Az egyik dolog, ami a legtöbb hajó esetében gyakran megragadja az átlagember szemét, az a hajó elülső végén, gyakran a vízvonal alatt található, gumószerű kiemelkedés. Kétségtelen, hogy életed egy bizonyos pontján feltetted magadnak a kérdést, hogy mi az oka ennek a szerkezetnek a jelenlétének. Nos, mivel általában hasonlít a gumó alakjára, és mindig a hajó orránál helyezkedik el, ezért gumós orrnak nevezik.
Nézzünk vissza körülbelül száz év múlva. Emlékeztek még a Titanicra? Bizonyára megfigyeltétek, hogy nem volt gömbölyű orra. De próbáld meg megnézni a modern tengerjáró hajók, konténerhajók, LNG-szállítók, kutatóhajók stb. orrát. Mindegyikre jellemző a gömbölyded orr. Nem csak az egytestű hajók, ma már szinte még a katamaránok is gömbölyded orral rendelkeznek az egyenes orr helyett. Miért?
A kishajó által keltett ébrenléti minta. Fénykép: Edmont/ wikipedia (1. ábra)
Amikor egy hajó hullámzik, saját Kelvin-hullámokat generál (ezeket látjuk a hajó körül, amikor a nyílt tengeren hajózik), ahogy az 1. ábrán látható.
Most képzeljük el így – a hullámok alapvetően az energia vízi közegben utazó formái. Honnan származik ez az energia? Más szóval, ki adta a vízrészecskéknek az energiát, hogy kialakítsák ezeket a hullámokat?
A hajó mozgó tömege végzi ezt a munkát. Figyeljük meg a “mozgó” szót. A hajó mozgását a meghajtó rendszere hajtja. A motor által szolgáltatott energia egy része a hajócsavar forgatására megy el, és viszont a hajócsavar által generált tolóerő egy töredéke jól jön a hajó tényleges meghajtására. Hová megy az energia többi része? Emlékszel, hogy a vízrészecskék a hullámok továbbítására kaptak energiát? Ez a válasz. Ezt nevezik a hajó hullámkeltő ellenállásának is.
Most, miért beszélünk erről, és mi köze van ennek a gömbölyű orrhoz? Olvass tovább.
A gömbölyded orrú hullám (jóvoltából: Titanic mozgókép) 2. ábra
Gondoljunk egy egyenes orrú hajóra (például a Titanicra). Ahogy a hajó előrefelé hullámzik, a vízrészecskék a hajó teljes hosszában a tat felé mozognak. De mi a helyzet azzal a vízrészecskével, amelyik éppen a hajó orrának középvonalánál esik be? Pillanatnyi sebessége nulla, amit tudományos nyelven stagnálási pontnak neveznek. Ha emlékszik a Bernoulli-egyenletre, a stagnálási ponton a nyomás nagyobb lesz. Tehát a vízrészecskék nyomása az orrnál nagyobb, így keletkezik a hullámhegy. Ezt a hullámot orrhullámnak nevezzük, mivel az orrnak a vízben való mozgása miatt keletkezik, amint az a 2. ábrán látható. Egyenes orr esetén tehát mindig folyamatosan kialakul egy hullám, amelynek csúcsa az orrnál van. Így nyilvánvaló, hogy a motor teljesítményének egy részét ennek a hullámnak a létrehozására pazaroljuk. Mi lenne, ha ez a hullámképző hatás csökkenthető lenne? Ha igen, akkor hogyan?
Ha a hajó orránál a vízvonal alatt, a hajó orra előtt a vízvonal alatt, a hajó szára előtt egy másik folytonosságot vezetünk be (folytonosságnak tekintünk minden olyan szerkezetet a hajóban a vízvonal alatt, amely megzavarja a lamináris áramlást), akkor a folytonosság maga is egy másik hullámot fog létrehozni a legelső pontján. Mivel a hajószár még mindig a vízvonalnál van, normál orrhullámokat fog létrehozni. Mi van, ha a folytonosság alakját és helyzetét úgy tudjuk megtervezni, hogy az orrhullám és a folytonosság által keltett hullám destruktív interferenciát eredményezzen? (Lásd a 3. ábrát) Nos, nagyjából ez az elv áll a gömbölyded orr kialakításának alapelve mögött. A destruktív interferencia a hajó hullámképződésének csökkenését eredményezi, ami tovább csökkenti a hajótest formájának hullámképződési ellenállását.
