Z nauki fizyki w szkole wiecie, że każde ciało poruszające się w jakimś ośrodku napotyka pewien opór. Czym jest ów opór ośrodka? Jest to siła przeciwstawiająca się ruchowi ciała stałego, a wielkość tej siły, czyli oporu, zależy od kształtu poruszającego się ciała. Zależy również od prędkości ruchu oraz od własności ośrodka, w którym ciało się porusza.
W przypadku statku płynącego po morzu również musi on pokonywać opór wody i opór powietrza. Na całkowity wody składają się trzy opory:
- opór tarcia,
- opór falowy i
- opór wirowy.
Opór tarcia, którego przyczyną jest tarcie cząstek wody o kadłub statku, jest zjawiskiem wymagającym pewnego wyjaśnienia. Woda – podobnie jak wszystkie ciecze i gazy – odznacza się pewną lepkością. Aby przekonać się o tym, wystarczy wykonać bardzo proste doświadczenie.
Doświadczenie fizyczne z oporem ośrodka
Na potrzeby doświadczenia potrzebujemy pustą puszkę – na przykład po brzoskwiniach, pomidorach czy konserwie mięsnej. W dnie puszki wykonujemy niewielki otwór o średnicy około 1 mm. Do puszki nalewamy wodę i obserwujemy czas wyciekania wody z puszki. Wynik obserwacji: można zauważyć że wypływ cieczy w tym wypadku wody trwa nawet kilka minut.
Powyższa metoda pomiaru lepkości stosowana jest z wykorzystaniem kubków zanurzeniowych – na zdjęciu poniżej kubek firmy Elcometer:
W przypadku balonu wypełnionego gazem (na przykład powietrzem czy helem) również można zaobserwować wyciekanie gazu poprzez otwór podobnej wielkości. Jaka będzie różnica w przypadku ucieczki powietrza z balonu?
Opór wody, lepkość a wynalazki
Otóż powietrze czy inny gaz posiada o wiele mniejszą lepkość. Właśnie dlatego cząsteczki wody – w której przypadku siła lepkości jest dużo wyższa – nie potrafią oderwać się tak szybko jedna od drugiej, lecz muszą wypływać razem.
Co na celu miał eksperyment wykonany powyżej?
W przypadku wody ukazał nam problem przylegania cząsteczek wody. Gdy kadłub statku zanurzony w wodzie porusza się, powstaje niezwykle cienka warstwa przyścienna, która posiada prędkość zerową, a dopiero w pewnej odległości od powierzchni osiąga prędkość wyższą od 0.
O innych pływających konstrukcjach pisaliśmy tu: Katamaran – dwukadłubowiec
Statek więc – płynąc – jest otoczony masą wody płynącej razem z nim, lecz woda ta nie płynie z tą samą prędkością, ale znacznie wolniej. Tak więc, żeby płynąć z dużą prędkością statek musi opór tarcia.
Kolejnym problemem związanym z oporem w przypadku płonącego statku jest to iż jednostka płynąc spiętrza przed sobą masę wody którą jakby popycha do przodu.
Lustro wody podnosi się wyżej i powstaje taka sytuacja jakby kadłub statku przodem chciał unieść się w górę. Powoduje to dodatkowy wzrost oporu które z wypadku nazywamy oporem falowym.
Co ma CX karoserii samochodu do płynącego masowca?
Trzecim rodzajem oporu, a zarazem składnikiem całkowitego oporu wody, jest opór wirowy spowodowany wirami wody powstającymi za kadłubem statku. Wiry również tworzą się za wystającymi częściami kadłuba. Podobnie jak w przypadku oporu powietrza przepływającego wokół karoserii samochodu – nietrudno jest domyślić się że wielkość takiego oporu wirowego bezpośrednio zależy od kształtu zanurzonej w wodzie części kadłuba. Można mówić o kształcie smukłym, opływowym, hydrodynamicznym (analogicznie do aerodynamicznego profilu auta).
