Nave și ambarcațiuni

Densitatea medie

Dacă tot vi se pare un pic confuză ideea de împingere în sus, reveniți la ideea de densitate. Imaginați-vă că portavionul ar fi o cutie metalică uriașă de același volum (ca o cutie mare de pantofi), umplută parțial cu motoare, avioane, marinari și orice altceva – astfel încât să cântărească la fel de mult. Acea cutie ar pluti dacă ar cântări mai puțin decât o cutie de aceleași dimensiuni umplută cu apă; în caz contrar, s-ar scufunda. Deci, pe scurt, un portavion plutește deoarece cântărește mai puțin decât același volum de apă – pentru că densitatea sa medie este mai mică decât cea a apei care îl înconjoară.

Foto: Cel mai simplu mod de a înțelege de ce plutesc lucrurile este să uităm de Arhimede și să ne gândim în schimb la densitate. O navă plutește pentru că densitatea sa medie este relativ mică. Această navă de transport militar goală este, de fapt, o uriașă cutie metalică goală. Împărțiți masa sa totală (masa proprie plus cea a conținutului său) la volumul său și veți obține densitatea sa medie. Aceasta este mai mică decât densitatea unei cutii metalice solide sau a unei cutii metalice umplute cu apă și de aceea nava plutește. Fotografie realizată de Gary Keen, prin amabilitatea US Navy.

De ce nu se răsturnă bărcile?

Dacă v-ați urcat vreodată pe o barcă cu vâsle legată de un ponton, veți avea o idee despre cât de instabile pot fi bărcile mici atunci când începeți să le încărcați. Când stați pe o barcă, deveniți efectiv o parte din ea, așa că îi modificați centrul de greutate,făcând-o instantaneu mult mai înaltă. Deoarece intri într-o barcă din lateral, în momentul în care urci la bord, schimbi centrul de greutate spre locul în care te afli.Acum centrul de greutate nu mai este deasupra centrului bărcii, iar acest lucru face ca totul să se rotească spre tine. O barcă poate să se balanseze de la o parte la alta relativ liber; deoarece are o flotabilitate pozitivă, este nevoie doar de o forță mică pentru a o face să se miște în apă. Toate aceste lucruri combinate fac ca o barcă mică să fie relativ ușor de răsturnat (se rotește pe o parte și adesea se scufundă). Prin așezarea într-o barcă mică, coborâți centrul de greutate și o faceți mai stabilă.

Foto: Bărcile mici pot fi destul de instabile, chiar și cu o chila. Vântul puternic ar puteacapsula această barcă, motiv pentru care echipajul este așezat cu toții de-a lungul marginii pentru a echilibra forța de întoarcere cu propria greutate. Fotografie realizată de Chad Runge prin amabilitatea US Navy.

Bărcile mai mari nu suferă de această problemă. în primul rând, ele tind să aibă motoare metalice grele foarte jos sub nivelul apei, ceea ce le conferă un centru de greutate scăzut și le face mai stabile. În al doilea rând, ele au o chila mai mare (o placă verticală care se desfășoară sub apă, din spate în față, de-a lungul „coloanei vertebrale” centrale de sub barcă. Chila ajută la împiedicarea rostogolirii (deplasare dintr-o parte în alta) sau a răsturnării unei ambarcațiuni, deoarece înseamnă că este nevoie de o forță mai mare pentru a împinge ambarcațiunea în lateral prin apă sau pentru a o roti. Chila joacă, de asemenea, un rol în dirijarea și propulsia bărcii, după cum vom vedea în scurt timp.

Cum se deplasează bărcile?

Gravitația este forța împotriva căreia trebuie să lucrăm atunci când mergem pe uscat. Dardacă ești un înotător pasionat,știi că nu este o problemă atunci când te deplasezi pe apă, deoarece corpul tău este relativ plutitor:chiar dacă corpul tău este în cea mai mare parte apă, nu este numai apă (cântărește mai puțin decât un sac de apă de exact aceeași mărime). Rezistența apei (rezistența la înaintare) este de departe cea mai mare forță împotriva căreia înotătorii trebuie să lucreze – și acest lucru este valabil și în cazul bărcilor. Cu cât o ambarcațiune are mai multă greutate, cu atât stă mai jos în apă și cu atât mai multă rezistență la apă creează. Acesta este motivul pentru care bărcile au prova ascuțită și îngustă (pentru a împinge apa în mod curat din calea lor) și margini frontale curbate care planează (le ridică din apă pe măsură ce se deplasează). Hidrofoarele împing această idee la limită prin utilizarea aripilor subacvatice pentru a ridica carena și a o îndepărta de apă pe măsură ce se deplasează.

