OPORY RUCHU STATKU
Każdy poruszający się statek doznaje w czasie ruchu działania sił przeciwstawiających się temu ruchowi. Nazywamy je siłami oporu.
Najważniejszą siłą oporu pochodzi od oporu wody, a zależy on od wielkości, kształtu, oraz prędkości poruszania się kadłuba statku, wywołany jest zakłóceniami równowagi mas wody przez poruszający się kadłub.
Opór całkowity statku – R składa się z:
– oporu falowego – Rf
– oporu tarcia – Rt
– oporu ciśnienia – Rc
– Oporów dodatkowych – Rd
Opór falowy powstaje poprzez wprawianie wody opływającej w ruch drgający, na skutek wywołania przez poruszający się kadłub różnic ciśnienia wody wokół dziobu, rufy i śródokręcia statku.
Na powierzchni wody wytwarzają się układy fal tzw. pierwotnych i których.
Fale pierwotne poruszają się wraz ze statkiem, jej grzbiety znajdują się na dziobie i rufie, natomiast dolina na śródokręciu przy burtach statku.
Zjawisko powstawania fal pierwotnych szczególnie wyraźnie występuje na śródlądziu gdzie szlak wodny jest ograniczony tak szerokością jak i głębokością. Obszary nadciśnienia na dziobie rufie statku są jednocześnie powodem powstawania i rozprzestrzeniania się fal dziobowych i rufowych zwanych wtórnym układem fal. Są to układy fal ukośnych i poprzecznych. Fale ukośne rozchodzą się w obszarze ograniczonym dwoma prostymi biegnącymi pod kątem 19-28 stopni do kierunku ruchu statku.
Fale poprzeczne następują po sobie w równych odstępach.
Fale ukośne i poprzeczne powstają tak na dziobie jak i na rufie statku. Mniejsze prędkości statku wywołuję występowanie silniejszych fal ukośnych, większe prędkości wywołuje powstawanie silniejszych fal poprzecznych.
Opór tarcia powstaje na skutek działania sił lepkości wody. Zależy on od wielkości powierzchni kadłuba żywego (tj. kadłuba zwilżonego przez wodę), chropowatości kadłuba mogącej pochodzić od nierówności na płatach poszycia, samych spoin, główek nitów, korozji lub porastania kadłuba. W mniejszym stopniu wpływa na niego prędkość statku.
Dla statków śródlądowych poruszających się z mała prędkością względem wody 8-10 km/h opór tarcia stanowi około 50% oporu całkowitego jest to więc podstawowy składnik oporu statków płynących wolno.
Opór ciśnienia powstaje na skutek zaburzeń opływu kadłuba przez wodę, powodując odrywanie się strug wody od powierzchni statku w rufowej części kadłuba, co powoduje z kolei powstawania wirów pochłaniających energię. Powstające obszary podciśnienia na rufie są główną przyczyną powstawania oporu ciśnienia.
Opór ciśnienia zależy głównie od kształtu kadłuba i od prędkości statku. Opór ten jest mniejszy dla statków długich i smukłych w rejonie rufy. Opór ciśnienia jest związany ściśle z oporem falowym, często nazywane są one oporami kształtu.
W celu ich zmniejszania stosuje się od kilku lat na statkach morskich dzioby tzw. gruszkowe, które w zakresach prędkości eksploatacyjnych zmniejszają opór całkowity o ca 20%.
Na statkach śródlądowych pływających na wodach płytkich opór ciśnienia powstaje dodatkowo na skutek zmniejszenia ciśnienia wody opływającej kadłub od strony dna. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy rufie tunelowej o dennym dopływie wody do śrub.
Śruba „wybierając” wodę spod dna statku powoduje przyssanie rufy do dna rzeki lub kanału. Zwiększenie naporu pędników przez podwyższenie obrotów silników głównych zjawisko to potęguje. Zwiększa się również wtedy masa wody towarzyszącej za rufie statku.
