Statki i łodzie

Średnia gęstość

Jeśli nadal uważasz, że idea siły ciągu jest nieco myląca, wróć do myślenia o gęstości. Wyobraź sobie, że lotniskowiec to gigantyczne metalowe pudełko o tej samej objętości (jak duże pudełko po butach), częściowo wypełnione silnikami, samolotami, marynarzami i wszystkim innym – więc waży tyle samo. To pudło unosiłoby się na wodzie, gdyby ważyło mniej niż pudło tej samej wielkości wypełnione wodą; w przeciwnym razie zatonęłoby. Tak więc, krótko mówiąc, lotniskowiec unosi się na wodzie, ponieważ waży mniej niż ta sama objętość wody – ponieważ jego średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość wody, która go otacza.

Fot: Najprostszym sposobem zrozumienia, dlaczego rzeczy unoszą się na wodzie, jest zapomnieć o Archimedesie i zamiast tego pomyśleć o gęstości. Statek unosi się na wodzie, ponieważ jego średnia gęstość jest stosunkowo niewielka. Ten pusty wojskowy statek transportowy jest w rzeczywistości gigantyczną pustą metalową skrzynią. Podziel jego całkowitą masę (jego masę własną plus masę jego zawartości) przez jego objętość, a otrzymasz jego średnią gęstość. Jest ona mniejsza niż gęstość litego metalowego pudełka lub metalowego pudełka wypełnionego wodą i dlatego statek unosi się na wodzie. Zdjęcie Gary’ego Keena dzięki uprzejmości US Navy.

Dlaczego łodzie się nie wywracają?

Jeśli kiedykolwiek wspiąłeś się na łódź wiosłową przywiązaną do nabrzeża, będziesz miał poczucie, jak bardzo niestabilne mogą być małe łodzie, gdy zaczniesz je ładować. Kiedy stajesz na łodzi, efektywnie stajesz się jej częścią, więc zmieniasz jej środek ciężkości, natychmiast czyniąc ją znacznie wyżej. Ponieważ wchodzisz do łodzi od strony burty, w momencie gdy wchodzisz na pokład, przesuwasz środek ciężkości w kierunku miejsca, w którym stoisz. Teraz środek ciężkości nie znajduje się już nad środkiem łodzi, a to sprawia, że całość obraca się w Twoją stronę. Łódź może kołysać się z boku na bok stosunkowo swobodnie; ponieważ jest dodatnio wyporna, wystarczy niewielka siła, aby wprawić ją w ruch w wodzie. Wszystkie te rzeczy razem sprawiają, że mała łódź jest stosunkowo łatwa do wywrócenia (obrócenia się na bok i często zatonięcia). Siadając w małej łodzi, obniżasz środek ciężkości i sprawiasz, że jest bardziej stabilna.

Foto: Małe łódki mogą być dość niestabilne, nawet ze stępką. Silny wiatr mógłby wywrócić tę łódź, dlatego załoga siedzi wzdłuż krawędzi, aby zrównoważyć siłę skrętu własnym ciężarem. Photo by Chad Runge courtesy of US Navy.

Większe łodzie nie cierpią na ten problem.Po pierwsze, mają zazwyczaj ciężkie metalowe silniki bardzo nisko pod poziomem wody, co daje im niski środek ciężkości i czyni je bardziej stabilnymi. Po drugie, mają większą stępkę (pionową deskę biegnącą pod wodą, od tyłu do przodu, wzdłuż centralnego „kręgosłupa” łodzi). Stępka pomaga powstrzymać toczenie się łodzi (przemieszczanie się z boku na bok) lub jej wywrócenie, ponieważ oznacza to, że potrzeba więcej siły, aby przepchnąć łódź na bok przez wodę lub ją obrócić. Stępka odgrywa również rolę w napędzaniu łodzi, jak zobaczymy wkrótce.

Jak poruszają się łodzie?