Foto: Un hidrofoil este un tip de ambarcațiune care folosește aripi subacvatice pentru a genera portanță pe măsură ce înaintează, ridicând corpul navei deasupra valurilor pentru a reduce rezistența apei. Fotografie realizată de Mark S. Kettenhofen, prin amabilitatea US Navy.

Ca majoritatea celorlalte obiecte, ambarcațiunile se propulsează prin utilizarea celor trei legi ale mișcării lui Newton: 1) Ele nu merg nicăieri dacă nu sunt împinse sau trase de o forță de un anumit fel; 2) Când există o forță adecvată, aceasta le face să accelereze (să se miște mai repede sau într-o nouă direcție), iar o forță mai mare le va accelera și mai mult; 3) Dacă o barcă vrea să meargă înainte, trebuie să aplice o forță de împingere înapoi – așa cum trebuie să dai cu piciorul înapoi cu skateboardul pentru a ieși în jos pe trotuar (sau să împingi cu picioarele pentru a merge înainte).

Majoritatea ambarcațiunilor folosesc unul dintre cele trei tipuri diferite de putere: vâsle sau prăjini, vele și motoare.

Vâsle și prăjini

Foto: Puterea umană rămâne un mod fiabil de a propulsa o barcă, dar dacă nu aveți un număr egal de vâsle pe ambele părți (sau dacă nu continuați să schimbați părțile), vă veți deplasa într-o parte mai mult decât în cealaltă. Fotografie realizată de Clay Weis prin amabilitatea US Navy.

Cea mai veche formă de propulsie a bărcilor este simpla putere umană. Poți vâsli o barcă trăgând apa înapoi cu ajutorul unor palete mari sau poți împinge ceva, cum ar fi o plută, înainte, împingându-te de pe un râu sau de pe fundul mării. Puterea vâslelor a atins apogeul cu uimitoarele galere dezvoltate în perioada greacă și romană. Biremele (care datează probabil din al doilea mileniu î.Hr.) aveau două platforme pline cu vâsle, în timp ce triremele (inventate cu câteva sute de ani î.Hr.) aveau trei, cvadriremele aveau patru, iar quinquiremele cinci (deși nu se știe dacă bărcile cu atâția oameni înghesuiți, la o asemenea înălțime, ar fi fost stabile sau eficiente). În orice caz, ele au cedat curând în favoarea propulsiei cu vele.

Vele

Dacă atârniți cearceafuri de pat la uscat pe un vânt puternic, veți ști exact cum funcționează bărcile cu vele! Dar bărcile nu vor întotdeauna să se îndepărteze cu vântul suflând drept în spatele lor. în practică, asta înseamnă că pânzele trebuie să fie poziționate la un unghi,dar vântul va încerca apoi să sufle barca la acel unghi în loc de direcția în care vrei să mergi. Forța vântului te împinge într-o direcție, așa că ai nevoie și de alte forțe, în alte direcții, pentru a o corecta și a produce o forță rezultantă (combinată) în direcția în care vrei să mergi de fapt. Alte două forțe vă ajută. Una este forța de la chila. Dacă vântul suflă barca parțial într-o parte laterală, chila împinge împotriva apei și ajută la propulsarea bărcii în direcția înainte. Puteți, de asemenea, să înclinați cârma din partea din spate a bărcii astfel încât, atunci când apa o lovește, să iasă în unghi, direcționând barca într-o parte sau alta. (Cârmele obișnuiau să fie poziționate în partea dreaptă a bărcii și se numeau steerboards, motiv pentru care partea dreaptă a unei ambarcațiuni, orientată spre înainte, se numește și în prezent tribord; partea stângă se numește port.)

Foto: Iahturile au mai multe pânze pentru a putea prinde vântul din orice direcție. Fotografie realizată de Eric Brown, prin amabilitatea US Navy.

Dacă vreți să navigați împotriva vântului, trebuie să folosiți vele atriangulare sau lateen atârnate în partea din față a ambarcațiunii la un unghi față de vântul care se apropie. Pe măsură ce vântul lovește pânza, suflă în jurul ei și accelerează; pânza acționează într-un mod similar cu un aerodinamic (suprafața curbată a unei aripi de avion), aruncând aerul în jurul și în spatele ei și împingând barca înainte (la fel cum aerul descendent de la o aripă propulsează un avion în sus).

