Hajók és hajók

Az átlagos sűrűség

Ha még mindig zavarosnak találod a felhajtóerő gondolatát, térj vissza a sűrűségre. Képzeld el, hogy a repülőgép-hordozó egy óriási, azonos térfogatú fémdoboz lenne (mint egy nagy cipősdoboz), amely részben tele van motorokkal, repülőgépekkel, matrózokkal és minden mással – tehát ugyanannyit nyom. Ez a doboz lebegne, ha kevesebbet nyomna, mint egy ugyanolyan méretű, vízzel töltött doboz; ellenkező esetben elsüllyedne. Röviden: egy repülőgép-hordozó tehát azért úszik, mert kevesebbet nyom, mint ugyanolyan térfogatú víz – mert az átlagos sűrűsége kisebb, mint az őt körülvevő vízé.

Fotó: A legegyszerűbben úgy érthetjük meg, hogy miért úsznak a dolgok, ha elfelejtjük Arkhimédészt, és helyette a sűrűségre gondolunk. Egy hajó azért úszik, mert az átlagos sűrűsége viszonylag kicsi. Ez az üres katonai szállítóhajó gyakorlatilag egy óriási üres fémdoboz. Ha elosztjuk a teljes tömegét (a saját tömege és a tartalma tömege) a térfogatával, megkapjuk az átlagos sűrűségét. Ez kisebb, mint egy tömör fémdoboz vagy egy vízzel töltött fémdoboz sűrűsége, és ezért úszik a hajó. Gary Keen fotója a US Navy jóvoltából.

Miért nem borulnak fel a hajók?

Ha valaha is másztál már fel egy mólóhoz kötött evezős csónakra, akkor tudod, hogy a kis hajók mennyire instabilak tudnak lenni, amikor elkezded megrakodni őket. Amikor beleállsz egy csónakba, gyakorlatilag a csónak részévé válsz, így megváltoztatod a súlypontját, ami azonnal sokkal magasabbra teszi azt. Mivel a csónakba oldalról lépsz be, abban a pillanatban, amikor a fedélzetre lépsz, a súlypontot áthelyezed arra a helyre, ahol állsz.Most a súlypont már nem a csónak középpontja felett van, és ez az egészet feléd forgatja. A csónak viszonylag szabadon lenghet egyik oldalról a másikra; mivel pozitív felhajtóereje van, csak kis erőre van szükség ahhoz, hogy megmozduljon a vízben. Mindezek együttesen azt eredményezik, hogy egy kis csónak viszonylag könnyen felborulhat (az oldalára fordul és gyakran elsüllyed). Ha leülsz egy kis csónakba, alacsonyabbra helyezed a súlypontot és stabilabbá teszed.

Fotó: A kis csónakok meglehetősen instabilak lehetnek, még gerinccel is. Az erős szél felboríthatja ezt a hajót, ezért a legénység mindannyian a szélén ülnek, hogy a saját súlyukkal ellensúlyozzák a fordulóerőt. Chad Runge fotója a US Navy jóvoltából.

A nagyobb hajók nem szenvednek ettől a problémától: Először is, a nehéz fémmotorok általában nagyon alacsonyan, a vízszint alatt vannak, ami alacsony súlypontot biztosít, és stabilabbá teszi őket. Másodszor, magasabb a hajógerincük (egy függőleges deszka, amely a víz alatt fut, hátulról előre, a hajó alatti központi “gerinc” mentén. A kiel segít megakadályozni a hajó gördülését (oldalirányú mozgását) vagy felborulását, mivel nagyobb erőre van szükség ahhoz, hogy a hajót a vízben oldalirányba tolják vagy elfordítsák. A hajógerinc a hajó kormányzásában és meghajtásában is szerepet játszik, amint azt rövidesen látni fogjuk.

Hogyan mozognak a hajók?

A gravitáció az az erő, amellyel szemben a szárazföldön járva dolgoznunk kell. Deha lelkes úszó vagy,akkor tudod, hogy ez nem igazán jelent problémát, amikor vízen mozogsz, mert a tested viszonylag felhajtóerővel rendelkezik:bár a tested nagyrészt vízből áll, mégsem csak vízből áll (kevesebbet nyom, mint egy pontosan ugyanolyan méretű vizes zsák). A víz ellenállása (légellenállás) messze a legnagyobb erő, amellyel az úszóknak meg kell küzdeniük – és ez a hajókra is igaz. Minél nagyobb a csónak súlya, annál mélyebben helyezkedik el a vízben, és annál nagyobb a vízellenállás. Ezért van a csónakoknak éles, keskeny orr-része (hogy a vizet tisztán kiszorítsák az útból) és ívelt elülső élei, amelyek síkban tartják (felemelik őket a vízből, ahogy haladnak). A szárnyashajók ezt az elképzelést a végsőkig feszegetik, amikor víz alatti szárnyakkal emelik fel a hajótestet és emelik ki a vízből, miközben haladnak.