3. ábra. Az orrhullám és a gömb által keltett hullám, mindkettő fázison kívül
A gömb kialakításának kezdeti szakaszában a tervezés elsődleges feladata a hullámkeltő ellenállás csökkentése volt. De ahogy haladtunk előre, nem tudtunk megállni, hogy ne merüljünk el az alábbiakban tárgyalt érdekesebb szempontokban:
A hullámképződés a finomabb hajótestformák jelentős jellemzője. Ezért figyelhetünk meg feltűnő Kelvin hullámformákat a sétahajókon, a vonalhajókon, a jachtokon és a haditengerészeti cirkálókon. Ha észrevesz egy ömlesztettáru- vagy olajszállító hajót (teltebb hajótestformák), akkor nyilvánvaló, hogy ezek a hajótestformák nem mutatnak kiemelkedő Kelvin-hullámmintákat. Hogy miért? Mert a vízvonal szélessége magánál a hajószárnál olyan nagy (vagy más szóval az áramlásban nagyobb a diszkontinuitás), hogy a nyomás olyan szintre emelkedik, hogy az orrhullám magassága meghaladja azt a küszöbértéket, ameddig a hullám megtartja a tulajdonságait. Ebben az esetben a hullám közvetlenül magánál az orrnál törik meg, még mielőtt a hajó hosszán végighaladna.
Szóval, a teltebb hajótestek ebből a szempontból energiatakarékosabbak? Nem. A teltebb hajótestformáknak nagy hullámképződési ellenállása van? Nem. A teltebb hajótestek nagy hullámtörési ellenállással rendelkeznek? Igen. Ezzel az alkalmazással a hullámtörési ellenállásuk csökkentése érdekében ömlesztett és tartályhajókon is bevezették a bulvereket.
A bulverek különböző típusai formájuk, helyzetük és tájolásuk szerint az alábbiakban láthatók :
Az orrban párosítva. ( A képet Danny Cornelissen készítette a portpictures-ről.nl / Wikipedia)
Ram orr (Képhitelesítés : S*anner 06n2ey / wikipedia)
Ram orr messze a vízvonal alatt (Fénykép: Hammelmann Oelde / Wikipedia)
Ram orr közel a vízvonalhoz ( Képhitelesítés: Jens Mayer from Mannheim, Germany/ wikipedia)
Bukócsomós bukó ( Képhitelesítés :MKFI/Military of Finland / Wikipedia)
A bukócsomó helyzete jelentősen befolyásolja az orrhullám és a bukóhullám közötti fáziskülönbséget. Az izzó térfogata döntően befolyásolja az eredő hullám amplitúdóját.
Az izzó másik előnye, hogy csökkenti a hajó dőlésirányú mozgásának dinamikai hatásait. A legtöbb hajón az izzó belsejét orrcsúcs ballaszttartályként használják. Nagyfokú dőlés esetén gyakran az orrcsúcstartályt ballasztozzák, hogy csökkentsék a dőlés hatását.
Hogyan? Nos, a billenés időtartama egyenesen arányos a súlyok hosszanti távolságával a hajó LCG-jétől. Ha az orrcsúcsot ballasztozzák, akkor a hajó LCG-jétől (ami a legtöbb ideális esetben a hajóközéphajó mögött van) nagyobb távolságban növeli a súlyt. Más szavakkal, a dőlési görbületi sugár megnő, így megnő a hajó dőlési periódusa. A megnövekedett billenési periódus a billenő mozgás dinamikus hatásainak csökkenését eredményezi.
Jéghajózás esetén a gömb lehetővé teszi, hogy a törött jég a hajótest mentén csússzon, nedves oldalával a hajótesthez érve. A jég nedves oldala, amelynek kisebb a súrlódási együtthatója, csökkenti a hajó teljes légellenállását.
A gömbölyű orr szintén előnyös az orrtolóművek elhelyezésében, amint az a modern, orrtolóművekkel felszerelt hajókon látható. Az olyan haditengerészeti hajókon, amelyek nagyfrekvenciás víz alatti akusztikát használnak, mint a SONAR, a gömbölyded orr a légellenállás csökkentésének pozitív hatásai mellett védőházként is működik.
Sonar Dome Bow Kép kreditpontja: bigredvolvos.co.uk
A hajótestek és gömbformák széles körének ismételt modellvizsgálati eljárásait követően megállapították, hogy a gömbök nem minden üzemi sebességnél hatékonyak (a Froude-számokhoz viszonyítva). Nagyon alacsony Froude-számok esetén a gömbölyded orrokról kiderült, hogy növelik a légellenállást. Vajon miért? Mert egy bulb csak akkor hatékony, ha az orrhullámmal együtt saját hullámot is kelt. De nagyon alacsony Froude-számoknál a hullámképzés alig fordul elő. De a gömb még mindig a vízvonal alatt van, ami növeli a hajó teljes nedvesített felületét, így hozzájárul a bőrsúrlódási ellenállás növekedéséhez.
Az Öné?
Tud többet a hajók gömbölyded orrának jelentőségéről?