Schepen en boten

Gemiddelde dichtheid

Als je het idee van opwaartse kracht nog steeds een beetje verwarrend vindt, ga dan gewoon terug naar het denken over dichtheid. Stel je voor dat het vliegdekschip een reusachtige metalen doos zou zijn met hetzelfde volume (als een grote schoenendoos), gedeeltelijk gevuld met motoren, vliegtuigen, matrozen, en al het andere – zodat het evenveel weegt. Die doos zou drijven als hij minder woog dan een doos van dezelfde grootte gevuld met water; anders zou hij zinken. Kortom, een vliegdekschip drijft omdat het minder weegt dan hetzelfde volume water – omdat zijn gemiddelde dichtheid lager is dan die van het water dat het omringt.

Foto: De eenvoudigste manier om te begrijpen waarom dingen drijven, is Archimedes te vergeten en in plaats daarvan aan dichtheid te denken. Een schip drijft omdat de gemiddelde dichtheid relatief klein is. Dit lege militaire transportschip is in feite een gigantische lege metalen doos. Deel zijn totale massa (zijn eigen massa plus die van zijn inhoud) door zijn volume en je krijgt zijn gemiddelde dichtheid. Dat is minder dan de dichtheid van een massieve metalen doos of een metalen doos gevuld met water, en dat is waarom het schip drijft. Foto door Gary Keen met dank aan US Navy.

Waarom kapseizen boten niet?

Als je ooit op een roeiboot hebt geklommen die aan een steiger was vastgebonden, dan weet je hoe instabiel kleine boten kunnen zijn als je ze begint te beladen. Als je in een boot gaat staan, word je er een deel van, dus verander je het zwaartepunt, waardoor de boot veel hoger komt te liggen. Omdat je vanaf de zijkant in een boot stapt, verschuif je het zwaartepunt naar de plek waar je staat. Het zwaartepunt ligt nu niet meer boven het midden van de boot, en daardoor draait het hele ding naar je toe. Een boot kan relatief vrij heen en weer zwaaien; omdat hij positief drijfvermogen heeft, is er maar een kleine kracht nodig om hem in het water te laten bewegen. Al deze dingen samen maken dat een kleine boot relatief gemakkelijk kan kapseizen (op zijn kant slaan en vaak zinken). Door in een kleine boot te gaan zitten, verlaagt u het zwaartepunt en wordt de boot stabieler.

Foto: Kleine boten kunnen behoorlijk onstabiel zijn, zelfs met een kiel. Door de harde wind zou deze boot kunnen kapseizen. Daarom zitten alle bemanningsleden langs de rand om de draaikracht met hun eigen gewicht te compenseren. Foto door Chad Runge met dank aan US Navy.

Grote boten hebben geen last van dit probleem.Ten eerste hebben ze meestal zware metalen motoren heel laag onder de waterspiegel, wat ze een laag zwaartepunt geeft en ze stabieler maakt. Ten tweede hebben ze een zwaardere kiel (een verticale plank die van achter naar voren onder water loopt, langs de centrale “ruggengraat” onder de boot. De kiel helpt om te voorkomen dat een boot rolt (van de ene naar de andere kant overhelt) of kapseist, omdat er meer kracht nodig is om de boot zijwaarts door het water te duwen of te draaien. De kiel speelt ook een rol bij het sturen en voortstuwen van de boot, zoals we zo zullen zien.

Hoe bewegen boten?

Zwaartekracht is de kracht waartegen we moeten werken als we op het land lopen. Maar als je een fervent zwemmer bent, weet je dat het niet echt een probleem is als je op het water beweegt, omdat je lichaam relatief drijfvermogen heeft: ook al bestaat je lichaam voor het grootste deel uit water, het is niet helemaal water (het weegt minder dan een zak water van precies dezelfde grootte). De weerstand van het water (weerstand) is veruit de grootste kracht die zwemmers moeten tegenwerken – en dat geldt ook voor boten. Hoe meer gewicht een boot draagt, hoe lager hij in het water ligt en hoe meer waterweerstand hij creëert. Daarom hebben boten een scherpe, smalle boeg (om het water netjes uit de weg te duwen) en gebogen voorranden die vlak zijn (waardoor ze tijdens het varen uit het water worden getild). Draagvleugelboten gaan nog een stap verder door gebruik te maken van onderwatervleugels om hun romp tijdens het varen op te tillen en uit het water te halen.

Foto: Een draagvleugelboot is een type boot dat gebruik maakt van onderwatervleugels om lift te genereren wanneer het vooruit vaart, waardoor de romp boven de golven uitsteekt om de waterweerstand te verminderen. Foto door Mark S. Kettenhofen met dank aan US Navy.