Fotó: A szárnyashajó egy olyan hajótípus, amely víz alatti szárnyakat használ, hogy felhajtóerőt hozzon létre, miközben előrefelé száguld, a hajótestet a hullámok fölé emelve ezzel csökkenti a vízellenállást. Mark S. Kettenhofen fotója a US Navy jóvoltából.

A legtöbb más tárgyhoz hasonlóan a hajók is Newton három mozgástörvényét kihasználva hajtják magukat: Ha van megfelelő erő, akkor felgyorsulnak (gyorsabban vagy új irányba mozognak), és egy nagyobb erő még jobban felgyorsítja őket; 3) Ha egy hajó előre akar menni, akkor hátrafelé irányuló tolóerőt kell kifejtenie – ahogyan a gördeszkával is hátra kell rúgni, ha le akarunk lőni a járdán (vagy a lábunkkal hátrafelé kell tolni, ha előre akarunk menni).

A legtöbb hajó háromféle erőforrás egyikét használja: evezők vagy rudak, vitorlák és motorok.

E evezők és rudak

Fotó: Az emberi erő továbbra is megbízható módja a hajó meghajtásának, de hacsak nincs azonos számú evező mindkét oldalon (vagy folyamatosan váltogatjuk az oldalakat), akkor az egyik oldalra többet mozog, mint a másikra. Clay Weis fotója a US Navy jóvoltából.

A hajó meghajtásának legrégebbi formája az egyszerű emberi erő. Evezhetsz egy csónakot úgy, hogy nagy lapátokkal húzod hátrafelé a vizet, vagy előretolhatsz valamit, például egy tutajt, ha a folyó vagy a tengerfenék ellen tolod. Az evezőerő a görög és római időkben kifejlesztett lenyűgöző gályákkal érte el csúcspontját. A biremék (talán az i. e. második évezredből származnak) két evezővel megpakolt platformmal rendelkeztek, míg a triremes (amelyet i. e. néhány száz évvel ezelőtt találtak fel) három, a quadriremes négy, a quinquiremes pedig öt evezővel (bár bizonytalan, hogy a hajók ennyi emberrel megpakolva, ilyen magasságban stabilak vagy hatékonyak lettek volna-e). Mindenesetre hamarosan átadták a helyüket a vitorlásoknak.

Vitorlák

Ha erős szélben ágyneműt akasztasz ki száradni, akkor pontosan tudod, hogyan működnek a vitorlás hajók! De a hajók nem mindig úgy akarnak elvitorlázni, hogy a szél egyenesen mögöttük fújjon.A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a vitorlákat ferdén kell elhelyezni,de akkor a szél megpróbálja a hajót ebben a szögben fújni ahelyett, hogy a kívánt irányba haladna. A szél ereje egy irányba tolja a vitorlát, ezért más irányú erőkre is szükség van ahhoz, hogy ezt korrigáljuk, és egy eredő (kombinált) erőt hozzunk létre abba az irányba, amerre valójában menni szeretnénk. Ebben két másik erő segít. Az egyik a hajógerincből származó erő. Ha a szél részben oldalirányba fújja a hajót, a kiel a víznek nyomja, és segít a hajót előrefelé hajtani. A kormánylapátot a csónak hátsó részénél úgy is el lehet dőlni, hogy amikor a víz hozzáér, az ferdén kilőjön, és így a csónakot egyik vagy másik oldalra irányítja. (Régebben a kormánylapátokat a hajó jobb oldalán helyezték el, és kormánylapátnak nevezték, ezért a hajó jobb, előre néző oldalát a mai napig jobboldalinak, a bal oldalt pedig baloldalinak nevezik.)

Fotó: A jachtoknak több vitorlájuk van, hogy bármilyen irányból el tudják fogni a szelet. A fotót Eric Brown készítette az amerikai haditengerészet jóvoltából.

Ha széllel szemben akarsz vitorlázni, akkor a hajó elejére a szembejövő széllel szögben felakasztott atrianguláris vagy lateen vitorlát kell használnod. Ahogy a szél a vitorlához ér, az körbefújja és felgyorsul; a vitorla hasonlóan viselkedik, mint egy szárny (egy repülőgép szárnyának ívelt felülete), levegőt dob köré és mögé, és előre tolja a hajót (ahogyan a szárnyból lefelé irányuló levegő a repülőgépet felfelé hajtja).

