Laivat ja veneet

Keskimääräinen tiheys

Jos ajatus työntövoimasta on edelleen hieman hämmentävä, palaa ajattelemaan tiheyttä. Kuvittele, että lentotukialus olisi jättimäinen metallilaatikko, jolla on sama tilavuus (kuin isolla kenkälaatikolla) ja joka on osittain täytetty moottoreilla, lentokoneilla, merimiehillä ja kaikella muulla – eli se painaa yhtä paljon. Laatikko kelluisi, jos se painaisi vähemmän kuin vedellä täytetty samankokoinen laatikko, muuten se uppoaisi. Lyhyesti sanottuna lentotukialus siis kelluu, koska se painaa vähemmän kuin sama määrä vettä – koska sen keskimääräinen tiheys on pienempi kuin sitä ympäröivän veden tiheys.

Kuva: Yksinkertaisin tapa ymmärtää, miksi asiat kelluvat, on unohtaa Arkhimedes ja ajatella sen sijaan tiheyttä. Laiva kelluu, koska sen keskimääräinen tiheys on suhteellisen pieni. Tämä tyhjä sotilaskuljetusalus on käytännössä jättimäinen tyhjä metallilaatikko. Jakamalla sen kokonaismassa (sen oma massa ja sisällön massa) sen tilavuudella saadaan sen keskimääräinen tiheys. Se on pienempi kuin kiinteän metallilaatikon tai vedellä täytetyn metallilaatikon tiheys, ja siksi alus kelluu. Photo by Gary Keen courtesy of US Navy.

Miksi veneet eivät kaadu?

Jos olet joskus kiivennyt laituriin kiinnitettyyn soutuveneeseen, tiedät, miten epävakaita pienet veneet voivat olla, kun niitä aletaan lastata. Kun seisot veneessä, sinusta tulee käytännössä osa sitä, joten muutat sen painopistettä, jolloin se on välittömästi paljon korkeammalla. Koska veneeseen astutaan sivusta, heti kun astut veneeseen, painopiste siirtyy sinne, missä seisot.Nyt painopiste ei ole enää veneen keskipisteen yläpuolella, mikä saa koko veneen pyörimään sinua kohti. Vene voi heilua puolelta toiselle suhteellisen vapaasti; koska se on positiivisesti kelluva, sen liikuttamiseen vedessä tarvitaan vain pieni voima. Kaikki nämä seikat yhdessä tekevät pienestä veneestä suhteellisen helposti kaatuvan (kääntyy kyljelleen ja usein uppoaa). Istumalla pienessä veneessä alhaalla painovoiman keskipistettä madalletaan ja siitä tulee vakaampi.

Kuva: Pienet veneet voivat olla melko epävakaita, vaikka niissä olisi köli. Kova tuuli voi kaataa tämän veneen, minkä vuoksi miehistö istuu kaikki reunalla tasapainottaakseen kääntövoimaa omalla painollaan. Photo by Chad Runge courtesy of US Navy.

Kookkaammat veneet eivät kärsi tästä ongelmasta.Ensinnäkin niissä on yleensä raskaat metallimoottorit hyvin alhaalla vedenpinnan alapuolella, mikä antaa niille matalan painopisteen ja tekee niistä vakaampia. Toiseksi niissä on korkeampi köli (pystysuora lauta, joka kulkee veden alla selästä eteen veneen alla olevaa keskimmäistä ”selkärankaa” pitkin. Köli auttaa estämään veneen vierimisen (liikkumisen puolelta toiselle) tai kaatumisen, koska se tarkoittaa, että veneen työntämiseen sivuttain veden läpi tai sen kääntämiseen tarvitaan enemmän voimaa. Köli vaikuttaa myös veneen ohjaamiseen ja kuljettamiseen, kuten kohta nähdään.

Miten veneet liikkuvat?

