Jaký význam má cibulovitá příď lodí?

Jednou z věcí, která u většiny lodí často upoutá pozornost běžného člověka, je cibulovitý výstupek na přídi lodi, často pod čarou ponoru. Není pochyb o tom, že jste si někdy v životě položili otázku ohledně důvodu přítomnosti této konstrukce. Nuže, protože obecně připomíná tvar cibule a je vždy umístěna na přídi lodi, je známá jako cibulovitá příď.

Pohlédněme do doby zhruba za sto let. Vzpomínáte si na Titanic? Jistě jste si všimli, že neměl baňatou příď. Ale zkuste se podívat na přídě moderních výletních lodí, kontejnerových lodí, lodí na přepravu zkapalněného zemního plynu, výzkumných plavidel atd. Všechny se vyznačují baňatou přídí. Nejen jednotrupé lodě, ale dnes už téměř i katamarány mají spíše baňatou příď než příď rovnou. Proč?“

Když se loď vlní, vytváří své vlastní Kelvinovy vlny (ty, které vidíte kolem lodi, když pluje na otevřeném moři), jak je znázorněno na obrázku 1.

Nyní si to představte takto – vlny jsou v podstatě putující formy energie ve vodním prostředí. Odkud se tato energie vzala? Jinými slovy, kdo dodal energii částicím vody, aby vytvořily tyto vlny?

Tuto práci vykonává pohybující se hmota lodi. Všimněte si slova „pohybující se“. Pohyb lodi je poháněn jejím pohonným systémem. Část energie dodávané motorem přechází na otáčení lodního šroubu a část tohoto tahu vytvářeného lodním šroubem se zase hodí k vlastnímu pohonu lodi. Kam jde zbytek energie? Vzpomínáte si, že částice vody dostaly energii, aby mohly přenášet vlny? To je vaše odpověď. Tomu se také říká vlnový odpor lodi.

Nyní, proč o tom diskutujeme a co to má společného s baňatou přídí? Čtěte dále.

Podívejte se na loď s rovnou přídí (například Titanic). Jak se loď řítí vpřed, částice vody se pohybují směrem k zádi po celé délce lodi. Ale co s tou částicí vody, která dopadá přímo na osu kormidla? Její okamžitá rychlost je nulová, což se ve vědecké terminologii nazývá stagnační bod. Pokud si vzpomenete na Bernoulliho rovnici, tlak ve stagnačním bodě bude vyšší. Tlak vodních částic na přídi je tedy vyšší, čímž vzniká hřeben vlny. Tato vlna se nazývá příďová vlna, protože vzniká v důsledku pohybu přídě ve vodě, jak je znázorněno na obrázku 2. U rovné přídě se tedy vždy kontinuálně vytváří vlna, jejíž hřeben se nachází na přídi. Je tedy zřejmé, že při generování této vlny ztrácíme část výkonu motoru. Co když lze tento efekt vytváření vln omezit? Pokud ano, tak jak?

Pokud zavedeme další nespojitost (za nespojitost se považuje jakákoli konstrukce v lodi pod čarou ponoru, která narušuje laminární proudění) pod čarou ponoru na přídi, před dříkem lodi, bude tato nespojitost sama o sobě vyvolávat další vlnu v jejím nejpřednějším bodě. Vzhledem k tomu, že dřík je stále na čáře ponoru, bude vytvářet normální příďové vlny. Co když se nám podaří navrhnout tvar a polohu přerušení tak, aby příďová vlna a vlna vytvořená přerušením vedly k destruktivní interferenci? (Viz obrázek 3) No, to je v podstatě princip konstrukce baňaté přídě. Destruktivní interference má za následek snížení vlnobití lodi, což dále snižuje odpor tvaru trupu vytvářejícího vlny.

V úvodních fázích vývoje cibule bylo hlavním posláním konstrukce snížit odpor vytvářející vlny. Ale jak jsme postupovali dál, nemohli jsme přestat pronikat do dalších zajímavých aspektů, jak je uvedeno níže:

Vlnění vytvářející vlnu je významnou charakteristikou jemnějších tvarů trupu. Proto si u výletních lodí, linkových lodí, jachet a námořních křižníků můžete všimnout výrazných Kelvinových vlnoploch. Pokud si všimnete velkoobjemové lodi nebo ropného tankeru (plnější tvary trupu), je zřejmé, že tyto tvary trupu nevykazují výrazné Kelvinovy vlnoplochy. Proč? Protože šířka vodorysky u samotného dna je tak velká (nebo jinými slovy, nespojitost v proudění je vyšší), že tlak stoupá na takovou úroveň, že výška příďové vlny přesahuje hranici, do které si vlna udržuje své vlastnosti. V takovém případě se vlna láme přímo na samotné přídi ještě předtím, než projde podél lodi.

Jsou tedy plnější tvary trupu v tomto ohledu energeticky účinnější? Ne. Mají plnější tvary trupu vysokou odolnost proti vytváření vln? Ne. Mají plnější trupy vysokou odolnost proti lámání vln? Ano. S touto aplikací byly žárovky zavedeny také u velkoobjemových lodí a tankerů, aby se snížil jejich odpor proti lámání vln.

Různé typy žárovek podle jejich tvaru, polohy a orientace jsou uvedeny níže :

Poloha příďové vlny významně ovlivňuje fázový rozdíl mezi příďovou vlnou a příďovou vlnou. Objem baňky je rozhodujícím faktorem amplitudy výsledné vlny.

Další výhodou baňky je, že snižuje dynamické účinky náklonu lodi. U většiny lodí se vnitřek baňky používá jako předšpičková zátěžová nádrž. V případě velkého náklonu se příďová nádrž často balastuje, aby se snížil účinek náklonu.

Jak? No, doba náklonu je přímo úměrná podélné vzdálenosti závaží od LCG lodi. Když je příďový štít zatížen zátěží, zvyšuje se hmotnost ve větší vzdálenosti od LCG lodi (což je ve většině ideálních případů na zádi středolodí). Jinými slovy, zvětšuje se poloměr náklonu, a tím se zvyšuje perioda náklonu lodi. Zvýšená perioda náklonu má za následek menší dynamické účinky náklonového pohybu.

V případě plavby po ledu umožňuje baňka klouzat rozbitému ledu podél trupu jeho mokrou stranou proti trupu. Mokrá strana ledu, která má menší součinitel tření, snižuje celkový odpor lodi.

Bulbové přídě jsou také výhodné pro umístění příďových pohonů, jak je vidět na moderních lodích s příďovými pohonnými jednotkami. U námořních lodí, které používají vysokofrekvenční podvodní akustiku, jako je SONAR, působí baňaté přídě kromě pozitivních účinků na snížení odporu vzduchu také jako ochranné pouzdro.

Po opakovaných modelových testovacích postupech široké škály tvarů trupu a baňatých přídí bylo zjištěno, že baňky nejsou účinné při všech provozních rychlostech (vztahujte je k Froudovým číslům). Při velmi nízkých Froudeových číslech bylo zjištěno, že cibulovité přídě zvyšují odpor vzduchu. Zajímalo by vás, proč? Protože baňka je účinná pouze tehdy, když spolu s příďovou vlnou vytváří vlastní vlnu. Ale při velmi nízkých Froudeových číslech k vytváření vln téměř nedochází. Ale baňka, která je stále pod čarou ponoru, zvětšuje celkovou smáčenou plochu lodi, a proto přispívá ke zvýšení jejího odporu proti kožnímu tření.

Je to na vás?

Víte o významu baňaté přídě lodí více?