Skibe og både

Gennemsnitlig massefylde

Hvis du stadig synes, at ideen om opdrift er lidt forvirrende, så gå tilbage til at tænke på massefylde. Forestil dig, at hangarskibet var en gigantisk metalkasse med samme volumen (som en stor skotøjsæske), der delvist var fyldt med motorer, fly, sømænd og alt muligt andet – så den vejer lige så meget. Den kasse ville flyde, hvis den vejede mindre end en kasse af samme størrelse fyldt med vand; ellers ville den synke. Så kort sagt, et hangarskib flyver, fordi det vejer mindre end det samme volumen vand – fordi dets gennemsnitlige massefylde er mindre end det vand, der omgiver det.

Foto: Den enkleste måde at forstå, hvorfor ting flyder, er at glemme Archimedes og i stedet tænke på densitet. Et skib flyder, fordi dets gennemsnitlige massefylde er relativt lille. Dette tomme militære transportskib er i realiteten en kæmpe tom metalkasse. Divider dens samlede masse (dens egen masse plus dens indholds masse) med dens volumen, og du får dens gennemsnitlige massefylde. Det er mindre end tætheden af en massiv metalkasse eller en metalkasse fyldt med vand, og det er derfor, at skibet flyder. Foto af Gary Keen med tilladelse fra US Navy.

Hvorfor kæntrer både ikke?

Hvis du nogensinde er kravlet op på en robåd, der er bundet til en mole, har du en fornemmelse af, hvor ustabile små både kan være, når du begynder at læsse dem. Når du står i en båd, bliver du effektivt en del af den, så du ændrer dens tyngdepunkt, hvilket øjeblikkeligt gør den meget højere oppe. Da man går ind i en båd fra siden, flytter man i det øjeblik, man træder om bord, tyngdepunktet over mod det sted, hvor man står. nu er tyngdepunktet ikke længere over midten af båden, og det får det hele til at rotere mod en. En båd kan svinge relativt frit fra side til side; da den har positiv opdrift, skal der kun en lille kraft til at få den til at bevæge sig i vandet. Alle disse ting tilsammen gør det relativt let for en lille båd at kæntre (dreje om på siden og ofte synke). Ved at sætte sig ned i en lille båd sænker man tyngdepunktet og gør den mere stabil.

Foto: Små både kan være ret ustabile, selv med en køl. Den kraftige vind kunne få denne båd til at kæntre, og det er derfor, at besætningen alle sidder langs kanten for at afbalancere drejekraften med deres egen vægt. Foto af Chad Runge med tilladelse fra US Navy.

Større både lider ikke under dette problem.For det første har de ofte tunge metalmotorer meget langt nede under vandoverfladen, hvilket giver dem et lavt tyngdepunkt og gør dem mere stabile. For det andet har de en større køl (et lodret bræt, der løber under vandet fra ryg til front langs den centrale “rygsøjle” under båden. Kølen er med til at forhindre, at en båd ruller (bevæger sig fra side til side) eller kæntrer, fordi det betyder, at der skal mere kraft til at skubbe båden sidelæns gennem vandet eller dreje den. Kølen spiller også en rolle i styringen og fremdriften af båden, som vi vil se om lidt.

Hvordan bevæger bådene sig?

Tyngdekraften er den kraft, vi skal arbejde imod, når vi går på land. Men hvis du er en ivrig svømmer, vil du vide, at det ikke rigtig er et problem, når du bevæger dig på vandet, fordi din krop har en relativ flydeevne: selv om din krop for det meste består af vand, er den ikke kun vand (den vejer mindre end en pose vand af nøjagtig samme størrelse). Vandmodstand (drag) er langt den største kraft, som svømmere skal arbejde imod – og det gælder også for både. Jo mere vægt en båd har, jo lavere ligger den i vandet, og jo mere vandmodstand skaber den. Det er derfor, at både har skarpe og smalle stævne (for at skubbe vandet rent af vejen) og buede forkanter, der planerer (løfter dem op af vandet, når de bevæger sig). Hydrofoils skubber denne idé til grænsen ved at bruge undervandsvinger til at løfte deres skrog op og fri af vandet, mens de bevæger sig fremad.

