Skepp och båtar

Genomsnittlig densitet

Om du fortfarande tycker att idén om uppdrivning är lite förvirrande kan du återgå till att tänka på densitet. Föreställ dig att hangarfartyget är en gigantisk metalllåda med samma volym (som en stor skokartong), delvis fylld med motorer, flygplan, sjömän och allt annat – så att den väger lika mycket. Lådan skulle flyta om den vägde mindre än en lika stor låda fylld med vatten, annars skulle den sjunka. Så kort sagt, ett hangarfartyg flyter eftersom det väger mindre än samma volym vatten – eftersom dess genomsnittliga densitet är mindre än densiteten hos vattnet som omger det.

Foto: Det enklaste sättet att förstå varför saker flyter är att glömma Archimedes och i stället tänka på densitet. Ett fartyg flyter eftersom dess genomsnittliga densitet är relativt liten. Detta tomma militära transportfartyg är i praktiken en gigantisk tom metallåda. Dividerar du dess totala massa (dess egen massa plus innehållets massa) med dess volym får du dess genomsnittliga densitet. Den är mindre än densiteten hos en solid metallåda eller en metallåda fylld med vatten, och det är därför fartyget flyter. Foto av Gary Keen med tillstånd av US Navy.

Varför kapsejsar inte båtar?

Om du någon gång har klättrat upp på en roddbåt som är fastbunden vid en brygga har du en känsla för hur instabila små båtar kan vara när du börjar lasta dem. När du står i en båt blir du effektivt en del av den, så du ändrar dess tyngdpunkt och gör den omedelbart mycket högre upp. Eftersom man går in i en båt från sidan, så flyttar man i samma ögonblick som man kliver ombord tyngdpunkten över till den plats där man står. nu är tyngdpunkten inte längre ovanför båtens mittpunkt, och det får hela båten att rotera mot dig. En båt kan svänga från sida till sida relativt fritt; eftersom den har positiv flytkraft krävs det bara en liten kraft för att få den att röra sig i vattnet. Alla dessa saker tillsammans gör att en liten båt är relativt lätt att kapsejsa (den roterar på sidan och sjunker ofta). Genom att sitta ner i en liten båt sänker du tyngdpunkten och gör den mer stabil.

Foto: Små båtar kan vara ganska instabila, även med en köl. Den starka vinden skulle kunna få den här båten att kapsejsa, vilket är anledningen till att alla i besättningen sitter längs kanten för att balansera vändkraften med sin egen vikt. Foto av Chad Runge med tillstånd av US Navy.

Större båtar lider inte av detta problem.För det första tenderar de att ha tunga metallmotorer mycket lågt under vattenytan, vilket ger dem en låg tyngdpunkt och gör dem mer stabila. För det andra har de en högre köl (en vertikal bräda som löper under vattnet, från bak till fram, längs den centrala ”ryggraden” under båten). Kölen bidrar till att förhindra att en båt rullar (rör sig från sida till sida) eller kapsejsar, eftersom den innebär att det krävs mer kraft för att skjuta båten i sidled genom vattnet eller rotera den. Kölen spelar också en roll när det gäller att styra och driva båten, vilket vi kommer att se inom kort.

Hur rör sig båtar?

Gravitationen är den kraft som vi måste arbeta mot när vi går på land. Men om du är en ivrig simmare vet du att det inte är något problem när du rör dig på vatten eftersom din kropp är relativt flytande: även om din kropp till största delen består av vatten är det inte bara vatten (den väger mindre än en vattenpåse av exakt samma storlek). Vattenmotstånd (dragkraft) är den överlägset största kraften som simmare måste arbeta mot – och det gäller även för båtar. Ju mer vikt en båt har, desto lägre ligger den i vattnet och desto mer vattenmotstånd skapar den. Det är därför båtarna har skarpa och smala bågar (för att trycka undan vattnet) och böjda framkanter som planar (lyfter upp dem ur vattnet när de rör sig). Hydrofoiler driver denna idé till sin spets genom att använda undervattensvingar för att lyfta skrovet uppåt och bort från vattnet när de rör sig.

Foto: En hydrofoil är en typ av båt som använder undervattensvingar för att generera lyft när den rör sig framåt och lyfter skrovet över vågorna för att minska vattenmotståndet. Foto av Mark S. Kettenhofen med tillstånd av US Navy.

