Απόλλων Αρτέμης
Πάνε περίπου 6000 χρόνια από τότε που οι άνθρωποι πέρασαν από τις σχεδίες στην κατασκευή κανονικών ξύλινων πλοίων τα οποία χρησιμοποιούσαν για τις εξερευνήσεις τους, τις μεταφορές, τις εκστρατείες και τούς πολέμους τους. Ανάλογα με τη χρήση για την οποία τα προόριζαν, έδιναν και κατάλληλο σχήμα και μέγεθος. Τα πλοία εμπορευμάτων π.χ. είχαν μεγάλο πλάτος στη μέση για να έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα, ενώ τα πλοία εξερευνήσεων και τα πολεμικά ήσαν μακρόστενα για να είναι ταχύτερα. Στους αιώνες που πέρασαν, μέχρι κοντά στο 1800 που άρχισε να χρησιμοποιείται ο ατμός σαν κινητήρια δύναμη, οι διάφοροι λαοί βελτίωναν συνεχώς τα σκαριά των πλοίων τους και την ιστιοφορία τους για να μπορούν να ταξιδεύουν πιο γρήγορα και πιο μακριά. Συνεχής επιδίωξη η αύξηση της ταχύτητας για την κυριαρχία στη θάλασσα (και ξηρά). Αυτή εξαρτιόταν πάντοτε από την ταχύτητα με την οποία ένα πλοίο μπορούσε να φθάσει στον προορισμό του, είτε αυτό μετέφερε εμπορεύματα, είτε επιβάτες, είτε πήγαινε για πολεμικές επιχειρήσεις.
Για τη ναυπήγηση των πλοίων αυτών, μέχρι και τα μέσα του 19ου αιώνα, δεν υπήρχαν μαθηματικοί τύποι που να καθορίζουν πιο είναι το καταλληλότερο και αποδοτικότερο σχήμα και μέγεθος για την κάθε περίπτωση. Όλα βασίζονταν μέχρι τότε στην παρατήρηση και την εμπειρία. Κι όμως ναυπηγήθηκαν στο διάστημα αυτό πλοία εξαιρετικής ναυπηγικής τεχνολογίας με σπουδαίες επιδόσεις που δείχνουν ότι οι ναυπηγοί των χρόνων εκείνων γνώριζαν τις διάφορες δυνάμεις που δρουν κατά την κίνηση ενός πλοίου, δεν ήσαν όμως ακόμη σε θέση να τις μετρήσουν και να τις διαχειριστούν με μαθηματικό τρόπο. Άλλωστε, η δύναμη του ανέμου που αποτελούσε την κύρια δύναμη κίνησης των πλοίων μέχρι την εποχή αυτή, δεν ήταν μετρήσιμη ώστε να συγκριθεί με τις δυνάμεις που αντιστέκονται στην κίνηση τους και να διατυπωθεί μία θεωρία. Αυτό είναι δύσκολο ακόμη και σήμερα.
Στα μέσα του 19ου μΧ. αιώνα, και ενώ έχουμε περάσει ήδη στην κατασκευή μεταλλικών πλοίων και στη μηχανοκίνηση τους, δεν υπάρχει ακόμη κάποια αξιόλογη μελέτη που να καταγράφει τις δυνάμεις αυτές. Έρχεται όμως το 1858 η ναυπήγηση στην Αγγλία του μεγαλύτερου πλοίου της εποχής, του ”Great Eastern” (Μέγας Ανατολικός) για να δείξει την επιτακτική ανάγκη που υπάρχει, ο σχεδιασμός ενός πλοίου να βασίζεται σε μελέτη για την απαιτούμενη ισχύ σε σχέση με το μέγεθος και την επιδιωκόμενη ταχύτητα του πλοίου. To”Great Eastern”, στην κατασκευή του οποίου συμμετείχε και ο Γουίλιαμ Φρούντ (William Froude) ένας νέος και ταλαντούχος μηχανικός της Οξφόρδης, ενώ θεωρήθηκε πλοίο πρωτοποριακό για την εποχή του από άποψη σχεδιασμού και επιδιώξεων, υπήρξε ταυτόχρονα και μία μεγάλη αποτυχία εξαιτίας τεχνικών λαθών που οφείλονταν στην έλλειψη συγκεκριμένων στοιχείων και μελετών σχετικών με την κίνηση των πλοίων. Το πλοίο, εκτοπίσματος 25.000 τόνων, μήκους 210 μέτρων, ήταν εξοπλισμένο με δύο μηχανές συνολικής ισχύος 2600 ίππων περίπου. Η μισή ισχύς του καταναλωνόταν για την κίνηση δύο πλευρικών κινητήριων τροχών διαμέτρου 18 μέτρων περιορισμένης αποτελεσματικότητας και η υπόλοιπη μισή, με μία δεύτερη μηχανή, για την κίνηση μιας έλικας διαμέτρου 9 μέτρων με χαμηλό βαθμό απόδοσης.
