειγμα με την τσαμαδούρα, που επιπλέει στη θάλασσα (σχ. 8). Για να σταθεί σε οριζόντια θέση, έχουμε προσθέσει ένα βάρος στο κάτω τμήμα της. Εκείνο, που παρατηρούμε είναι πως ο μοχλοβραχίονας ευστάθειας αυξάνει αργά στις μικρές γωνίες, επιταχύνεται στις μεγαλύτερες μέχρι 90º και στη συνέχεια ανατρέπεται. Η ευστάθεια βάρους βασίζεται στην τοποθέτηση έρματος, όσο γίνεται πιο χαμηλά στο σκάφος. Στα σκάφη κρουαζιέρας, το κέντρο βάρους βρίσκεται πολύ κοντά και
λίγο παραπάνω από την ίσαλο. Οποιοδήποτε βάρος προστεθεί σε χαμηλότερο σημείο π.χ. έρμα, καρίνα, μηχανή, δεξαμενές κ.λπ. έχει σαν αποτέλεσμα το κατέβασμα χαμηλότερα του κέντρου βάρους. Αυτός είναι και ο λόγος, που θέλουμε όσο γίνεται πιο ελαφρύ εξοπλισμό στο κατάστρωμα, ακόμα και στον εξαρτισμό. Αν, για παράδειγμα ελαφρώσουμε κατά ένα κιλό την κορυφή του αλμπούρου, που βρίσκεται π.χ. 12 μέτρα πάνω από το κέντρο βάρους ισοδυναμεί με το να έχουμε αφαιρέσει περίπου 12 κιλά από κάποιο σημείο μισό μόλις μέτρο πάνω από το κέντρο βάρους. Αν προσθέσουμε ένα κιλό στο πέλμα της καρίνας, που απέχει ένα μέτρο από το κέντρο βάρους, αυτό θα κατέβει χαμηλότερα σαν να έχουμε προσθέσει 6 κιλά μόλις μισό περίπου μέτρο κάτω από το G.
Η ολική εγκάρσια ευστάθεια του σκάφους είναι, λοιπόν, ένας συνδυασμός της ευστάθειας σχήματος και βάρους. Κάτω από κανονικές συνθήκες, ένα ιστιοφόρο δεν ταξιδεύει με μεγαλύτερη γωνία κλίσης από 25º με 30º. ΣΆ αυτές τις γωνίες κλίσης, η ευστάθεια του ιστιοφόρου βασίζεται κυρίως στο σχήμα της γάστρας, όπου όπως είδαμε παραπάνω, η ευστάθεια βάρους δεν προσφέρει πολλά, ενώ αντίθετα, η ευστάθεια λόγω σχήματος λειτουργεί πιο
εποικοδομητικά. Σε μεγαλύτερες γωνίες κλίσης, η ευστάθεια λόγω έρματος
αναλαμβάνει να δημιουργήσει μεγαλύτερη ροπή ευστάθειας.
Αλλά δεν είναι μόνον αυτό. Υπάρχει άλλος ένας παράγοντας, που επηρεάζει την ευστάθεια σχήματος. Είναι το ύψος των εξάλων, δηλαδή το ύψος, από την ίσαλο μέχρι το κατάστρωμα. Στο σχήμα 9 έχουμε δύο παρόμοια σκάφη, σε σχέση με το σχήμα και το εκτόπισμα, διαφέρουν όμως στο ύψος των εξάλων. Όταν κουπαστάρουν, η επιφάνεια της γάστρας του σκάφους α είναι μικρότερη από αυτήν του β, άρα η μετατόπιση του κέντρου άντωσης είναι μεγαλύτερη στο σκάφος β, με την ίδια γωνία κλίσης, επομένως ο μοχλοβραχίονας ευστάθειας είναι μεγαλύτερος, άρα και η ροπή ευστάθειάς του είναι μεγαλύτερη, όπως χαρακτηριστικά φαίνεται και στην καμπύλη ευστάθειας των δύο σκαφών. Τα σύγχρονα ιστιοφόρα κούρσας-κρουαζιέρας είναι το χαρακτηριστικό παράδειγμα του συνδυασμού ευστάθειας λόγω σχήματος και έρματος. Τα περισσότερα διαθέτουν μεγάλη σχέση μήκους/πλάτους, που προσφέρει άπλετο εσωτερικό χώρο ενδιαίτησης, αλλά και μεγάλη πλευστότητα. Είναι σκάφη φαρδιά και «γεμάτα» με αρκετό ερματισμό, που συγκεντρώνεται χαμηλά στην καρίνα (φτερά, βολβός κ.λπ.). Η γωνία κλίσης μπορεί να φτάσει και να ξεπεράσει κατά πολύ τις 50º, πριν αρχίσει να μειώνεται η ροπή ευστάθειας, χωρίς καν το πλήρωμα να πάρει θέση στα ρέλια.
Δεν θα μπορούσαμε να κλείσουμε το θέμα αυτό χωρίς να αναφερθούμε στους «πανάδες», που επιμένουν να ταξιδεύουν με τα ρέλια μέσα. Δεν είναι παλικαριά, ούτε ένδειξη καπατσοσύνης. Το ιστιοφόρο σκάφος σχεδιάζεται να ταξιδεύει με μία κλίση 20º με 25º το πολύ. Οι γραμμές του είναι σχεδιασμένες να προβάλλουν ελάχιστη τριβή στις γωνίες αυτές. Όσο πιο κοντά στην οριζόντια θέση ταξιδεύουμε, τόσα πιο γρήγορα πάμε. Το θέμα δεν άπτεται της ευστάθειας, μια και τα όρια δεν ξεπερνιούνται, αλλά σε καμία περίπτωση δεν θα πρέπει να υποτιμάται. Μεγάλες ηθελημένες κλίσεις σημαίνουν μεγάλες τριβές αλλά και πρόκληση και τη θάλασσα δεν πρέπει ποτέ να την προκαλούμε.