Η δύναμη του κύματος και το σκάφος
Του Απόλλωνα Αρτέμη
Μηχανολόγου – Ηλεκτρονικού
Κανένα σκάφος δεν είναι εντελώς άτρωτο, όταν βρεθεί αντιμέτωπο με μεγάλα κύματα και τη δύναμή τους, όταν απελευθερώνουν τη συσσωρευμένη ενέργεια. Η ενέργεια αυτή είναι τεράστια και τη νοιώθουμε κάθε φορά που συγκρουόμαστε με τα κύματα, όταν δεν καταφέρνουμε να τα παρακάμψουμε ή να περάσουμε ομαλά από πάνω τους.
Οι περισσότεροι από εμάς δεν γνωρίζουμε με συγκεκριμένους αριθμούς πόσο μεγάλες είναι οι δυνάμεις που αντιμετωπίζουμε, ταξιδεύοντας με θαλασσοταραχή. Το συνειδητοποιούμε μόνο όταν το σκάφος μας, χτυπημένο από κάποιο μεγάλο κύμα, κυριολεκτικά καθηλώνεται ή ξεφεύγει από την πορεία του, χωρίς να το θέλουμε εμείς, έστω και αν διαθέτουμε εξαιρετικά μεγάλη ιπποδύναμη.
Ας γνωρίσουμε λοιπόν λίγο καλύτερα το κύμα, προσδιορίζοντας με γνωστούς σε μας όρους και αριθμούς τις δυνάμεις αυτές. Θα μας βοηθήσει να προβλέψουμε και να αντιμετωπίσουμε έγκαιρα και κάποιες συνέπειες που μπορεί να υποστεί το σκάφος μας, έχοντας ταλαιπωρηθεί, μαζί με μας βέβαια, στη φουρτούνα.
Δεν θα μπούμε σε τεχνικές λεπτομέρειες που αφορούν στο μηχανισμό της δημιουργίας του κύματος, ο οποίος και αρκετά πολύπλοκος είναι και ουσιαστικά ενδιαφέρει τους ειδικούς που ασχολούνται με αυτό. Θα εξετάσουμε μόνο το μέρος που ενδιαφέρει όσους από εμάς με το σκάφος μας, μικρό ή μεγάλο, ταξιδεύουμε τις θάλασσες με διάφορους καιρούς και συχνά αντιμετωπίζουμε τα πολύ μεγάλα κύματα μιας τρικυμίας.
Ας ξεκινήσουμε λοιπόν από αυτά, από τη στιγμή που γεννιούνται μέχρι να … μεγαλώσουν.
Είναι σε όλους μας γνωστό πως το κύμα είναι δημιούργημα του ανέμου. Δηλαδή ο άνεμος σε τριβή με την επιφάνεια του νερού, μεταφέρει σε αυτό την κινητική του ενέργεια και το βάζει σε κίνηση με τη μορφή κυμάτων. Κάτω από ένα δυνατό άνεμο, το κύμα δημιουργείται πολύ πιο γρήγορα από ότι πιστεύουμε και μεγαλώνει επίσης πολύ γρήγορα. Παίρνει ύψος από 30 εκατοστά μέχρι και πάνω από μισό μέτρο το λεπτό, ανάλογα με την περιοχή στην οποία βρισκόμαστε, δηλαδή σε ανοικτή ή κλειστή θάλασσα.
Σε κλειστή θάλασσα το κύμα μεγαλώνει γρηγορότερα από ότι στο πέλαγος. Το μέγιστο ύψος του όμως δεν φθάνει ποτέ αυτό της ανοικτής θάλασσας για την ίδια ένταση ανέμου, επειδή εξαρτάται από τη διάρκεια ζωής του, δηλαδή το χρόνο που θα δέχεται την ενέργεια του ανέμου, πριν να φθάσει στην ακτή και διαλυθεί. Αυτός είναι και ο λόγος που κύματα πολύ μεγάλου ύψους, σαν εκείνα που συναντάμε στους ωκεανούς, δεν είναι δυνατόν να δημιουργηθούν σε περιορισμένα νερά, όπως είναι οι κόλποι, οι λίμνες ή οι θάλασσες ανάμεσα σε νησιά με μικρές αποστάσεις μεταξύ τους.