Motorok

A régi idők hajói szél nélkül elveszettek, de ez ma már nem probléma, hála a motoroknak, amelyeket a hajócsavarok meghajtására lehet használni. Az első motoros hajók nagynyomású, szénnel működő gőzgépeket használtak; a modern motorok kivétel nélkül dízelüzeműek. Az egyetlen igazi probléma a belsőégésű motorok csónakok meghajtásával az, hogy állandó oxigénellátásra van szükségük az üzemanyag elégetéséhez; ez azt jelenti, hogy nem lehet őket tengeralattjárók meghajtására használni a víz alatt. Van azonban egy megoldás: egy dízelmotor a felszín közelében egy generátor meghajtására és akkumulátorok feltöltésére használható, amelyek aztán egy elektromos motor és a hajócsavar meghajtására szolgálnak, amikor a tengeralattjáró a víz alatt van. (Az atomenergia egy másik lehetőség, és azt jelenti, hogy a tengeralattjáró hetekig vagy hónapokig is a víz alatt maradhat.)

Nem minden motoros meghajtású hajó használ propellert.A jet ski® és a jetfoil (a jetski nagyméretű, hidroprofilos változata) motorral hajtja meg a járókereket (vízpumpákat), amelyek egy erőteljes, hátrafelé irányuló vízsugarat hoznak létre. A vízbe visszalövő víz ereje hajtja előre a hajót, hasonlóan a sugárhajtóművek forró kipufogógázaihoz.

Milyen anyagokból készülnek a hajók?

Majdnem minden elképzelhető anyagot használtak már csónakok készítésére valamikor. Az első csónakokat állatbőrből, fakéregből és fából készítették; később jöttek a csónakok, amelyeket egy gondosan kiválasztott fatörzsből való fakitermeléssel készítettek. Az ókorban a hajóépítők tökéletesítették a különálló deszkákból való csónaképítés művészetét, vagy úgy, hogy az egyik deszka szélét a körülötte lévő deszkák széléhez rögzítették, mint a fal tégláit (ez az ún. faragott építés), vagy még jobb, ha a deszkákat alulról felfelé átfedik (ez az ún. klinkerépítés), ami erősebb, könnyebb és gyorsabb csónakot eredményez. Az ipari forradalom egy másik nagy újítást hozott: a hatalmas vas- és acélhajók korát. A legtöbb modern hajót ma is acélból építik, bár ez viszonylag nehéz. Ezért egyes nagyobb hajók ma már erős, könnyű fémekből, például alumíniumból készülnek, míg a kisebbek gyakran könnyű kompozitokból, például üvegszálból vagy szupererős műanyagból, például kevlárból® készülnek.

Artwork: A klinkerből épített hajók (balra) deszkái átfedik egymást, ami sokkal erősebb hajótestet eredményez; a farostból épített hajók (jobbra) a deszkákat végig egymáshoz illesztik, hogy sima külső felületet alkossanak.

A hajók és csónakok rövid története

Az idővonalban található linkek általában a Wikipedia és más oldalak további információihoz vezetnek.

Őskor és ókor

• ~10,000BCE: Az első csónakok közé tartoznak a tutajok, bőr, bőr és kéreg csónakok, kajakok és ásott csónakok.
• ~5000BCE-3000BCE: A mezopotámiai hajósok feltalálják a vitorlákat.
• ~3000BCE: Az ókori egyiptomiak fadeszkákból készítik az első csónakokat.
• ~2500BCE: A minósziak és a mükénéiek lesznek az első nagy óceánjárók, akik felfedezik a Földközi-tengert.
• ~1500BCE-27BCE: A görögök óriási hadihajókat építenek, köztük biremákat és triremákat.
• 27BCE-400CE: A rómaiak gályákat építenek, a modern hadihajók ókori elődjeit, olyan újításokkal, mint az emelt híd.
• ~300BCE: Arkhimédész (Kr. e. 287-212) kidolgozza a lebegés tudományát.
• Kr. e. 200:

Középkor

• 300: A vikingek feltalálják a klinkerépítést.
• 1200:
• 1400-1600: A központi kormánylapát kezdi felváltani a “kormánylapátot.”
• 1400-1600: A központi kormánylapát kezd felváltani a “kormánylapátot”: A legtöbb nagyhajó fából épült és vitorlával hajtott, ezek közé tartoznak a fogasok, karakkok, gályák és gályák.
• 1620: Cornelis Drebble megépíti az első tengeralattjárót fából.
• 15. század: Kolumbusz Kristóf (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Ferdinánd Magellán (1480-1521),és mások nagy útjai úttörők az óceánok felfedezésében és a világkörüli hajózásban.

A hajózás nagy korszaka

Fénykép: A USS Constitution, becenevén “Old Ironsides”, egy klasszikus, háromárbocos fregatt (hadihajó), amely 1797-ből származik. 1797 óta már régen kivonták a katonai szolgálatból, és ma egy lenyűgöző múzeum Bostonban. Kathryn E. Macdonald fotója a US Navy jóvoltából.