Motoare

Marinarii din vechime erau pierduți fără vânt, daraceasta nu este o problemă pe care o avem acum, datorită motoarelor, care pot fi folosite pentru a acționa elicele. Primele bărci cu motor foloseau motoare cu aburi de înaltă presiune alimentate cu cărbune; motoarele moderne sunt invariabil alimentate cu motorină. Singura problemă reală a utilizării motoarelor cu combustie internă pentru a propulsa bărci este că acestea au nevoie de o sursă constantă de oxigen pentru a arde combustibilul; acest lucru înseamnă că nu pot fi utilizate pentru a propulsa submarine subacvatice. Cu toate acestea, există o soluție alternativă: se poate folosi un motor diesel în apropierea suprafeței pentru a acționa un generator și a încărca bateriile, care sunt apoi folosite pentru a acționa un motor electric și elicea atunci când submarinul se află sub apă. (Energia nucleară este o altă opțiune și înseamnă că un submarin poate sta subacvatic săptămâni sau luni la rând.)

Nu toate ambarcațiunile cu motor folosesc elice.Jet Skis® și jetfoil (versiuni mari, hidrofoil ale jet ski-urilor) folosesc motoare pentru a acționa rotoare (pompe de apă) care creează un jet de apă puternic, îndreptat spre spate. Forța apei care se aruncă înapoi în apă propulsează ambarcațiunea înainte, la fel ca gazele fierbinți de eșapament ale unui motor cu reacție.

Din ce materiale sunt fabricate ambarcațiunile?

Aproape toate materialele la care vă puteți gândi au fost folosite la fabricarea ambarcațiunilor la un moment dat sau altul. Primele bărci au fost confecționate din piele de animale, scoarță și lemn; mai târziu au apărut bărcile de tip dugout, confecționate prin scobirea lemnului de pe un trunchi de copac ales cu grijă. În antichitate, constructorii de ambarcațiuni au perfecționat arta de a construi bărci din scânduri separate, fie prin fixarea marginilor unei scânduri de marginile celor din jur, ca niște cărămizi într-un zid (ceea ce este cunoscut sub numele de „carvel building”), fie, și mai bine, prin suprapunerea scândurilor de jos în sus (o tehnică cunoscută sub numele de „clinker building”), ceea ce face ca barca să fie mai puternică, mai ușoară și mai rapidă. Revoluția industrială a adus o altă mare inovație:epoca navelor puternice din fier și oțel. Majoritatea navelor moderne sunt construite și astăzi din oțel, deși acesta este relativ greu. De aceea, unele ambarcațiuni mai mari sunt acum fabricate din metale puternice și ușoare, cum ar fi aluminiul, în timp ce cele mai mici sunt adesea fabricate din materiale compozite ușoare, cum ar fi fibra de sticlă sau materiale plastice foarte rezistente, cum ar fi Kevlar®.

Artwork: Ambarcațiunile construite din clincher (stânga) au scândurile suprapuse, ceea ce oferă o carcasă mult mai rezistentă; în cazul ambarcațiunilor construite în carvelă (dreapta) scândurile sunt îmbinate cap la cap pentru a forma o suprafață exterioară netedă.

O scurtă istorie a navelor și ambarcațiunilor

Legăturile din această cronologie vă vor conduce, în general, la informații suplimentare în Wikipedia și pe alte site-uri.

Preistorie și antichitate

• ~10.000 î.Hr: Primele ambarcațiuni includ plute, bărci din piele, piele și scoarță, caiace și pirogi.
• ~5000BCE-3000BCE: Marinarii mesopotamieni inventează pânzele.
• ~3000BCE: Egiptenii antici confecționează primele bărci din scânduri de lemn.
• ~2500BCE: Minoicii și micenienii devin primii mari navigatori oceanici, explorând Marea Mediterană.
• ~1500BCE-27BCE: Grecii construiesc nave de război gigantice, inclusiv bireme și trireme.
• 27BCE-400CE: Romanii construiesc galere, strămoșii antici ai navelor de război moderne, cu inovații care includ un pod ridicat.
• ~300BCE: Arhimede (287-212BCE) descoperă știința plutirii.
• 200CE: Velele Lateen sunt folosite pe scară largă în Mediterana (deși se crede că au fost inventate ceva mai devreme în lumea arabă).

Mediul Evului Mediu

• 300: Vikingii inventează construcția cu clincher.
• 1200: Cârma centrală începe să înlocuiască „cârma”.”
• 1400-1600: Cele mai multe nave mari sunt construite din lemn și propulsate de pânze, și includ cogeamite, caravele, galere și galioane.
• 1620: Cornelis Drebble construiește primul submarin din lemn.
• Secolul al XV-lea: Marile călătorii ale lui Cristofor Columb (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Ferdinand Magellan (1480-1521),și alții sunt pionierii explorării și circumnavigării oceanelor.

Marea epocă a navigației

Foto: USS Constitution, supranumită „Old Ironsides”, este o fregată (navă de război) clasică, cu trei catarge, care datează din 1797. retrasă de mult din serviciul militar, este acum un muzeu fascinant în Boston. Fotografie realizată de Kathryn E. Macdonald prin amabilitatea US Navy.