Στο ανοικτό πέλαγος τα κύματα μπορεί να φθάσουν σε πολύ μεγάλο ύψος, επειδή ζουν και συσσωρεύουν ενέργεια για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Το ύψος μπορεί να πάρει απίστευτα μεγάλες διαστάσεις, όταν το κύμα συναντά αντίθετα ρεύματα ή φθάνει κοντά στις ακτές σε αβαθή νερά. Π.χ. στο Ακρωτήρι Χορν (στη Νότιο Αμερική), στη Γη του Πυρός, όπου συναντώνται οι δύο θάλασσες, ο Ατλαντικός και ο Ειρηνικός ωκεανός και συνδυάζονται αυτές οι συνθήκες, έχουν παρατηρηθεί κύματα με ύψος πάνω από 30 μέτρα. Η ενέργεια τέτοιων κυμάτων είναι τρομακτική και κανένα πλοίο δεν είναι σε θέση να τα αντιμετωπίσει ακόμη και αποφεύγοντας τα, ταξιδεύοντας μαζί με αυτά, προς την ίδια κατεύθυνση.
Όπως θα δούμε παρακάτω, η ενέργεια ακόμη και πολύ μικρότερων κυμάτων, αν και αρκετά μικρότερη, εξακολουθεί να είναι τεράστια και αποτελείται κατά το μισό περίπου από κινητική ενέργεια και κατά το άλλο μισό από στατική ενέργεια. Η κινητική ενέργεια βρίσκεται στην κίνηση των μορίων του νερού με έναν κυκλικό τρόπο, ενώ η στατική στον όγκο του νερού που έχει ανυψωθεί πάνω από τη συνηθισμένη στάθμη της θάλασσας, όταν αυτή βρίσκεται σε ηρεμία. Η στατική ενέργεια αποδεσμεύεται και προστίθεται στην κινητική κάθε φορά που το κύμα θα συναντήσει ένα εμπόδιο, θα συγκρουστεί με αυτό και καταρρεύσει (σπάσει).
Θα πρέπει να ξεκαθαρίσουμε πως η κίνηση του κύματος σε καμία περίπτωση δεν είναι και μεταφορά νερού κατά μήκος της διαδρομής του. Ο μηχανισμός της κίνησής του μοιάζει με τη κίνηση των κυμάτων ενός σχοινιού που κινούμε πάνω – κάτω τη μία άκρη του, όπου βέβαια δεν υπάρχει μετακίνηση του ίδιου του σχοινιού αλλά μόνο των κυμάτων κατά μήκος του. Η ενέργεια του χεριού μας όμως που δημιουργεί τα κύματα περνάει από τη μία άκρη του σχοινιού στην άλλη και θα αισθανθούμε τη δύναμη της, βάζοντας το χέρι μας μπροστά από ένα κύμα.
Όσο μεγαλώνει το ύψος του κύματος μεγαλώνει και το μήκος του αλλά και η ταχύτητά του. Το μήκος του κύματος είναι η απόσταση μεταξύ των κορυφών ή των κοιλιών δύο διαδοχικών κυμάτων. Θα προτιμήσουμε όμως να πούμε πως είναι η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών κοιλιών των κυμάτων, επειδή έτσι καταλαβαίνουμε καλύτερα τι είναι ένα ολόκληρο κύμα και πόσος είναι ο συνολικός όγκος του, κάτι που θα μας είναι χρήσιμο, όταν θα αναφερόμαστε στην ενέργεια και στη δύναμη.