Likt de flesta andra föremål driver båtar sig själva genom att utnyttja Newtons tre rörelselagar: 1) De går ingenstans om inte en kraft av något slag trycker eller drar dem. 2) När det finns en lämplig kraft gör den att de accelererar (rör sig snabbare eller i en ny riktning) och en större kraft gör att de accelererar mer. 3) Om en båt vill gå framåt måste den utöva en tryckande kraft bakåt – precis som du måste sparka bakåt med en skateboard för att skjuta iväg nerför trottoaren (eller trycka bakåt med dina ben för att gå framåt).

De flesta båtar använder en av tre olika typer av kraft: åror eller stolpar, segel och motorer.

Åror och stolpar

Foto: Mänsklig kraft förblir ett pålitligt sätt att driva en båt, men om du inte har lika många åror på båda sidor (eller om du inte byter sida hela tiden) kommer du att röra dig till den ena sidan mer än den andra. Foto av Clay Weis med tillstånd av US Navy.

Den äldsta formen av båtframdrivning är den enkla människokraften. Du kan ro en båt genom att dra vattnet bakåt med hjälp av stora paddor, eller så kan du driva något som en flotte framåt genom att trycka på mot en flod eller havsbotten. Årodrivningen nådde sin höjdpunkt med de fantastiska galärer som utvecklades under grekisk och romersk tid. Biremes (kanske från det andra årtusendet före Kristus) hade två plattformar fyllda med roddare, medan triremes (som uppfanns några hundra år före Kristus) hade tre, quadriremes hade fyra och quinquiremes fem (även om det är osäkert om båtar med så många människor packade på en sådan höjd skulle ha varit stabila eller effektiva). I vilket fall som helst övergick de snart till segelkraft.

Segel

Om du hänger ut lakan för att torka i hård vind vet du exakt hur segelbåtar fungerar! Men båtar vill inte alltid segla iväg med vinden rakt bakom sig. I praktiken innebär det att seglen måste placeras i en vinkel, men vinden kommer då att försöka blåsa båten i den vinkeln i stället för i den riktning du vill gå. Vindkraften driver dig åt ett håll, så du behöver andra krafter också, i andra riktningar, för att korrigera den och skapa en resulterande (kombinerad) kraft i den riktning du faktiskt vill gå. Två andra krafter hjälper till. Den ena är en kraft från kölen. Om vinden blåser båten delvis i sidled trycker kölen mot vattnet och hjälper till att driva båten framåt. Du kan också vinkla rodret på baksidan av båten så att det, när vattnet träffar det, skjuter iväg i en vinkel och styr båten åt det ena eller andra hållet. (Förr satt rodret till höger om båten och kallades styrbord, vilket är anledningen till att den högra sidan av en båt, som vetter framåt, än i dag kallas styrbord, medan den vänstra sidan kallas babord.)

Foto:

Foto: Yachter har flera segel så att de kan fånga vinden från alla håll. Foto av Eric Brown med tillstånd av US Navy.

Om du vill segla mot vinden måste du använda atriangulära eller lateen-segel som hänger längst fram på båten i en vinkel mot motvinden. När vinden träffar seglet blåser den runt det och accelererar; seglet fungerar på samma sätt som en flygplansvinge (den böjda ytan på en flygplansvinge) och kastar luft runt och bakom det och driver båten framåt (på samma sätt som den nedåtgående luften från en vinge driver ett flygplan uppåt).

Motorer

Förr i tiden var sjömännen vilsna utan vind, men det är inte ett problem som vi har nu tack vare motorerna, som kan användas för att driva propellrar. De första motordrivna båtarna använde högtrycks ångmaskiner som drevs av kol, medan moderna motorer alltid drivs av diesel. Det enda verkliga problemet med att använda förbränningsmotorer för att driva båtar är att de behöver en konstant tillförsel av syre för att förbränna bränslet, vilket innebär att de inte kan användas för att driva ubåtar under vatten. Det finns dock en lösning: man kan använda en dieselmotor nära ytan för att driva en generator och ladda batterier som sedan används för att driva en elmotor och propellern när ubåten är under vatten. (Kärnkraft är ett annat alternativ och innebär att en ubåt kan vara under vatten i veckor eller månader i taget.)