Zoals de meeste andere voorwerpen, drijven boten zichzelf voort door gebruik te maken van Newton’s drie wetten van beweging: 1) Ze gaan nergens heen tenzij een of andere kracht hen duwt of trekt; 2) Als er een geschikte kracht is, versnelt deze (bewegen sneller of in een nieuwe richting) en een grotere kracht versnelt hen meer; 3) Als een boot vooruit wil gaan, moet hij een achterwaartse duwkracht uitoefenen – net zoals je met een skateboard achteruit moet trappen om van de stoep af te schieten (of met je benen achteruit moet duwen om vooruit te lopen).

De meeste boten gebruiken een van de drie verschillende soorten kracht: roeispanen of stokken, zeilen en motoren.

Roeispanen en stokken

Foto: Menselijke kracht blijft een betrouwbare manier om een boot aan te drijven, maar tenzij je aan beide kanten evenveel roeispanen hebt (of steeds van kant wisselt), zul je meer naar de ene kant opschuiven dan naar de andere. Foto door Clay Weis met dank aan US Navy.

De oudste vorm van bootvoortstuwing is eenvoudige menskracht. Je kunt een boot roeien door met grote peddels het water naar achteren te trekken of je kunt iets als een vlot naar voren stuwen door je af te zetten tegen een rivier of zeebodem. De roeikracht bereikte zijn hoogtepunt met de verbluffende galeien die in de Griekse en Romeinse tijd werden ontwikkeld. Biremes (misschien daterend uit het tweede millennium v.Chr.) hadden twee platforms vol roeiers, terwijl triremes (een paar honderd jaar v.Chr. uitgevonden) er drie hadden, quadriremes vier en quinquiremes vijf (hoewel het onzeker is of boten met zoveel mensen opeengepakt, op zo’n hoogte, stabiel of efficiënt zouden zijn geweest). In ieder geval maakten ze al snel plaats voor zeilkracht.

zeilen

Als je beddelakens te drogen hangt bij harde wind, weet je precies hoe zeilboten werken! Maar boten willen niet altijd wegvaren met de wind recht achter zich. In de praktijk betekent dit dat de zeilen onder een hoek moeten worden gezet, maar de wind zal dan proberen de boot onder die hoek weg te blazen in plaats van de richting op te sturen die je op wilt. De kracht van de wind duwt je één kant op, dus heb je ook andere krachten nodig, in andere richtingen, om dit te corrigeren en een resultante (gecombineerde) kracht te produceren in de richting waar je eigenlijk heen wilt. Twee andere krachten helpen daarbij. De ene is een kracht van de kiel. Als de wind de boot gedeeltelijk zijwaarts blaast, duwt de kiel tegen het water en helpt zo de boot in voorwaartse richting te duwen. Je kunt ook het roer aan de achterkant van de boot schuin zetten, zodat het, als het water het raakt, schuin wegschiet en de boot naar de ene of de andere kant stuurt. (Vroeger werden de roeren aan de rechterkant van de boot geplaatst en stuurborden genoemd, vandaar dat de rechterkant van een boot, naar voren gericht, tot op de dag van vandaag stuurboord wordt genoemd; de linkerkant wordt bakboord genoemd.)

Photo: Jachten hebben meerdere zeilen zodat ze de wind uit alle richtingen kunnen vangen. Foto door Eric Brown met dank aan US Navy.

Als je tegen de wind in wilt zeilen, moet je atriangular- of lateenzeil gebruiken dat aan de voorkant van je boot in een hoek ten opzichte van de aankomende wind is opgehangen. Als de wind het zeil raakt, waait het eromheen en versnelt; het zeil werkt op een vergelijkbare manier als een aerfoil (het gebogen oppervlak van een vliegtuigvleugel), door er lucht omheen en achteraan te gooien en de boot vooruit te duwen (net zoals de neerwaartse lucht van een vleugel een vliegtuig omhoog stuwt).

Engines

Ooude zeilers waren verloren zonder wind, maar dat is geen probleem dat we nu hebben, dankzij motoren, die kunnen worden gebruikt om propellers aan te drijven. De eerste door een motor aangedreven boten maakten gebruik van stoommachines onder hoge druk die op kolen werkten; moderne motoren worden steevast door diesel aangedreven. Het enige echte probleem met het gebruik van verbrandingsmotoren voor de aandrijving van boten is dat ze een constante toevoer van zuurstof nodig hebben om de brandstof te verbranden; dat betekent dat je ze niet kunt gebruiken om onderzeeërs onder water aan te drijven. Er is echter een omweg: je kunt een dieselmotor aan de oppervlakte gebruiken om een generator aan te drijven en accu’s op te laden, die dan worden gebruikt om een elektrische motor en de schroef aan te drijven wanneer de onderzeeër onder water is. (Kernenergie is een andere optie en betekent dat een onderzeeër weken of maanden onder water kan zijn.)