Grawitacja to siła, z którą musimy walczyć, gdy chodzimy po lądzie. Ale jeśli jesteś zapalonym pływakiem, będziesz wiedział, że nie jest to naprawdę problem, gdy poruszasz się po wodzie, ponieważ twoje ciało jest stosunkowo wyporne: nawet jeśli twoje ciało jest w większości wodą, nie jest to cała woda (waży mniej niż worek wody dokładnie tej samej wielkości). Opór wody (drag) jest zdecydowanie największą siłą, z jaką muszą walczyć pływacy – dotyczy to również łodzi. Im więcej waży łódź, tym niżej siedzi w wodzie i tym większy stawia opór. Dlatego właśnie łodzie mają ostre, wąskie dzioby (aby wypchnąć wodę z drogi) i zakrzywione przednie krawędzie, które je spłaszczają (podnoszą z wody podczas ruchu). Wodoloty przesuwają tę ideę do granic możliwości, wykorzystując podwodne skrzydła, aby podnieść kadłuby do góry i usunąć je z wody, gdy się poruszają.

Foto: Wodolot to rodzaj łodzi, która wykorzystuje podwodne skrzydła do generowania siły nośnej, gdy przyspiesza do przodu, podnosząc kadłub ponad fale, aby zmniejszyć opór wody. Photo by Mark S. Kettenhofen courtesy of US Navy.

Podobnie jak większość innych obiektów, łodzie napędzają się dzięki wykorzystaniu trzech praw ruchu Newtona: 1) Nigdzie nie popłyną, jeśli nie popchnie lub pociągnie ich jakaś siła; 2) Gdy istnieje odpowiednia siła, przyspiesza je (poruszają się szybciej lub w nowym kierunku), a większa siła przyspieszy je bardziej; 3) Jeśli łódź chce płynąć do przodu, musi zastosować siłę pchającą do tyłu – tak jak trzeba odbić deskorolką, aby wystrzelić w dół chodnika (lub odepchnąć się nogami, aby iść do przodu).

Większość łodzi używa jednego z trzech różnych rodzajów mocy: wioseł lub tyczek, żagli i silników.

Wiosła i tyczki

Foto: Ludzka moc pozostaje niezawodnym sposobem na napędzanie łodzi, ale jeśli nie masz równej liczby wioseł po obu stronach (lub ciągle zamieniasz strony), będziesz poruszał się w jedną stronę bardziej niż w drugą. Photo by Clay Weis courtesy of US Navy.

Najstarszą formą napędu łodzi jest zwykła ludzka siła. Możesz wiosłować łodzią ciągnąc wodę do tyłu za pomocą dużych łopatek lub możesz pchać coś takiego jak tratwa do przodu odpychając się od rzeki lub dna morskiego. Siła wioseł osiągnęła swój szczyt wraz z niesamowitymi galerami, które powstały w czasach greckich i rzymskich. Biremy (być może pochodzące z drugiego tysiąclecia p.n.e.) miały dwie platformy wypełnione wiosłami, podczas gdy triremy (wynalezione kilkaset lat p.n.e.) miały ich trzy, kwadrymy – cztery, a kwiremy – pięć (choć nie jest pewne, czy łodzie z tyloma osobami upakowanymi na takiej wysokości byłyby stabilne lub wydajne). W każdym razie, wkrótce ustąpiły one miejsca żaglom.