• 1777:
• 1783: Márki d’Abbans (1751-1832) megépíti az első gőzhajót.
• 19. század: A menetrend szerint közlekedő, rendszeres “csomaghajózási” járatok jönnek létre. A gyors klipperhajók vitorlásrekordokat állítanak fel.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) rekordot állít fel a Clermont nevű gőzhajóval New York City és Albany között.
• 1819: Az SS Savannah gőzhajó rekordidő, 29 nap alatt szeli át az Atlanti-óceánt.
• 1836: A modern hajócsavarokat (egymástól függetlenül) Francis Pettit Smith (1808-1874) és John Ericsson (1803-1889) találja fel.
• 1837: Az Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) által épített Great Western nevű óriás gőzhajó lesz az első vashajó, amely átkel az Atlanti-óceánon.
• 1850-es évek: John Jordan angol hajóépítő valószínűleg az első kompozit hajót készíti el, vasvázra fából készült deszkaburkolatot helyezve.
• 1870-1898: John Holland megtervezi és megépíti az első gyakorlatias, motoros tengeralattjárót, de nehezen tudja meggyőzni az amerikai haditengerészetet a benne rejlő lehetőségekről.
• 1877: John Thornycroft angol feltaláló szabadalmaztatja a légpárnás hajó egy korai formáját, amely egy lebegő liliompárnán alapul.
• 1884: Sir Charles Parsons feltalálja a nagy hatékonyságú gőzgépet, a gőzturbinát. 1897-ben kifejleszt egy gőzturbinával hajtott motorcsónakot Turbinia néven.
• 1886: Gottlieb Daimler, a német autóipar úttörője benzinmotort használ egy hajó meghajtására.
• 1886:
• 1880: Nagy-Britanniában megépítik és vízre bocsátják a Gluckaufot, az egyik első óceánjáró tartályhajót.
• 1880: Charles G. Lundborg nyugalmazott svéd tengerésztiszt feltalálja a SWATH (smallwaterplane area twin hull) hajókat, amelyek magasan a hullámok felett két víz alámerült hajótesten haladnak.

Modern hajók

• ~1900-as évek: A gazdagok élvezik az óceánjárók romantikus, fényűző korszakát az olyan utasszállító hajókon, mint a Mauretania, a Lusitania és az Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini feltalálja a szárnyashajót, amelynek kifejlesztésében Alexander Graham Bell, a telefon úttörője is szerepet játszik.
• 1912: A “gyakorlatilag elsüllyeszthetetlen” Titanic nevű luxushajó minden idők leghíresebb tengeri katasztrófájaként vonul be a történelembe, amikor jéghegynek ütközik és elsüllyed, több mint 1500 ember halálát okozva.
• 1930-as évek: A németek kifejlesztik a snorkelt, egy légzőcsövet, amely lehetővé teszi a tengeralattjárók dízelmotorjainak víz alatti működését, csökkentve a felfedezés kockázatát.
• 1943: Először használnak tengeri gázturbinás motorokat.
• 1955:
• 1956: Az amerikai haditengerészet vízre bocsátja az első nukleáris meghajtású tengeralattjárót, a USS Nautilust.
• 1956:
• 1959: Az Ideal X, az első konténerszállító hajó vízre bocsátása Newarkban, NJ-ben: Christopher Cockerell légpárnás hajója megteszi első útját.
• 1960: Jacques Piccard és Don Walsh hadnagy az USA haditengerészetétől egy szupererősített búvárhajóval (bathyscaphe) mintegy 11 km (6 mérföld) mélyre merül az óceán legmélyebb részén, a Mariana-árokban, Triesztben.
• 1962: A Scripps Intézet FLIP hajóját először használják az óceáni hullámok mozgásának tanulmányozására.
• 1964: A massachusettsi Woods Hole Oceanográfiai Intézet kifejleszt egy mélybúvár tudományos tengeralattjárót, az Alvin-t, amely közel 5 km (3 mérföld) mélységig kutatja az óceánt.
• 1978: Vízre bocsátják a JOIDESResolution tudományos kutatóhajót, amely lehetővé teszi a tudósok számára a tengerfenék minden eddiginél részletesebb feltárását.
• 1992: Az amerikai haditengerészet leselejtezi az utolsó óriás csatahajóját, a USS Missourit.
• 1993: Az Egyesült Államok haditengerészete vízre bocsátja a Sea Shadow nevű kísérleti, radarral láthatatlan lopakodóhajót, amely a SWATH terven alapul. 2011-ben a haditengerészet bejelenti, hogy selejtezni kívánja a hajót.
• 2012: A német gyártmányú MS Tűranor PlanetSolar az első fotovoltaikus napelemekkel hajtott jármű, amely megkerülte a Földet.
• 2014: A Norled MF Ampere,a világ első teljesen elektromos, akkumulátorral működő autó- és utasszállító kompja megkezdi működését Norvégiában,és évente egymillió liter gázolajat takarít meg.