Painovoima on voima, jota vastaan joudumme työskentelemään kävellessämme maalla. Muttajos olet innokas uimari,tiedät, että se ei oikeastaan ole ongelma, kun liikut vedessä, koska kehosi on suhteellisen kelluva: vaikka kehosi on enimmäkseen vettä, se ei ole kokonaan vettä (se painaa vähemmän kuin täsmälleen samankokoinen vesipussi). Veden vastus (vastus) on ylivoimaisesti suurin voima, jota vastaan uimarit joutuvat työskentelemään, ja tämä pätee myös veneisiin. Mitä enemmän painoa veneessä on, sitä alempana se on vedessä ja sitä enemmän vedenvastusta se aiheuttaa. Siksi veneissä on terävä ja kapea keula (joka työntää veden pois tieltä) ja kaarevat etureunat, jotka tasoittavat (nostavat veneet ylös vedestä niiden liikkuessa). Hydrofoilit vievät tämän ajatuksen äärimmilleen käyttämällä vedenalaisia siipiä, jotka nostavat niiden rungon ylös ja irti vedestä niiden liikkuessa.

Kuva: Hydrofoil on venetyyppi, joka käyttää vedenalaisia siipiä tuottamaan nostetta, kun se kulkee eteenpäin ja nostaa rungon aaltojen yläpuolelle vähentääkseen vedenvastusta. Kuva: Mark S. Kettenhofen, US Navy.

Veneet, kuten useimmat muutkin esineet, liikkuvat Newtonin kolmen liikelain avulla: Kun on olemassa sopiva voima, se saa ne kiihtymään (liikkumaan nopeammin tai uuteen suuntaan), ja suurempi voima kiihdyttää niitä enemmän. 3) Jos vene haluaa mennä eteenpäin, sen on kohdistettava taaksepäin työntävä voima – aivan kuten sinun on potkaistava rullalaudalla taaksepäin ampuaksesi alas jalkakäytävällä (tai työnnettävä jaloillasi taaksepäin kävellessäsi eteenpäin).

Useimmissa veneissä käytetään jotakin kolmesta eri voimanlähteestä: airoja tai sauvoja, purjeita ja moottoreita.

Autot ja sauvat

Kuva: Ihmisen voimanlähde on edelleen luotettava tapa antaa veneelle voimaa, mutta jollei molemmilla puolilla ole yhtä monta airoa (tai jos et vaihda jatkuvasti puolta toiselle puolelle), liikut jommallekummalle puolelle enemmän. Kuva: Clay Weis, US Navy.

Vanhin veneen käyttövoima on yksinkertainen ihmisvoima. Voit soutaa venettä vetämällä vettä taaksepäin suurilla meloilla tai voit työntää jotakin, kuten lauttaa, eteenpäin työntämällä sitä jokea tai merenpohjaa vasten. Soutuvoima saavutti huippunsa kreikkalaisella ja roomalaisella ajalla kehitetyillä mahtavilla kaleereilla. Biremeissä (ehkä toiselta vuosituhannelta eaa.) oli kaksi laituria täynnä soutajia, kun taas triremeissä (keksitty muutama sata vuotta eaa.) oli kolme laituria, quadriremeissä oli neljä laituria ja quinquiremeissä viisi laituria (vaikkakin on epävarmaa, olisivatko veneet, joissa oli niin monta ihmistä niin korkealla, olleet vakaita tai tehokkaita). Joka tapauksessa ne väistyivät pian purjevoiman tieltä.

Purjeet

Jos ripustat lakanoita kuivumaan kovassa tuulessa, tiedät tarkalleen, miten purjeveneet toimivat! Mutta veneet eivät aina halua purjehtia niin, että tuuli puhaltaa suoraan niiden takaa.Käytännössä se tarkoittaa, että purjeet on asetettava vinoon,mutta tuuli yrittää silloin puhaltaa venettä tuosta kulmasta eikä siitä suunnasta, johon haluat mennä. Tuulen aiheuttama voima työntää sinua yhteen suuntaan, joten tarvitset myös muita voimia muista suunnista korjataksesi sen ja tuottaaksesi resultanttivoiman (yhdistetyn voiman) siihen suuntaan, johon todella haluat mennä. Kaksi muuta voimaa auttaa. Toinen on kölin aiheuttama voima. Jos tuuli puhaltaa venettä osittain sivuttain, köli painaa vettä vasten ja auttaa viemään venettä eteenpäin. Voit myös kallistaa veneen takaosassa olevaa peräsintä niin, että veden osuessa siihen se lähtee vinosti liikkeelle ja ohjaa venettä jommallekummalle puolelle. (Peräsimet sijoitettiin ennen veneen oikealle puolelle ja niitä kutsuttiin ohjailulaudoiksi, minkä vuoksi veneen oikeaa puolta eteenpäin päin kutsutaan vielä tänäkin päivänä styyrpuuriksi; vasenta puolta kutsutaan paapuuriksi.)