Foto: En hydrofoil er en bådtype, der bruger undervandsvinger til at skabe løft, når den bevæger sig fremad, hvilket hæver skroget over bølgerne for at reducere vandmodstanden. Foto af Mark S. Kettenhofen, venligst udlånt af US Navy.

Som de fleste andre genstande fremdriver både sig selv ved at udnytte Newtons tre bevægelseslove: 1) De bevæger sig ingen steder, medmindre en kraft af en eller anden art skubber eller trækker dem; 2) Når der er en passende kraft, får det dem til at accelerere (bevæge sig hurtigere eller i en ny retning), og en større kraft vil accelerere dem mere; 3) Hvis en båd ønsker at gå fremad, skal den anvende en skubbende kraft bagud – ligesom du skal sparke tilbage med et skateboard for at skyde ned ad fortovet (eller skubbe tilbage med dine ben for at gå fremad).

De fleste både bruger en af tre forskellige former for kraft: årer eller pæle, sejl og motorer.

Åre og pæle

Foto: Menneskelig kraft er stadig en pålidelig måde at drive en båd på, men medmindre du har lige mange årer på begge sider (eller bliver ved med at bytte side), vil du bevæge dig mere til den ene side end til den anden. Foto af Clay Weis, venligst udlånt af US Navy.

Den ældste form for fremdrift af både er simpel menneskekraft. Man kan ro en båd ved at trække vandet bagud med store padler, eller man kan sætte noget som en tømmerflåde fremad ved at skubbe mod en flod eller havbund. Årekraft nåede sit højdepunkt med de fantastiske galejer, der blev udviklet i græsk og romersk tid. Biremes (måske fra det andet årtusinde f.v.t.) havde to platforme fyldt med roere, mens triremes (opfundet et par hundrede år f.v.t.) havde tre, quadriremes havde fire og quinquiremes fem (selv om det er usikkert, om både med så mange mennesker pakket ind i en sådan højde ville have været hverken stabile eller effektive). Under alle omstændigheder overgik de hurtigt til sejlkraft.

Sejle

Hvis du hænger sengelinned til tørre i stærk vind, ved du præcis, hvordan sejlbåde fungerer! Men bådene vil ikke altid sejle af sted med vinden lige bag sig. I praksis betyder det, at sejlene skal placeres i en vinkel, men vinden vil så forsøge at blæse båden i den vinkel i stedet for i den retning, du ønsker at sejle. Vindens kraft skubber dig i én retning, så du har brug for andre kræfter også i andre retninger for at korrigere den og skabe en resulterende (kombineret) kraft i den retning, du faktisk ønsker at sejle. To andre kræfter hjælper. Den ene er en kraft fra kølen. Hvis vinden blæser båden delvist sidelæns, skubber kølen mod vandet og hjælper til at drive båden fremad. Man kan også vinkle roret bag på båden, så det, når vandet rammer det, skyder skråt afsted og styrer båden til den ene eller den anden side. (Rorene var tidligere placeret på højre side af båden og blev kaldt styrebrætter, hvilket er grunden til, at højre side af en båd, der vender fremad, stadig den dag i dag kaldes styrbord; venstre side kaldes bagbord.)

Foto: Yachts har flere sejl, så de kan fange vinden fra alle retninger. Foto af Eric Brown, venligst udlånt af US Navy.

Hvis du vil sejle mod vinden, skal du bruge et atriangulært eller lateen-sejl, der hænger forrest på båden i en vinkel i forhold til den modgående vind. Når vinden rammer sejlet, blæser den rundt om det og accelererer; sejlet fungerer på samme måde som en flyveplade (den buede overflade på en flyvemaskinevinge), idet det kaster luft rundt om og bagved og skubber båden fremad (ligesom den nedadgående luft fra en vinge driver et fly opad).

Motorer

De gamle sejlere var fortabte uden vind, men det er ikke et problem, vi har nu, takket være motorer, som kan bruges til at drive propellerne. De første motordrevne både brugte højtryksdampmaskiner, der blev drevet af kul; moderne motorer er uvægerligt dieseldrevne. Det eneste reelle problem ved at bruge forbrændingsmotorer til at drive både er, at de har brug for en konstant iltforsyning for at forbrænde brændstoffet; det betyder, at de ikke kan bruges til at drive ubåde under vandet. Der er dog en løsning: Man kan bruge en dieselmotor nær overfladen til at drive en generator og oplade batterier, som så bruges til at drive en elmotor og propellen, når ubåden er under vandet. (Atomkraft er en anden mulighed og betyder, at en ubåd kan være under vandet i uger eller måneder ad gangen.)