• 1777: Se construiește prima ambarcațiune cu cocă de fier (în Anglia).
• 1783: Marchizul d’Abbans (1751-1832) construiește prima barcă cu aburi.
• Secolul al XIX-lea: Se înființează servicii regulate de „packet shipping”, care navighează după orare. Navele rapide de tip clipper stabilesc recorduri de navigație.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) stabilește un record pentru călătoria de la New York City la Albany cu un vas cu aburi numitClermont.
• 1819: Vasul cu aburi SS Savannah traversează Atlanticul într-un timp record de 29 de zile.
• 1836: Propulsoarele moderne sunt inventate(independent) de Francis Pettit Smith (1808-1874) și John Ericsson(1803-1889).
• 1837: Great Western, un uriaș vapor cu aburi numit construit de Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) devine prima navă de fier care traversează Atlanticul.
• 1850s: Constructorul naval englez John Jordan construiește probabil prima navă compozită prin adăugarea unui înveliș din scânduri de lemn peste un cadru de fier.
• 1870-1898: John Holland proiectează și construiește primul submarin practic, cu motor, dar se străduiește să convingă USNavy de potențialul său.
• 1877: Inventatorul englez John Thornycroft brevetează o primă formă de hovercraft bazată pe un nufăr plutitor.
• 1884: Sir Charles Parsons inventează un motor cu abur foarte eficient numit turbină cu abur. În 1897, el dezvoltă o lansetă cu motor alimentată de o turbină cu abur numită Turbinia.
• 1886: Pionierul auto german Gottlieb Daimler folosește un motor pe benzină pentru a propulsa o barcă.
• 1886: Gluckauf, unul dintre primele petroliere oceanice, este construit și lansat la apă în Marea Britanie.
• 1880: Ofițerul de marină suedez în retragere Charles G. Lundborg inventează ambarcațiunile SWATH (smallwaterplane area twin hull), care se deplasează deasupra valurilor pe două carene scufundate.

Navi moderne

• ~1900s: Oamenii înstăriți se bucură de epoca romantică și luxoasă a călătoriilor pe ocean la bordul unor nave de linie precumMauretania,Lusitania șiAquitania.
• 1906: Enrico Forlanini inventează hidroforul.Pionierul telefonului, Alexander Graham Bell, joacă, de asemenea, un rol în dezvoltarea acestuia.
• 1912: Un pachebot de lux „practic de nescufundat” numit Titanic își asigură un loc în istorie ca fiind cea mai faimoasă catastrofă oceanică din toate timpurile când lovește un iceberg și se scufundă,omorând peste 1500 de oameni.
• Anii 1930: Germanii dezvoltă snorkelul, un tub de respirație care permite motoarelor diesel din submarine să funcționeze sub apă, reducând riscul de detectare.
• 1943: Motoarele marine cu turbină cu gaz sunt folosite pentru prima dată.
• 1955: Marina americană lansează primul submarin cu propulsie nucleară, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, prima navă-container, este lansată de la Newark, NJ.
• 1959: Aeronava hovercraft a lui Christopher Cockerell face călătoria sa inaugurală.
• 1960: Jacques Piccard și locotenentul Don Walsh de la US Navy se scufundă până la aproximativ 11 km (6 mile) în cea mai adâncă parte a oceanelor, Groapa Marianelor, în Trieste, o navă de scufundare super-împădurită (bathyscaphe).
• 1962: Nava FLIP a Institutului Scripps este folosită pentru prima dată pentru a studia mișcarea valurilor oceanice.
• 1964: Un submersibil științific de mare adâncime numitAlvin este dezvoltat de Woods Hole Oceanographic Institution din Massachusetts și începe să exploreze oceanul la adâncimi de aproape 5 km (3 mile).
• 1978: Nava de explorare științifică JOIDESResolution este lansată, permițând oamenilor de știință să exploreze fundul mării mai detaliat decât oricând înainte.
• 1992: Marina americană desființează ultima dintre navele sale de luptă gigant, USS Missouri.
• 1993: US Navy lansează o navă stealth experimentală, invizibilă la radar, numită Sea Shadow, bazată pe un proiect SWATH. În 2011, Marina anunță că intenționează să desființeze nava.
• 2012: MS Tûranor PlanetSolar, construit în Germania, devine primul vehicul propulsat de celule solare fotovoltaice care face înconjurul lumii.
• 2014: Norled MF Ampere,primul feribot pentru autoturisme și pasageri din lume complet electric, alimentat cu baterii, începe să funcționeze în Norvegia,și economisește un milion de litri de motorină pe an.

.