Kuva: Veneissä on useita purjeita, jotta ne voivat ottaa tuulta vastaan mistä tahansa suunnasta. Photo by Eric Brown courtesy of US Navy.

Jos haluat purjehtia vastatuuleen, sinun on käytettävä atriangulaarista tai lateen-purjetta, joka on ripustettu veneen keulaan kulmassa vastatuuleen nähden. Kun tuuli osuu purjeeseen, se puhaltaa sen ympärille ja kiihtyy; purje toimii samalla tavalla kuin airfoil (lentokoneen siiven kaareva pinta), se heittää ilmaa sen ympärille ja taakse ja työntää venettä eteenpäin (aivan kuten siiven alaspäin suuntautuva ilma työntää lentokonetta ylöspäin).

Moottorit

Vanhojen aikojen merimiehet olivat hukassa, jos ei ollut tuulta mukana, mutta nykyään se ei ole enää ongelma moottoreiden ansiosta, joita voidaan käyttää potkureiden voimanlähteenä. Ensimmäiset moottoriveneet käyttivät korkeapaineisia höyrykoneita, joiden polttoaineena käytettiin hiiltä; nykyaikaiset moottorit ovat poikkeuksetta dieselkäyttöisiä. Ainoa todellinen ongelma polttomoottoreiden käyttämisessä veneiden voimanlähteenä on se, että polttoaineen polttaminen edellyttää jatkuvaa hapen saantia, minkä vuoksi niitä ei voida käyttää vedenalaisten sukellusveneiden voimanlähteenä. On kuitenkin olemassa kiertotie: pinnan läheisyydessä olevaa dieselmoottoria voidaan käyttää generaattorin käyttämiseen ja akkujen lataamiseen, joita sitten käytetään sähkömoottorin ja potkurin käyttämiseen, kun sukellusvene on veden alla. (Ydinvoima on toinen vaihtoehto, ja sen ansiosta sukellusvene voi olla veden alla viikkoja tai kuukausia kerrallaan.)

Eivät kaikki moottorikäyttöiset veneet käytä potkureita.Jet Skis® ja jetfoilit (isot, vesikelkkaversiot jetskeistä) käyttävät moottoreita juoksupyörien (vesipumppujen) voimanlähteinä, jotka luovat voimakkaan takavettä suuntaavan vesisuihkun. Takaisin veteen ampuvan veden voima vie venettä eteenpäin, aivan kuten suihkumoottorin kuuma pakokaasu.

Millaisista materiaaleista veneitä valmistetaan?

Veneiden valmistuksessa on joskus käytetty lähes kaikkia mahdollisia materiaaleja. Ensimmäiset veneet valmistettiin eläinten nahasta, kuoresta ja puusta; myöhemmin tulivat kaivetut veneet, jotka valmistettiin kauhomalla puuta huolellisesti valitusta puunrungosta. Muinaisina aikoina veneenrakentajat kehittivät taidon rakentaa veneet erillisistä lankuista joko kiinnittämällä yhden lankun reunat sitä ympäröivien lankkujen reunoihin kuin seinän tiilet (ns. karvalankkirakentaminen) tai, mikä vielä parempaa, limittämällä lankut alhaalta ylöspäin (ns. klinkkerirakentaminen), jolloin veneestä tulee vahvempi, kevyempi ja nopeampi. Teollinen vallankumous toi mukanaan toisen suuren innovaation: mahtavien rauta- ja teräsalusten aikakauden. Useimmat nykyaikaiset laivat rakennetaan vielä nykyäänkin teräksestä, vaikka se on suhteellisen raskasta. Siksi jotkin suuremmat veneet valmistetaan nykyään vahvoista, kevyistä metalleista, kuten alumiinista, kun taas pienemmät veneet valmistetaan usein kevyistä komposiiteista, kuten lasikuidusta tai erittäin vahvoista muoveista, kuten Kevlar®:stä.