Generalnie na wodach płytkich obserwuje się zwiększenie oporu podobnie jak przy ruchu statku w kanale. Zwiększenie oporu na wodach płytkich jest tym znaczniejsze im płytsza jest woda i większa prędkość statku. Na kanałach opór zwiększa się w miarę zmniejszania przekroju poprzecznego kanału. Zależy on również od kształtu dna i brzegów kanału. Najmniejszy wzrost oporu na kanałach o tej samej powierzchni przekroju poprzeczne- go występuje na kanałach o przekroju prostokątnym.
Opory dodatkowe zależą najczęściej od wielkości części statku wystającej nad powierzchnię wody (opór powietrza) ilości i rodzaju części wystających kadłuba pod wodą, falowanie wody, prędkości i kierunku wiatru, opory tarcia o dno i brzegi kanału. Wzrost oporu całkowitego na skutek oporów dodatkowych może dochodzić do 25% w zależności od warunków atmosferycznych panujących na danym akwenie wodnym.
OPORY NA RZEKACH
Opór statków na rzekach wzrasta na skutek wzrostu prędkości opływu kadłuba przez wodę wywołany zmniejszeniem przekroju przepływu, co powoduje wzrost oporu tarcia, oraz na skutek zmiany kształtu i sposobu rozchodzenia się fal wywołanych przez poruszający się statek, co powoduje zwiększenie oporu falowego. Wzrost oporu falowego jest dużo większy od wzrostu oporu tarcia Wpływa na te zjawiska fakt bliskości dna i brzegów rzeki, Głębokość wody tak jak po ruchu statku na kanałach ma zasadniczy wpływ na opór na rzekach. Przy pływaniu statku z prądem czy pod prąd rzeki występuje jeszcze dodatkowy opór, który przy płynięciu w dół rzeki odejmuje się od oporu całkowitego, a przy ruchu w górę rzeki dodaje się do oporu całkowitego.
Jest to tzw. opór spadku, który jest uzależniony od pochylenia dna rzeki względem poziomu (spadku hydraulicznego), wpływa on na prędkość statku.
OPÓR JEDNOSTEK SZYBKICH
Przy zwiększaniu się prędkości poruszającego się statku rośnie siłą wyporu hydrodynamicznego, związanego z ruchem statku. Ciężar statku równoważony jest przez wypór statyczny i składową pionową Wn siły hydrodynamicznej.
Ze wzrostem prędkości rośnie udział wyporu hydrodynamicznego i gdy prawie cały ciężar statku równoważy wypór hydrodynamiczny statek osiąga stan ślizgania się. Oczywiście zjawisko to występuje przy statkach specjalnych, sportowych o kadłubie w kształcie V, saniowym lub trójpunktowym (motorowe łodzie regatowe). Zjawisko to występuje również przy pływaniu wodolotu – ślizg na płatach lub na nartach wodnych. Opór całkowity jednostek w ślizgu jest mniejszy niż takiej samej jednostki wypornościowej, gdyż zmniejszył się opór tzw. bryzgowy, ale ich suma jest mniejsza niż ubytek oporu falowego i tarcia, dlatego rośnie prędkość jednostek szybkich wraz z wynurzeniem kadłuba.
OPÓR JEDNOSTEK HOLOWANYCH I PCHANYCH
Przy pociągu holowniczym opór całkowity nie jest równy sumie oporów poszczególnych statków. Na zwiększenie oporu całkowitego pociągu wpływa oddziaływanie strumienia zaśrubowego holownika tym większym im bliżej barek holownik się znajduje, natomiast na jego zmniejszenie wpływa sposób rozmieszczenia barek za względem siebie są holownikiem. Najlepsze efekty osiąga się gdy barki znajdują się na długim holu od holownika, natomiast bardzo blisko i po burtach i dnie są umieszczone płyty, zmniejszające zaburzenia wody opływającej kadłub. Zwiększenie oporu jednostek holowanych wynosi jednak średnio od 20% do 50%. Przy pchaniu jednostek obserwujemy zmniejszenie oporu całkowi- tego w stosunku do statków holowanych o 10 -15%. Spowodowane to jest brakiem oddziaływania strumienia zaśrubowego holownika oraz zmniejszenia oporu ciśnienia na skutek polepszenia warunków opływu statku przez wodę.