Μπορεί η ακτίνα δράσεως του να έφτανε τα 22 χιλιάδες ναυτικά μίλια χωρίς ανεφοδιασμό, πράγμα πολύ σημαντικό, μπορούμε όμως επίσης να πούμε πως το πλοίο κυριολεκτικά “σερνόταν” όταν δεν βοηθούσε η ιστιοφορία του με την οποία ήταν επιπλέον εξοπλισμένο. Από άποψη εγκατεστημένης ισχύος, το πλοίο ήταν σαφώς υποβαθμισμένο αφού, για μία ταχύτητα 14 κόμβων, που θα ήταν λογικό να αναπτύσσει την εποχή εκείνη, χρειαζόταν μηχανές ισχύος τουλάχιστον 10.000 ίππων κατάλληλα αξιοποιημένες. Η εμπορική του αποτυχία, που ήρθε πολύ γρήγορα, ήταν αναπόφευκτη. Αυτό προβλημάτισε τον Γουίλιαμ Φρούντ ο οποίος άρχισε να πειραματίζεται με υποδείγματα πλοίων υπό κλίμακα (μοντέλα), και να καταγράφει τις δυνάμεις που αντιστέκονται στην κίνηση τους. Γρήγορα διαπίστωσε ότι κύριες δυνάμεις αντίστασης είναι ο κυματισμός που δημιουργεί το ίδιο το πλοίο, εκτοπίζοντας το νερό κατά την κίνησή του και η τριβή του νερού στην επιφάνεια της γάστρας. Ανακάλυψε ακόμη ότι τα φαινόμενα και οι επιδόσεις του μοντέλου μπορούν να επεκταθούν και στο πλοίο με τη χρήση συγκεκριμένων συντελεστών, όταν τα δύο αντικείμενα είναι γεωμετρικώς όμοια, πράγμα που επιτρέπει την πλήρη μελέτη ενός πλοίου από πριν επάνω στο ομοίωμα του και τον καθορισμό της απαραίτητης ισχύος για την κίνηση του. Ο σημαντικότερος νόμος που διατυπώθηκε ήταν η σχέση που συνδέει την ταχύτητα του πλοίου με το μήκος του. Είναι ο περίφημος μαθηματικός τύπος C= V : V L όπου, όταν ο συντελεστής C παίρνει την τιμή 1.3, καθορίζει το πρακτικό όριο της ταχύτητας ενός πλοίου εκτοπίσματος σύμφωνα με το μήκος της ισάλου του δηλαδή, V=1,3 V L ή το αναγκαίο μήκος του, L= (V:1,3)² για μία επιδιωκόμενη ταχύτητα.
