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. Η υδροδυναμική των μεγάλων ταχυτήτων είναι ένα τεράστιο κεφάλαιο, γιʼ 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, τproject1.jpgα 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.

project1

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 (βλέπε project2) 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.

project2

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.project3.jpg 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. project4.jpgΤο 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.  project5.jpg 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