Det er ikke alle motordrevne både, der bruger propeller.Jet Ski® og jetfoils (store hydrofoil-versioner af jetski) bruger motorer til at drive impeller (vandpumper), der skaber en kraftig vandstråle, der peger mod bagvandet. Kraften fra vandet, der skyder tilbage i vandet, driver båden fremad, ligesom den varme udstødningsgas fra en jetmotor.

Hvilke materialer er både lavet af?

Næsten alle de materialer, du kan forestille dig, er blevet brugt til at lave både på et eller andet tidspunkt. De første både blev lavet af dyrehud, bark og træ, og senere kom der uddybninger, som blev lavet ved at skære træet ud af en omhyggeligt udvalgt træstamme. I oldtiden perfektionerede bådebyggerne kunsten at bygge bådene af separate planker, enten ved at fastgøre kanterne på en planke til kanterne på de omkringliggende planker som mursten i en mur (det er kendt som “carvelbygning”) eller, endnu bedre, ved at overlappe plankerne fra bunden og opefter (en teknik, der er kendt som “klinkbygning”), hvilket giver en stærkere, lettere og hurtigere båd. Den industrielle revolution bragte endnu en stor nyskabelse med sig: de mægtige jern- og stålskibes tidsalder. De fleste moderne skibe er stadig bygget af stål i dag, selv om det er relativt tungt. Derfor er nogle større både nu lavet af stærke, lette metaller som f.eks. aluminium, mens mindre både ofte er lavet af lette kompositmaterialer som glasfiber eller superstærke plastmaterialer som Kevlar®.

Artwork: Klinkerbyggede både (til venstre) har overlappende planker, hvilket giver et meget stærkere skrog, mens plankerne er sat sammen med hinanden i enderne for at danne en glat ydre overflade.

En kort historie om skibe og både

Linkene i denne tidslinje fører som regel til yderligere oplysninger på Wikipedia og andre websteder.

Forhistorie og oldtid

• ~10.000 f.Kr: De første både omfatter flåder, skind-, skind- og barkbåde, kajakker og udhuggere.
• ~5000BCE-3000BCE: Mesopotamiske sejlere opfinder sejl.
• ~3000 fvt: De gamle egyptere fremstiller de første både af træplanker.
• ~2500 fvt: Minoerne og mykenerne bliver de første store søfarere, der udforsker Middelhavet.
• ~1500BCE-27BCE: Minoerne og mykene bliver de første store søfarere og udforsker Middelhavet: Grækerne bygger gigantiske krigsskibe, herunder biremes og triremes.
• 27BCE-400CE: Romerne bygger galejer, de gamle forfædre til moderne krigsskibe, med nyskabelser, herunder en hævet bro.
• ~300 f.Kr: Archimedes (287-212 fvt.) udtænker videnskaben om flydeevne.
• 200 e.v.t.: Arkimedes (287-212 fvt.) udtænker videnskaben om flydeevne: Lateen-sejl anvendes i stor udstrækning i Middelhavet (men de menes dog at være opfundet noget tidligere i den arabiske verden).

Middelalderen

• 300: Vikingerne opfinder klinkbyggeriet.
• 1200: Det centrale ror begynder at erstatte “styrebrættet”.
• 1400-1600: De fleste store skibe er træbyggede og sejldrevne og omfatter kogger, karreer, galejer og galeoner.
• 1620: Cornelis Drebble bygger den første ubåd af træ.
• 15. århundrede: Store rejser af Christoffer Columbus (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Ferdinand Magellan (1480-1521) og andre er pionerer inden for udforskning af havene og jordomsejling.

Sejladsens store tidsalder

Foto: USS Constitution, der har fået tilnavnet “Old Ironsides”, er en klassisk tremastet fregat (krigsskib) fra 1797, der for længst er trukket tilbage fra militær tjeneste og nu er et fascinerende museum i Boston. Foto af Kathryn E. Macdonald, venligst udlånt af US Navy.