Στο όριο αυτό, το μήκος του κύματος που δημιουργεί το πλοίο είναι ίσο με το μήκος της ισάλου του και η υπέρβαση αυτής της ταχύτητας, ενώ δεν είναι αδύνατη, απαιτεί εξαιρετικά μεγάλη κατανάλωση ισχύος που σπανίως συμφέρει. Όταν ένα πλοίο επιχειρεί να υπερβεί το όριο αυτό της ταχύτητας στην ουσία πάει να “σκαρφαλώσει” στην κορυφή του κύματος που βρίσκεται μπροστά στην πλώρη του, που το ίδιο είχε δημιουργήσει. Όλοι όσοι έχουμε σχέση με σκάφη γνωρίζουμε, πόση περισσότερη ιπποδύναμη χρειαζόμαστε κάθε φορά που πάμε να “καβαλήσουμε” το κύμα που ορθώνεται κάποια στιγμή μπροστά μας. Είτε το δημιουργήσαμε εμείς, είτε είναι φυσικός ο κυματισμός, το φαινόμενο και η δυσκολία είναι ίδια. Κατά εξαίρεση, μπορεί να γίνει υπέρβαση όπως γίνεται π.χ. με τα αντιτορπιλικά που είναι πλοία πολύ “λεπτά” με περίσσια ιπποδύναμη, όπου η σχέση ταχύτητας – μήκους είναι V = 2 V L Βέβαια η παραπάνω σχέση προϋποθέτει ότι η γάστρα του πλοίου έχει την κατάλληλη γεωμετρική μορφή ώστε η ροή του νερού γύρω από αυτήν να είναι κατά το δυνατόν ομαλή και όχι στροβιλώδης. Σημαντική σημασία στη μη στροβιλώδη ροή του νερού γύρω από τη γάστρα έχει και η ποιότητα ή υφή της επιφάνειας της, κάτι που όλοι γνωρίζουμε. Φαινομενικά, με βάση τον παραπάνω τύπο θα μπορούμε να πετύχουμε οποιαδήποτε ταχύτητα επιθυμούμε αρκεί να δώσουμε το ανάλογο μήκος στο πλοίο. Είναι δυνατόν αυτό και ποιά είναι τα όρια μεγέθους και ταχύτητας για ένα πλοίο εκτοπίσματος;
Σε ότι αφορά στο μέγεθος, δεν υπάρχει ουσιαστικός περιορισμός. Το πρόβλημα είναι καθαρά τεχνικό και έχει τις λύσεις του. Έχουν κατασκευαστεί μέχρι τώρα πλοία με αρκετό μήκος που, με βάση τη θεωρία του Ουίλιαμ Φρούντ θα έπρεπε να μπορούν να αναπτύξουν ταχύτητα και πάνω από τους 45 κόμβους. Αυτό δεν γίνεται όμως. Στο θέμα της ταχύτητας υπάρχουν όρια. Στους 35 κόμβους περίπου, αναπτύσσονται ισχυρές δυνάμεις άντωσης στα ύφαλα του πλοίου, μειώνεται το εκτόπισμα του (το πλοίο αρχίζει να ξενερίζει), χάνεται η δυναμική ισορροπία (ευστάθεια) και είναι σχεδόν αδύνατη η παραπέρα ανάπτυξη ταχύτητας και η ομαλή πλεύση. Η παραπέρα ανάπτυξη ταχύτητας έγινε δυνατή με πλοία διαφορετικής τεχνολογίας όπως είναι τα υδροπτέρυγα (λέγονται και ιπτάμενα πλοία), τα σκάφη ολισθήσεως (πλαναρίσματος), και τα αερόστρωμνα (χόβερκραφτ). Γι αυτά και τα όρια τους θα ασχοληθούμε σε επόμενο τεύχος μας.
Ποιά πρακτική σημασία έχει όμως για μας τους πολλούς, που δεν ασχολούμαστε με τη ναυπηγική, όλη αυτή η θεωρία; Σημαντική. Αυτή αφορά σε όλα σκάφη εκτοπίσματος, κάθε είδους και μεγέθους, από τη βάρκα μέχρι και το υπερωκεάνιο και έχει άμεση σχέση με την ισχύ που τα κινεί. Για το σκάφος μας, που μπορεί να είναι τρεχαντήρι, καΐκι, κότερο, θαλαμηγός ή άλλο, μπορούμε να μάθουμε, με αρκετή προσέγγιση, εφαρμόζοντας τον τύπο C= V : V L , μερικά χρήσιμα πράγματα, όταν γνωρίζουμε τη μέγιστη ταχύτητα που έχουμε πετύχει και το μήκος της ισάλου του.
1) Εάν ο συντελεστής που βγαίνει είναι κατώτερος από 1,3 αυτό μπορεί να σημαίνει ότι έχουμε τη δυνατότητα να αυξήσουμε την ταχύτητα αυξάνοντας την ιπποδύναμη η ότι η γάστρα του σκάφους είναι ανεπαρκής από άποψη σχεδιασμού για κανονικές επιδόσεις.
2) Εάν ο συντελεστής είναι ανώτερος από 1,3 αυτό σημαίνει ότι βρισκόμαστε στα ανώτερα δυνατά όρια ταχύτητας και η ιπποδύναμη είναι υπερεπαρκής. Ο υπολογισμός είναι απλός. Ας τον κάνουμε λοιπόν, μπορεί να μας λύσει κάποια προβλήματα.