Niet alle motoraangedreven boten gebruiken propellers.Jet Ski’s® en jetfoils (grote, draagvleugelige versies van jetski’s) gebruiken motoren om impellers (waterpompen) aan te drijven die een krachtige, naar achteren gerichte waterstraal creëren. De kracht van het water dat terug in het water schiet, drijft de boot voort, net als het hete uitlaatgas van een straalmotor.

Van welke materialen worden boten gemaakt?

Zowat elk materiaal dat je kunt bedenken is ooit gebruikt om boten te maken. De eerste boten werden gemaakt van dierenhuid, schors en hout; later kwamen er dugouts die werden gemaakt door het hout van een zorgvuldig gekozen boomstam te scheppen. In vroegere tijden perfectioneerden scheepsbouwers de kunst van het bouwen van boten uit afzonderlijke planken, hetzij door de randen van een plank aan de randen van de planken eromheen vast te maken als bakstenen in een muur (wat bekend staat als carvelbouw) of, nog beter, door de planken van onder naar boven over elkaar te leggen (een techniek die bekend staat als klinkerbouw), wat een sterkere, lichtere en snellere boot oplevert. De industriële revolutie bracht een andere grote vernieuwing: het tijdperk van de machtige ijzeren en stalen schepen. De meeste moderne schepen worden nog steeds van staal gebouwd, hoewel het relatief zwaar is. Daarom zijn sommige grotere boten nu gemaakt van sterke, lichte metalen zoals aluminium, terwijl kleinere vaak zijn gemaakt van lichte composieten zoals glasvezel of supersterke kunststoffen zoals Kevlar®.

Artwork: Bij klinkerboten (links) overlappen de planken elkaar, wat een veel sterkere romp oplevert; bij carvelboten (rechts) zijn de planken aan de uiteinden samengevoegd om een glad buitenoppervlak te vormen.

Een korte geschiedenis van schepen en boten

De links in deze tijdlijn brengen u in het algemeen naar verdere informatie in Wikipedia en andere sites.

Voorgeschiedenis en oudheid

• ~10.000 v. Chr: De eerste boten omvatten vlotten, boten van huid, huid en bast, kajaks, en dugouts.
• ~5000BCE-3000BCE: Mesopotamische zeelieden vinden zeilen uit.
• ~3000BCE: Oude Egyptenaren maken de eerste boten van houten planken.
• ~2500BCE: Minoërs en Mycenaeërs worden de eerste grote zeevaarders en verkennen de Middellandse Zee.
• ~1500BCE-27BCE: Grieken bouwen reusachtige oorlogsschepen, waaronder biremes en triremes.
• 27BCE-400CE: Romeinen bouwen galeien, de oude voorouders van moderne oorlogsschepen, met innovaties als een verhoogde brug.
• ~300 BCE: Archimedes (287-212 v. Chr.) ontdekt de wetenschap van het drijven.
• 200CE: Lateen zeilen worden op grote schaal gebruikt in de Middellandse Zee (hoewel men gelooft dat ze iets eerder zijn uitgevonden in de Arabische wereld).

Middeleeuwen

• 300: Vikingen vinden klinkerbouw uit.
• 1200: Het centrale roer begint het “stuurbord” te vervangen.
• 1400-1600: De meeste grote schepen zijn van hout en worden met zeil aangedreven, waaronder koggen, karvelen, galeien en galjoenen.
• 1620: Cornelis Drebble bouwt de eerste onderzeeër van hout.
• 15e eeuw: Grote reizen van Christoffel Columbus (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Ferdinand Magellan (1480-1521),en anderen pionieren oceaanverkenning en rondvaart.

Het grote tijdperk van de scheepvaart

Foto: De USS Constitution, bijgenaamd “Old Ironsides”, is een klassiek fregat (oorlogsschip) met drie masten uit 1797. Het is al lang niet meer in militaire dienst en is nu een fascinerend museum in Boston. Foto door Kathryn E. Macdonald met dank aan US Navy.