• 1777: Den første jernskrogede båd bygges (i England).
• 1783: Marquis d’Abbans (1751-1832) bygger den første dampbåd.
• 19. århundrede: Der oprettes regelmæssige “pakkerejser”, der sejler efter tidsplaner. Hurtige clipperskibe sætter sejlrekorder.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) sætter rekord i at sejle fra New York City til Albany med en dampskib kaldet Clermont.
• 1819: Dampskibet SS Savannah krydser Atlanterhavet på en rekordtid på 29 dage.
• 1836: Moderne propeller opfindes(uafhængigt af hinanden) af Francis Pettit Smith (1808-1874) og John Ericsson (1803-1889).
• 1837: Great Western, et gigantisk damp-poweredship kaldet bygget af Isambard Kingdom Brunel (1806-1859), bliver den første jernbåd, der krydser Atlanten.
• 1850’erne: Den engelske skibsbygger John Jordan fremstiller sandsynligvis det første kompositskib ved at tilføje en beklædning af træplanker over en jernramme.
• 1870-1898: John Holland designer og bygger den første praktiske, motordrevne ubåd, men har svært ved at overbevise USNavy om dens potentiale.
• 1877: Den engelske opfinder John Thornycroft patenterer en tidlig form for svævefartøj baseret på en flydende liljepude.
• 1884: Sir Charles Parsons opfinder en meget effektiv dampmaskine kaldet dampturbinen. I 1897 udvikler han en dampturbinedrevet motorbåd kaldet Turbinia.
• 1886: Den tyske bilpioner Gottlieb Daimler bruger en benzinmotor til at drive en båd.
• 1886: Gluckauf, et af de første oceangående tankskibe, bygges og søsættes i Storbritannien.
• 1880: Den pensionerede svenske flådeofficer Charles G. Lundborg opfinder SWATH-både (smallwaterplane area twin hull), der sejler højt over bølgerne på to nedsænkede skrog.

Moderne skibe

• ~1900-tallet: De velhavende nyder den romantiske og luksuriøse tidsalder, hvor man rejste til søs om bord på skibe som Mauretania, Lusitania og Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini opfinder flyvebåden.Telefonpioneren Alexander Graham Bell spiller også en rolle i udviklingen af den.
• 1912: Et “praktisk talt usinkbart” luksuslinjeskib kaldet Titanic får en plads i historien som den mest berømte havkatastrofe nogensinde, da det rammer et isbjerg og synker og dræber over 1.500 mennesker.
• 1930’erne: Tyskerne udvikler snorklen, et åndedrætsrør, der gør det muligt for dieselmotorer i ubåde at fungere under vandet, hvilket mindsker risikoen for at blive opdaget.
• 1943:
• 1955: For første gang anvendes gasturbinemotorer til skibe: US Navy søsætter den første atomdrevne undervandsubåd, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, det første containerskib, søsættes fra Newark, NJ.
• 1959: Christopher Cockerells luftpudefartøj foretager sin jomfrurejse.
• 1960: Jacques Piccard og løjtnant Don Walsh fra den amerikanske flåde dykker til ca. 11 km i den dybeste del af oceanerne, Marianergraven, i Trieste, et superforstærket dykkerskib (bathyscaphe).
• 1962: Jacques Piccard og Don Walsh fra den amerikanske flåde dykker til ca. 11 km i den dybeste del af oceanerne, Marianergraven: Scripps Instituttets FLIP-skib bruges for første gang til at studere havbølgernes bevægelse.
• 1964: Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts udvikler en dybt dykkende videnskabelig undervandsfartøj kaldet Alvin og begynder at udforske havet på næsten 5 km dybde.
• 1978: Det videnskabelige udforskningsfartøj JOIDESResolution søsættes, hvilket giver forskerne mulighed for at udforske havbunden mere detaljeret end nogensinde før.
• 1992: Den amerikanske flåde ophugger det sidste af sine kæmpe-battleskibe, USS Missouri.
• 1993: US Navy lancerer en eksperimentel, radarusynlig stealthbåd kaldet Sea Shadow, baseret på et SWATH-design. I 2011 meddeler flåden, at den har til hensigt at skrotte fartøjet.
• 2012: Det tyskbyggede MS Tûranor PlanetSolar bliver det første køretøj, der er drevet af solceller, til at sejle rundt om jorden.
• 2014: Norled MF Ampere, verdens første fuldt elektriske, batteridrevne bil- og passagerfærge, begynder at sejle i Norge og sparer en million liter diesel om året.