Żagle

Jeśli powiesisz pościel do wyschnięcia przy silnym wietrze, będziesz dokładnie wiedział, jak działają żaglowce! Ale łodzie nie zawsze chcą odpływać z wiatrem wiejącym prosto za nimi. W praktyce oznacza to, że żagle muszą być ustawione pod kątem, ale wiatr będzie próbował dmuchać łódkę pod tym kątem zamiast w kierunku, w którym chcesz płynąć. Siła wiatru popycha cię w jedną stronę, więc potrzebujesz innych sił, również w innych kierunkach, aby ją skorygować i wytworzyć siłę wypadkową (połączoną) w kierunku, w którym chcesz płynąć. Pomagają w tym dwie inne siły. Jedną z nich jest siła pochodząca od stępki. Jeśli wiatr wieje częściowo w bok, stępka napiera na wodę i pomaga napędzać łódź w kierunku do przodu. Możesz także ustawić ster z tyłu łodzi tak, aby woda uderzając w niego wystrzeliwała pod kątem, kierując łódź w jedną lub drugą stronę. (Stery były kiedyś umieszczane po prawej stronie łodzi i nazywane sterburtami, dlatego prawa strona łodzi, skierowana do przodu, jest do dziś określana jako prawa burta; lewa strona nazywana jest lewą.)

Foto: Jachty mają wiele żagli, dzięki czemu mogą łapać wiatr z każdego kierunku. Zdjęcie autorstwa Erica Browna dzięki uprzejmości US Navy.

Jeśli chcesz płynąć z wiatrem, musisz użyć atriangularnego lub lateńskiego żagla zawieszonego z przodu jachtu pod kątem do nadciągającego wiatru. Gdy wiatr uderza w żagiel, owiewa go i przyspiesza; żagiel działa w podobny sposób do profilu lotniczego (zakrzywiona powierzchnia skrzydła samolotu), wyrzucając powietrze wokół i za nim i popychając łódź do przodu (tak jak powietrze ze skrzydła napędza samolot do góry).

Silniki

Starożytni żeglarze byli zagubieni bez wiatru, ale to nie jest problem który mamy teraz, dzięki silnikom, które mogą być używane do napędzania śrub napędowych. Pierwsze łodzie napędzane silnikami używały wysokociśnieniowych silników parowych zasilanych węglem; nowoczesne silniki są niezmiennie napędzane olejem napędowym. Jedyny prawdziwy problem z wykorzystaniem silników spalinowych do napędzania łodzi polega na tym, że potrzebują one stałego dopływu tlenu do spalania paliwa; oznacza to, że nie można ich używać do napędzania łodzi podwodnych pod wodą. Istnieje jednak pewne obejście: można użyć silnika diesla w pobliżu powierzchni do napędzania generatora i ładowania baterii, które są następnie wykorzystywane do napędzania silnika elektrycznego i śruby napędowej, gdy łódź podwodna znajduje się pod wodą. (Energia jądrowa jest inną opcją i oznacza, że łódź podwodna może być pod wodą przez tygodnie lub miesiące w tym samym czasie.)

Nie wszystkie łodzie napędzane silnikiem używają śmigieł.Jet Skis® i jetfoils (duże, wodolotowe wersje skuterów wodnych) używają silników do zasilania wirników (pomp wodnych), które tworzą potężny strumień wody skierowany do tyłu. The force of the water shooting backinto the water powers the boat forward, much like the hot exhaust gas from a jet engine.

What materials are boats made from?

Just about every material you can think of hasbeen used to make boats at one time or another. Pierwsze łodzie były wykonane ze skóry zwierzęcej, kory i drewna; później pojawiły się czółna wykonane przez zbieranie drewna ze starannie wybranego pnia drzewa. W dawnych czasach szkutnicy udoskonalili sztukę budowania łodzi z oddzielnych desek, mocując krawędzie jednej deski do krawędzi pozostałych, jak cegły w murze (tzw. carvel building) lub, jeszcze lepiej, nakładając na siebie deski od dołu do góry (technika znana jako clinker building), co pozwoliło uzyskać mocniejszą, lżejszą i szybszą łódź. Rewolucja przemysłowa przyniosła kolejną wielką innowację: erę potężnych statków z żelaza i stali. Większość współczesnych statków nadal buduje się ze stali, choć jest ona stosunkowo ciężka. Dlatego niektóre większe łodzie są teraz wykonane z mocnych, lekkich metali, takich jak aluminium, podczas gdy mniejsze są często wykonane z lekkich kompozytów, takich jak włókno szklane lub super wytrzymałe tworzywa sztuczne, takie jak Kevlar®.