Artwork: Klinkkerirakenteisissa veneissä (vasemmalla) lankut ovat päällekkäin, mikä antaa paljon vahvemman rungon; karvelirakenteisissa veneissä (oikealla) lankut on liitetty päittäin toisiinsa muodostaen sileän ulkopinnan.

Lyhyt historia laivoista ja veneistä

Tämän aikajanan linkit vievät yleensä lisätietoihin Wikipediassa ja muilla sivustoilla.

Esihistoriaa ja muinaisaikaa

• ~10.000 eaa: Ensimmäisiä veneitä ovat lautat, nahasta, nahasta ja kuoresta valmistetut veneet, kajakit ja kaivautumat.
• ~5000 eaa-3000 eaa: Mesopotamian merimiehet keksivät purjeet.
• ~3000 eaa: Muinaiset egyptiläiset valmistavat ensimmäiset veneet puulankuista.
• ~2500 eaa: Minolaisista ja mykeneläisistä tulee ensimmäisiä suuria merenkulkijoita, jotka tutkivat Välimerta.
• ~1500 eaa-27 eaa: Kreikkalaiset rakentavat jättimäisiä sotalaivoja, kuten biremejä ja triremejä.
• 27BCE-400CE: Roomalaiset rakentavat kaleereita, nykyaikaisten sota-alusten muinaisia esi-isiä, joiden innovaatioihin kuuluu muun muassa korotettu silta.
• ~300 eaa: Arkhimedes (287-212 eaa.) keksii kellumisen tieteen.
• 200 eaa: Lateenipurjeet ovat laajalti käytössä Välimerellä (vaikka niiden uskotaan olleen keksitty hieman aikaisemmin arabimaailmassa).

Keskiaika

• 300: Viikingit keksivät klinkkerirakentamisen.
• 1200:
• 1400-1600: Suurin osa suurista laivoista on puurakenteisia ja purjehduskäyttöisiä, ja niitä ovat mm. kogit, karakit, kaleerit ja galeonit.
• 1620: Cornelis Drebble rakentaa ensimmäisen sukellusveneen puusta.
• 15. vuosisata: Kristoffer Kolumbuksen (1451-1506),Vasco da Gaman (1460-1524),Ferdinand Magellanin (1480-1521),ym. suuret matkat ovat pioneereja valtamerten tutkimisessa ja maailmanympärysmatkoilla.

Merenkulun suuri aikakausi

Kuva: USS Constitution, lempinimeltään ”Old Ironsides”, on klassinen, kolmimastoinen fregatti (sota-alus) vuodelta 1797, joka on jo kauan sitten poistunut sotilastehtävistä ja on nyt kiehtova museo Bostonissa. Kuva: Kathryn E. Macdonald US Navy.

• 1777: Ensimmäinen rautarunkoinen vene rakennetaan (Englannissa).
• 1783: Markiisi d’Abbans (1751-1832) rakentaa ensimmäisen höyrylaivan.
• 19. vuosisata: Perustetaan säännöllinen ”pakettilaivaliikenne”, joka purjehtii aikataulujen mukaan. Nopeat klipperilaivat tekevät purjehdusennätyksiä.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) tekee ennätyksen matkalla New Yorkista Albanyyn höyrylaivalla nimeltäClermont.
• 1819: Höyrylaiva SS Savannah ylittää Atlantin ennätyksellisessä 29 päivässä.
• 1836: Nykyaikaiset potkurit keksivät(itsenäisesti) Francis Pettit Smith (1808-1874) ja John Ericsson(1803-1889).
• 1837: Isambard Kingdom Brunelin (1806-1859) rakentamasta jättimäisestä höyrylaivasta nimeltä Great Western tulee ensimmäinen Atlantin ylittänyt rautalaiva.
• 1850-luku: Englantilainen laivanrakentaja John Jordan valmistaa luultavasti ensimmäisen komposiittilaivan lisäämällä puulankkuverhouksen rautarungon päälle.
• 1870-1898: John Holland suunnittelee ja rakentaa ensimmäisen käytännöllisen moottorikäyttöisen sukellusveneen, mutta ei saa Yhdysvaltain laivastoa vakuuttuneeksi sen mahdollisuuksista.
• 1877: Englantilainen keksijä John Thornycroft patentoi leijuvan ilmatyynyaluksen varhaisen muodon, joka perustuu kelluvaan liljamattoon.
• 1884: Sir Charles Parsons keksii erittäin tehokkaan höyrykoneen, höyryturbiinin. Vuonna 1897 hän kehittää höyryturbiinikäyttöisen moottoriveneen nimeltä Turbinia.
• 1886: Saksalainen autoteollisuuden pioneeri Gottlieb Daimler käyttää bensiinimoottoria veneen käyttövoimana.
• 1886: Gluckauf, yksi ensimmäisistä valtameritankkereista, rakennetaan ja lasketaan vesille Britanniassa.
• 1880: Eläkkeelle jäänyt ruotsalainen merivoimien upseeri Charles G. Lundborg keksii SWATH (smallwaterplane area twin-runko) -veneet, jotka kulkevat korkealla aaltojen yläpuolella kahdella upotetulla rungolla.