Οι παραπάνω σχέσεις φαίνονται στο διάγραμμα μας, που βασίζεται στα αποτελέσματα που έχουν δώσει οι μελέτες των ωκεανογράφων και αποτελούν έναν μέσον όρο των διαφόρων συνθηκών που επικρατούν σε ανοικτές κυρίως θάλασσες. Γενικά έχει διαπιστωθεί πως στις θάλασσες αυτές για ύψη κυμάτων από 1,5 μέχρι 12 μέτρα (για ανέμους από 4 μέχρι και 10 Μποφόρ) η σχέση ύψους/μήκους κυμαίνεται από 1/20 μέχρι 1/25. Για ένταση ανέμου ακόμη μεγαλύτερη και για μεγαλύτερα ύψη κυμάτων, η σχέση μπορεί να γίνει 1/30 ή ακόμη και 1/50 αλλά σε ανοικτά πελάγη πολλών εκατοντάδων μιλίων.
Σε πολύ κλειστές όμως θάλασσες, η σχέση μπορεί να είναι μόνο 1/7 μέχρι 1/10, δηλαδή κοντός κυματισμός με αρκετά υψηλό κύμα, κάτι πολύ συνηθισμένο σε πολλές θάλασσες μας, ανεπιθύμητο όμως γιατί ταλαιπωρεί τόσο τα σκάφη μας όσο και εμάς τους ίδιους. Από τις μελέτες προέκυψαν και διάφοροι απλοί μαθηματικοί τύποι με τους οποίους μπορούμε να υπολογίσουμε την ενέργεια που περιέχεται σε ένα κύμα, σύμφωνα με τις διαστάσεις του. Π.χ. ο τύπος Ε = p.L.H²/8, όπου p n πυκνότητα του νερού σε χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο, L το μήκος του κύματος και Η το ύψος του σε μέτρα, δίνει με αρκετά μεγάλη ακρίβεια τη συνολική ενέργεια που περιέχει ο όγκος ενός κύματος, από τη βάση του, που είναι και το χαμηλότερο του σημείο ή κοιλιά, μέχρι την κορυφή, σε μέτωπο πλάτους ενός μέτρου.
Από αυτή την ενέργεια εμείς μπορούμε να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ισχύ σε ίππους, να τη συγκρίνουμε με την ιπποδύναμη που διαθέτει το σκάφος μας και να καταλάβουμε πόση είναι η δύναμη που έχουμε να αντιμετωπίσουμε, αν συγκρουστούμε με τα κύματα που συναντάμε Έτσι π.χ. σύμφωνα και με το διάγραμμα, με έναν άνεμο 5 Μποφόρ θα συναντήσουμε κύματα ύψους από 2 έως 2,5 μέτρα, έστω μόνο 2 μέτρα με μήκος ή απόσταση μεταξύ τους περίπου 40 μέτρα. Εφαρμόζοντας τον τύπο βρίσκουμε πως η συνολική ενέργεια ενός τέτοιου κύματος σε μέτωπο πλάτους ενός μέτρου θα είναι, ούτε λίγο ούτε πολύ, 20.000 χιλιογραμμόμετρα. Αντίστοιχα, στα 6 Μποφόρ με ελάχιστο ύψος κύματος 3 μέτρα και μήκος κυμάτων 60 μέτρα, η συνολική ενέργεια θα είναι 67.500 χιλιογραμμόμετρα δηλαδή, 3,375 φορές μεγαλύτερη. Όπως φαίνεται από τον παραπάνω μαθηματικό τύπο αλλά και όπως διαπιστώνουμε με τους υπολογισμούς μας, η ενέργεια αυξάνεται πολύ γρήγορα σε σχέση με το ύψος, ενώ είναι απλώς ανάλογη με το μήκος των κυμάτων.