Gdyby morze lub ocean stanowiło lustro nieruchomej wody, ukazane powyżej model byłby kompletny. A jednak tak nie jest. Dodatkowe opory stwarza wzburzone morze, kiedy to występuje silna kołysanie poprzeczne i wzdłużne.
A co z oporem powierza?
Pomijany nieraz opór powietrza wypadku statku nabiera znaczenia i zwiększa swoją wartość, gdy ruch jednostki odbywa się wzrastającą prędkością.
Ekonomia płynącego statku a prędkość
Moc silnika napędowego napędzającego śruby jednostki pływającej sięga kilku tysięcy kilowatów. Co da się przewidzieć – dwukrotny wzrost prędkości statku wymaga czterokrotnego wzrostu siły napędowej.
Ponieważ jest to zależność wykładnicza, dziesięciokrotny wzrost prędkości wymaga 100 krotnego wzrostu siły napędowej i 1000 krotnego wzrostu mocy!
Jak wyraźnie widać – sens ekonomiczny nadawania zwykłym statku handlowym prędkości powyżej 30-40 mil morskich na godzinę jest bardzo wątpliwy.
Jaki sens ekonomiczny ma wodolot?
Tym, co umożliwiło znaczne przyspieszenie ruchu statków, był wynalazek unoszących jednostkę pływającą skrzydeł podwodnych. Skopiowano pewne rozwiązanie znane z lotnictwa – z tą różnicą, że ośrodkiem w którym porusza się skrzydło jest nie powietrze, lecz woda. Statki zaopatrzone w płaty nośne, czyli skrzydła powodujące powstanie siły nośnej równoważące ich ciężar, to wodoloty.
Co zrobić, aby pokonać opory wody?
Należy skonstruować wodolot!
Na jakiej zasadzie pływa wodolot?
Jak wspomniałem, występuje analogia do jednostek latających, które, notabene, nazywa się w gronie ekspertów lotnictwa statkami powietrznymi.
Wracając do siły nośnej. Siła nośna wodolotu wzrasta ze wzrostem prędkości i w miarę wzrostu prędkości kadłub zaczyna się stopniowo wynurzać. W wodzie pozostają zanurzone jedynie płaty nośne lub ich części, wsporniki, śruby napędowe – a te wszystkie elementy stwarzają nieporównywalnie mniejszy opór niż kadłub klasycznego statku. Umożliwia to uzyskanie przez wodolot dużych prędkości przy zastosowaniu silnika napędowego o niewielkiej mocy.
Kolejną zaletą – oprócz efektu ekonomicznego i kolosalnie zwiększonej prędkości – jest, w przypadku wodolotu, odporność na warunki atmosferyczne. Oczywiście, ponieważ woda jest 800 razy gęstsza od powietrza, to z racji na taki ośrodek, skrzydła wodolotu pracujące w tym ośrodku, są o wiele mniejsze (aby osiągnąć siłę nośną w porównaniu z samolotem).
Dlaczego wodoloty nie przyjęły się powszechnie w żegludze światowej?
Swego czasu flotylla polskich wodolotów – radzieckiej konstrukcji – opływała akwen Zatoki Gdańskiej w regularnych rejsach. Piszący te słowa pływał – dawno temu – takim wodolotem pasażerskim klasy „Meteor„, którym to rejs na trasie Gdańsk – Hel stanowił nie lada atrakcję dla młodego człowieka! Jednak radzieckie wodoloty wycofano z użytku, głównie z powodu dużego zużycia paliwa przez ich silniki. Co jednak dalej z tą technologią? Były próby przywrócenia żeglugi wodolotami w Polsce, na zdjęciu poniżej wodolot Merlin-2, czyli rosyjska konstrukcja klasy „Woschod„.
W drugiej części tego artykułu o wodolotach powiem o zagrożeniach, na jakie narażone są te konstrukcje, warto też przeanalizować opłacalność tego typu statków (pojazdów?) w kontekście dalszej przyszłości.
Film na Youtube o wodolotach: https://www.youtube.com/watch?v=XXF_z8qia7Y