Modernit laivat

• ~1900-luku: Varakkaat ihmiset nauttivat romanttisesta, ylellisestä valtamerimatkustuksen aikakaudesta laivoilla kutenMauretania,Lusitania jaAquitania.
• 1906: Enrico Forlanini keksii kantosiipialuksen.Myös puhelimen pioneeri Alexander Graham Bell osallistuu sen kehittämiseen.
• 1912: Titanic-niminen ”käytännössä uppoamaton” luksuslinja jää historiaan kaikkien aikojen kuuluisimpana merikatastrofina, kun se törmää jäävuoreen ja uppoaa surmaten yli 1500 ihmistä.
• 1930-luku: Saksalaiset kehittävät snorkkelin, hengitysputken, jonka avulla sukellusveneiden dieselmoottorit toimivat veden alla, mikä vähentää havaitsemisriskiä.
• 1943: Laivojen kaasuturbiinimoottoreita käytetään ensimmäistä kertaa.
• 1955: Yhdysvaltain laivasto laskee vesille ensimmäisen ydinkäyttöisen sukellusveneen, USS Nautiluksen.
• 1956: Ideal X, ensimmäinen konttialus, lasketaan vesille Newarkissa, NJ:ssä.
• 1959: Christopher Cockerellin ilmatyynyalus tekee neitsytmatkansa.
• 1960: Jacques Piccard ja luutnantti Don Walsh USA:n laivastosta sukeltavat noin 11 kilometrin (6 mailin) päähän valtamerten syvimpään osaan, Mariaanien juoksuhautaan, Triesten supervahvistetulla sukellusaluksella (bathyscaphe).
• 1962: Scripps Institutionin FLIP-alusta käytetään ensimmäisen kerran valtameren aaltojen liikkeiden tutkimiseen.
• 1964: Woods Hole Oceanographic Institution Massachusettsissa kehittää syvälle sukeltavan tieteellisen sukellusveneen nimeltä Alvin, joka alkaa tutkia valtamerta lähes 5 kilometrin (3 mailin) syvyydessä.
• 1978: Tieteellinen tutkimusalus JOIDESResolution lasketaan vesille, jonka avulla tutkijat voivat tutkia merenpohjaa yksityiskohtaisemmin kuin koskaan aikaisemmin.
• 1992: Yhdysvaltain laivasto romuttaa viimeisen jättiläislaivansa USS Missourin.
• 1993: USA:n laivasto ottaa käyttöön SWATH-malliin perustuvan Sea Shadow -nimisen kokeellisen, tutkasta näkymättömän häilyveneen. Vuonna 2011 laivasto ilmoittaa aikovansa romuttaa aluksen.
• 2012: Saksassa rakennetusta MS Tûranor PlanetSolar -aluksesta tulee ensimmäinen aurinkokennoilla toimiva ajoneuvo, joka kiertää maailman.
• 2014: Norled MF Ampere,maailman ensimmäinen täysin sähköinen, akkukäyttöinen auto- ja matkustajalautta, aloittaa liikennöinnin Norjassa,ja säästää miljoona litraa dieseliä vuodessa.