Ας μετατρέψουμε όμως την ενέργεια του κύματος των 3 μέτρων, που συναντάμε με τον πολύ συνηθισμένο καιρό των 6 Μποφόρ στις θάλασσες μας, σε ίππους. Αυτό το είδος της δύναμης είναι σε όλους μας και γνωστό και κατανοητό. Αν υποθέσουμε πως όλη η ενέργεια των 67.500 χιλιογραμμομέτρων αποδεσμεύεται σε ένα δευτερόλεπτο, κάτι που είναι πολύ κοντά στην πραγματικότητα, όταν το σκάφος μας από την κορυφή ενός κύματος «καρφώνεται» στη βάση του επόμενου και γνωρίζοντας πως κάθε ίππος ισοδυναμεί με 75 χιλιογραμμόμετρα ανά δευτερόλεπτο, θα έχουμε: 67.500/75 = 900 ίππους, δύναμη εξαιρετικά μεγάλη για ένα μέτωπο κύματος πλάτους μόλις ενός μέτρου. Η δύναμη αυτή δεν πρέπει να μας φαίνεται υπερβολική, αν σκεφτούμε πως υπάρχει μέσα σε έναν όγκο νερού 80 περίπου κυβικών μέτρων που ζυγίζουν πάνω από 82 τόνους (θαλασσινό νερό) και κινείται με μια ταχύτητα 10 μέτρων το δευτερόλεπτο περίπου ή 19 κόμβων την ώρα.
Καλό θα είναι να αποφεύγουμε να συγκρουστούμε με το σκάφος μας με ένα τέτοιο κύμα, διότι και το μέτωπο σύγκρουσης θα είναι πολύ μεγαλύτερο από 1 μέτρο, άρα και η δύναμη που θα αντιμετωπίσουμε, χωρίς να λογαριάσουμε και την ταχύτητά μας που μπορεί να πολλαπλασιάσει τη δύναμη της σύγκρουσης. Αν το μέτωπο της σύγκρουσης έχει πλάτος π.χ. 3 μέτρα, πράγμα απόλυτα λογικό για ένα σκάφος λίγων μόνο μέτρων, έστω από 10 ως 12 μέτρα, η δύναμη του κύματος θα είναι 2.700 ίπποι και ο όγκος του νερού που θα κινείται εναντίον μας, θα ζυγίζει πάνω από 240 τόνους. Αν πάμε στα 9 Μποφόρ, ένα κύμα ύψους περίπου 9 μέτρων και σε μέτωπο πλάτους ενός μέτρου θα κρύβει την τρομακτική ενέργεια των 1.900.000 χιλιογραμμομέτρων. Μετατρέποντας την ενέργεια αυτή σε δύναμη, θα έχουμε : 1.900.000/75 = 25.333 ίππους, σε ένα μέτωπο πλάτους ενός μόλις μέτρου, με έναν όγκο νερού 1650 κυβικά μέτρα, βάρους 1700 τόνων που θα κινείται με μια ταχύτητα 32 κόμβων την ώρα ή 16 μέτρων το δευτερόλεπτο. Όπως βλέπουμε στην περίπτωση αυτή, έχουμε να κάνουμε με εξαιρετικά μεγάλες δυνάμεις και δεν είναι καθόλου παράξενο πως οι πλόες αρκετά μεγάλων πλοίων αναβάλλονται, όταν η ένταση των ανέμων είναι από 9 Μποφόρ και πάνω.
Η πλεύση με μεγάλους κυματισμούς μπορεί να είναι επικίνδυνη και σε πολλές περιπτώσεις, δεν είναι χωρίς συνέπειες για το σκάφος, ή και το πλοίο, επειδή κατάφερε να αντιμετωπίσει με επιτυχία μια τρικυμία. Η γάστρα ενός σκάφους ανεξάρτητα από το είδος του υλικού, από το οποίο έχει κατασκευαστεί, αποτελεί μια ελαστική δομή, η οποία παραμορφώνεται, τόσο με το φορτίο που μεταφέρει και τον τρόπο κατανομής του, όσο και με τις δυνάμεις που εξασκεί επάνω της η θάλασσα, με ή χωρίς κυματισμό, κυρίως όμως με τον κυματισμό.