Opracowanie: Łodzie zbudowane z klinkieru (po lewej) mają zachodzące na siebie deski, co daje znacznie mocniejszy kadłub; łodzie zbudowane z karweli (po prawej) mają deski połączone koniec do końca, tworząc gładką powierzchnię zewnętrzną.

Krótka historia statków i łodzi

Odsyłacze w tej osi czasu na ogół prowadzą do dalszych informacji w Wikipedii i innych witrynach.

Prehistoria i czasy starożytne

• ~10 000BCE: Pierwsze łodzie to tratwy, łodzie ze skóry, skóry i kory, kajaki i czółna.
• ~5000BCE-3000BCE: Mezopotamscy żeglarze wynajdują żagle.
• ~3000BCE: Starożytni Egipcjanie robią pierwsze łodzie z drewnianych desek.
• ~2500BCE: Minojczycy i Mykeńczycy stają się pierwszymi wielkimi żeglarzami oceanicznymi, badającymi Morze Śródziemne.
• ~1500BCE-27BCE: Grecy budują gigantyczne okręty wojenne, w tym biremy i triremy.
• 27BCE-400CE: Rzymianie budują galery, starożytnych przodków współczesnych okrętów wojennych, z innowacjami, w tym podniesionym mostem.
• ~300BCE: Archimedes (287-212BCE) odkrywa naukę o unoszeniu się na wodzie.
• 200CE: Żagle lateńskie są powszechnie stosowane na Morzu Śródziemnym (choć uważa się, że zostały wynalezione nieco wcześniej w świecie arabskim).

Średniowiecze

• 300: Wikingowie wynajdują budownictwo z klinkieru.
• 1200: Centralny ster zaczyna zastępować „steerboard.”
• 1400-1600: Większość dużych statków jest zbudowana z drewna i napędzana żaglami, a wśród nich są kogi, karaki, galery i galeony.
• 1620: Cornelis Drebble buduje pierwszą łódź podwodną z drewna.
• 15 wiek: Wielkie podróże Krzysztofa Kolumba (1451-1506), Vasco da Gamy (1460-1524), Ferdynanda Magellana (1480-1521) i innych pionierów eksploracji oceanów i opłynięcia świata.

Wielki wiek żeglugi

Zdjęcie: USS Constitution, pseudonim „Old Ironsides”, to klasyczna, trzymasztowa fregata (okręt wojenny) pochodząca z 1797 r. Dawno wycofana ze służby wojskowej, jest teraz fascynującym muzeum w Bostonie. Zdjęcie autorstwa Kathryn E. Macdonald dzięki uprzejmości US Navy.

• 1777: Powstaje pierwsza łódź o żelaznym kadłubie (w Anglii).
• 1783: Markiz d’Abbans (1751-1832) buduje pierwszy statek parowy.
• 19 wiek: Powstają regularne usługi „packet shipping”, pływające według rozkładów rejsów. Szybkie klipery ustanawiają rekordy żeglugi.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) ustanawia rekord podróży z Nowego Jorku do Albany parowcem o nazwieClermont.
• 1819: Parowiec SS Savannah pokonuje Atlantyk w rekordowym czasie 29 dni.
• 1836: Nowoczesne śmigła są wynalezione (niezależnie) przez Francisa Pettit Smitha (1808-1874) i Johna Ericssona (1803-1889).
• 1837: Great Western, gigantyczny statek parowo-motorowy zbudowany przez Isambarda Kingdom Brunela (1806-1859) staje się pierwszą żelazną łodzią, która przepłynęła Atlantyk.
• 1850s: Angielski stoczniowiec John Jordan tworzy prawdopodobnie pierwszy statek kompozytowy, dodając okładzinę z drewnianych desek do żelaznej ramy.
• 1870-1898: John Holland projektuje i buduje pierwszą praktyczną łódź podwodną napędzaną silnikiem, ale ma trudności z przekonaniem marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych o jej potencjale.
• 1877: Angielski wynalazca John Thornycroft patentuje wczesną formę poduszkowca opartego na pływającej lilii pad.
• 1884: Sir Charles Parsons wynajduje wysokowydajny silnik parowy zwany turbiną parową. W 1897 roku, on developsa steam-turbine-powered motor launch nazwie Turbinia.
• 1886: Niemiecki pionier motoryzacyjny Gottlieb Daimler używa silnika benzynowego do napędzania łodzi.
• 1886: Gluckauf, jeden z pierwszych tankowców oceanicznych, zostaje zbudowany i zwodowany w Wielkiej Brytanii.
• 1880: Emerytowany szwedzki oficer marynarki Charles G. Lundborg wynajduje łodzie SWATH (smallwaterplane area twin hull), które pływają wysoko ponad falami na dwóch zanurzonych kadłubach.