• 1777: Eerste boot met ijzeren romp wordt gebouwd (in Engeland).
• 1783: Markies d’Abbans (1751-1832) bouwt de eerste stoomboot.
• 19e eeuw: Regelmatige “packet shipping” diensten worden opgericht, varend volgens dienstregeling. Snelle klipperschepen vestigen zeilrecords.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) vestigt een record voor een reis van New York City naar Albany met een stoomboot genaamd Clermont.
• 1819: Stoomboot SS Savannah steekt de Atlantische Oceaan over in een record van 29 dagen.
• 1836: Moderne schroeven worden (onafhankelijk van elkaar) uitgevonden door Francis Pettit Smith (1808-1874) en John Ericsson (1803-1889).
• 1837: Great Western, een reusachtig stoomschip genaamd gebouwd door Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) wordt de eerste ijzeren boot die de Atlantische Oceaan oversteekt.
• 1850er jaren: De Engelse scheepsbouwer John Jordan maakt waarschijnlijk het eerste samengestelde schip door een bekleding van houten planken over een ijzeren raamwerk aan te brengen.
• 1870-1898: John Holland ontwerpt en bouwt de eerste praktische, door een motor aangedreven onderzeeër, maar heeft moeite om de USNavy te overtuigen van de mogelijkheden.
• 1877: Engelse uitvinder John Thornycroft patenteert een vroege vorm van de hovercraft op basis van een drijvend lelieblad.
• 1884: Sir Charles Parsons vindt een zeer efficiënte stoommachine uit, de stoomturbine. In 1897 ontwikkelt hij een door stoomturbines aangedreven motorboot, Turbinia genaamd.
• 1886: De Duitse autopionier Gottlieb Daimler gebruikt een benzinemotor om een boot aan te drijven.
• 1886: Gluckauf, een van de eerste zeetankers, wordt gebouwd en te water gelaten in Groot-Brittannië.
• 1880: De gepensioneerde Zweedse marineofficier Charles G. Lundborg vindt SWATH (smallwaterplane area twin hull) boten uit die hoog boven de golven op twee onderwaterrompen varen.

Moderne schepen

• ~1900: Rijke mensen genieten van het romantische, luxueuze tijdperk van oceaanreizen aan boord van schepen als de Mauretania, de Lusitania en de Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini vindt de draagvleugelboot uit. Telefoonpionier Alexander Graham Bell speelt ook een rol in de ontwikkeling ervan.
• 1912: Een “praktisch onzinkbaar” luxe lijnschip, de Titanic, krijgt een plaats in de geschiedenis als de beroemdste scheepsramp aller tijden, wanneer het een ijsberg raakt en zinkt, waarbij meer dan 1500 mensen omkomen.
• 1930: Duitsers ontwikkelen de snorkel, een adembuis waarmee dieselmotoren in onderzeeërs onder water kunnen werken, waardoor het risico van detectie afneemt.
• 1943: Gasturbinemotoren voor schepen worden voor het eerst gebruikt.
• 1955: US Navy lanceert eerste onderzeeër met kernenergie, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, het eerste containerschip, wordt gelanceerd vanuit Newark, NJ.
• 1959: Christopher Cockerell’s hovercraft maakt zijn eerste reis.
• 1960: Jacques Piccard en Lt. Don Walsh van deUS Navy duiken tot ongeveer 11 km (6 mijl) in het diepste deel van deoceanen, de Mariana Trench, in Trieste, een superverstevigd duikvaartuig (bathyscaphe).
• 1962: Het FLIP-schip van het Scripps Institution wordt voor het eerst gebruikt om de beweging van oceaangolven te bestuderen.
• 1964: Een diepduikende wetenschappelijke duikboot, genaamd Alvin, wordt ontwikkeld door het Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts en begint de oceaan te onderzoeken tot dieptes van bijna 5 km (3 mijl).
• 1978: Wetenschappelijk onderzoeksschip JOIDESResolution wordt te water gelaten, waarmee wetenschappers de zeebodem gedetailleerder kunnen onderzoeken dan ooit tevoren.
• 1992: US Navy sloopt de laatste van haar gigantische slagschepen, USS Missouri.
• 1993: US Navy lanceert een experimentele, radar-onzichtbare stealthboot, de Sea Shadow, gebaseerd op een SWATH-ontwerp. In 2011 kondigt de marine aan dat ze van plan is het vaartuig te slopen.
• 2012: De in Duitsland gebouwde MS Tûranor PlanetSolar wordt het eerste voertuig aangedreven door fotovoltaïsche zonnecellen om de wereld te omzeilen.
• 2014: De Norled MF Ampere, ’s werelds eerste volledig elektrische, door batterijen aangedreven auto- en passagiersveerboot, begint te varen in Noorwegen en bespaart een miljoen liter diesel per jaar.