Οι βάσεις της μηχανής ή των μηχανών καθώς και ολόκληρη η εγκατάσταση έχουν σχεδιαστεί έτσι που να αντέχουν στις παραμορφώσεις αυτές, να διατηρείται η λειτουργία όλου του συστήματος πρόωσης μέσα στα φυσιολογικά του όρια και να διατηρούνται σταθερές οι επιδόσεις. Όμως η συστηματική και υπερβολική καταπόνηση ενός σκάφους από τα κύματα, ακόμη και σε ένα μόνο ταξίδι, ίσως να έχει και νόμιμες συνέπειες.
Σε σκάφη με εσωλέμβιες μηχανές μπορεί να έχουμε μετατόπιση των μηχανών, απορρύθμιση ή μόνιμη παραμόρφωση των βάσεων στήριξης τους και των συστημάτων σύζευξης τους με τους ελικοφόρους άξονες, δηλαδή απορρύθμιση της ευθυγράμμισης του συστήματος πρόωσης, η οποία αν δεν αποκατασταθεί εγκαίρως, μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές βλάβες όλου του αξονικού συστήματος, των μειωτήρων ή και των μηχανών.
Στα σκάφη με εξωλέμβιες μηχανές υπάρχει πάντα ο φόβος ο καθρέπτης του σκάφους να έχει καταπονηθεί σε σημείο που να παρουσιάσει ρήγματα, τα οποία δεν είναι αμέσως ορατά, και να είναι έτοιμος να σπάσει σε μια νέα καταπόνηση. Ακόμη, ρήγματα μπορεί να εμφανίσουν και οι βάσεις (μπρακέτα) των μηχανών στα σημεία που βιδώνουν στον καθρέφτη.
Μετά από ταξίδια με μεγάλη θαλασσοταραχή, καλό είναι να ελέγχουμε με προσοχή όλη την εγκατάσταση πρόωσης του σκάφους μας για πιθανές βλάβες. Δεν πρέπει να ξεχνάμε πως οι μηχανές μας είναι πολύ βαριά αντικείμενα και πως όταν είμαστε σε κίνηση αποθηκεύουν μεγάλη κινητική ενέργεια. Κάθε φορά λοιπόν που το σκάφος μας βρίσκεται αντιμέτωπο με την άλλη δύναμη, αυτή του κύματος που περιγράψαμε παραπάνω και καθηλώνεται ή αλλάζει απότομα πορεία, οι βάσεις των μηχανών, αλλά και άλλων συστημάτων, καταπονούνται έντονα και με έναν σύνθετο και απρόβλεπτο τρόπο, έτσι που δεν είναι δυνατόν να υπάρξει ένας σχεδιασμός τους απόλυτα ασφαλής. Εξάλλου, η κίνηση της θάλασσας και το κύμα αποτελούν από μόνα τους ένα αρκετά σύνθετο φαινόμενο που δεν μπορεί εύκολα να μπει στους υπολογισμούς. Έτσι ο σχεδιασμός των σκαφών και των εγκαταστάσεων τους γίνεται κυρίως με βάση στατικά δεδομένα. Σ΄ ένα σκάφος λοιπόν ο εξοπλισμός του είναι πολύ πιο ευάλωτος και τρωτός από ότι το ίδιο το σκάφος που ο σχεδιασμός του είναι πολύ πιο απλός και εύκολος σε ότι αφορά στην αντοχή του.
Ας έχουμε πάντα υπόψη μας πως τα περισσότερα προβλήματα που εμφανίζονται σε κάθε είδους σκάφη ή πλοία, κατά τη διάρκεια πλεύσης με τρικυμία, είναι μηχανικά. Και επειδή το καλοκαίρι είναι πια αρκετά κοντά, καιρός είναι να ελέγξουμε πάλι με προσοχή τα συστήματα πρόωσης των σκαφών μας, ειδικά όσοι δεν το έχουμε κάνει ακόμη και έχουμε κάνει πολλά ταξίδια με φουρτούνες.
Άλλωστε ο έλεγχος αυτός αποτελεί μέρος μια κανονικής ετήσιας συντήρησης, μαζί με εκείνον της καλής λειτουργίας των μηχανών, δυστυχώς όμως παραλείπεται σχεδόν κατά κανόνα.