Nowoczesne statki

• ~1900s: Bogaci ludzie cieszą się romantyczną, luksusową erą podróży oceanicznych na pokładach liniowców takich jak Mauretania, Lusitania iAquitania.
• 1906: Enrico Forlanini wynajduje wodolot.Pionier telefonii Alexander Graham Bell również ma swój udział w jego rozwoju.
• 1912: „Praktycznie niezatapialny” luksusowy liniowiec o nazwie Titanic zapewnia sobie miejsce w historii jako najsłynniejsza katastrofa oceaniczna wszech czasów, kiedy uderza w górę lodową i tonie, zabijając ponad 1500 osób.
• 1930: Niemcy opracowują rurkę do oddychania, która pozwala silnikom wysokoprężnym w łodziach podwodnych pracować pod wodą, zmniejszając ryzyko wykrycia.
• 1943: Morskie silniki turbinowe zostają użyte po raz pierwszy.
• 1955: US Navy woduje pierwszy okręt podwodny z napędem jądrowym, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, pierwszy kontenerowiec, zostaje zwodowany z Newark, NJ.
• 1959: Poduszkowiec Christophera Cockerella odbywa swój dziewiczy rejs.
• 1960: Jacques Piccard i por. Don Walsh z Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych nurkują na głębokość około 11 km (6 mil) w najgłębszej części oceanu, w Rowie Mariańskim, w Trieście, super wzmocnionym statku nurkowym (batyskafie).
• 1962: Scripps Institution’s FLIP ship is first used tostudy the movement of ocean waves.
• 1964: Naukowa łódź podwodna do głębokiego nurkowania o nazwieAlvin zostaje opracowana przez Woods Hole Oceanographic Institution wMassachusetts i rozpoczyna badanie oceanu na głębokość prawie 5 km(3 mile).
• 1978: Statek naukowo-badawczy JOIDESResolution zostaje zwodowany, umożliwiając naukowcom badanie dna morskiego w sposób bardziej szczegółowy niż kiedykolwiek wcześniej.
• 1992: US Navy złomuje ostatni ze swoich gigantycznych pancerników, USS Missouri.
• 1993: Marynarka wojenna USA wprowadza do służby eksperymentalny, niewidoczny dla radarów okręt typu stealth o nazwie Sea Shadow, oparty na projekcie SWATH. W 2011 roku Marynarka Wojenna ogłasza, że zamierza zezłomować ten okręt.
• 2012: Wybudowany w Niemczech MS Tûranor PlanetSolar staje się pierwszym pojazdem zasilanym przez fotowoltaiczne ogniwa słoneczne, który okrąża świat.
• 2014: Norled MF Ampere, pierwszy na świecie w pełni elektryczny, zasilany bateriami prom samochodowy i pasażerski, rozpoczyna działalność w Norwegii, oszczędzając milion litrów oleju napędowego rocznie.

.