Inte alla motordrivna båtar använder propellrar.Jet Skis® och jetfoils (stora hydrofoilversioner av jetskis) använder motorer för att driva impellrar (vattenpumpar) som skapar en kraftfull vattenstråle som pekar mot bakvattnet. Kraften från vattnet som skjuter tillbaka in i vattnet driver båten framåt, ungefär som de heta avgaserna från en jetmotor.

Vilka material tillverkas båtar av?

Varje material man kan tänka sig har använts för att tillverka båtar någon gång. De första båtarna tillverkades av djurhud, bark och trä. Senare kom dugouts som tillverkades genom att man skrapade träet från en noggrant utvald trädstam. Förr i tiden utvecklade båtbyggarna konsten att bygga båtar av enskilda plankor, antingen genom att fästa kanterna på en planka vid kanterna på de omgivande plankorna som tegelstenar i en vägg (det så kallade carvelbygget) eller, ännu bättre, genom att överlappa plankorna från botten och uppåt (en teknik som kallas för klinkersbygget), vilket ger en starkare, lättare och snabbare båt. Den industriella revolutionen medförde en annan stor innovation: de mäktiga fartygen av järn och stål. De flesta moderna fartyg är fortfarande byggda av stål i dag, även om det är relativt tungt. Det är därför som vissa större båtar nu tillverkas av starka, lätta metaller som aluminium, medan mindre båtar ofta tillverkas av lätta kompositer som glasfiber eller superstarka plaster som Kevlar®.

Artwork: I klinkerbyggda båtar (till vänster) är plankorna överlappande, vilket ger ett mycket starkare skrov; i snickeribyggda båtar (till höger) är plankorna sammanfogade i ändar för att bilda en slät yttre yta.

En kortfattad historik över fartyg och båtar

Länkarna i den här tidslinjen leder i allmänhet till ytterligare information i Wikipedia och på andra webbplatser.

Förhistoria och forntid

• ~10 000 före vår tideräkningstid: De första båtarna är flottar, båtar av skinn, skinn och bark, kajaker och dugouts.
• ~5000BCE-3000BCE: Mesopotamiska sjömän uppfinner segel.
• ~3000 f.Kr: De gamla egyptierna tillverkar de första båtarna av träplankor.
• ~2500BCE: Minoerna och mecenierna blir de första stora sjöfararna och utforskar Medelhavet.
• ~1500BCE-27BCE: Grekerna bygger gigantiska krigsfartyg, bland annat biremes och triremes.
• 27BCE-400CE: Romarna bygger galärer, de gamla föregångarna till moderna krigsfartyg, med innovationer som en upphöjd brygga.
• ~300 f.Kr: Archimedes (287-212 f.Kr.) utvecklar vetenskapen om flytning.
• 200 e.Kr: Lateinsegel används allmänt i Medelhavet (även om de tros ha uppfunnits något tidigare i arabvärlden).

Medeltid

• 300: Vikingarna uppfinner klinkbyggandet.
• 1200: Vikingarna uppfinner klinkbyggandet:
• 1400-1600: De flesta stora fartygen är träbyggda och segeldrivna och omfattar koggar, karriser, galärer och galeoner.
• 1620: Cornelis Drebble bygger den första ubåten av trä.
• 1500-talet: Stora resor av Christopher Columbus (1451-1506), Vasco da Gama (1460-1524), Ferdinand Magellan (1480-1521) och andra är pionjärer inom havsutforskning och världsomsegling.

Sjöfartens storhetstid

Foto: USS Constitution, med smeknamnet ”Old Ironsides”, är en klassisk tremastad fregatt (krigsfartyg) från 1797, som sedan länge har dragits tillbaka från militär tjänst och nu är ett fascinerande museum i Boston. Foto av Kathryn E. Macdonald med tillstånd av US Navy.

• 1777: Den första båten med järnskrov byggs (i England).
• 1783: Marquis d’Abbans (1751-1832) bygger den första ångbåten.
• 1800-talet: Regelbundna ”packet shipping”-tjänster etableras, som seglar enligt tidtabeller. Snabba klipperskepp sätter seglingsrekord.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) sätter rekord i att resa från New York City till Albany med ångbåtenClermont.
• 1819: Ångbåten SS Savannah korsar Atlanten på rekordlånga 29 dagar.
• 1836: Den moderna propellern uppfanns (oberoende av varandra) av Francis Pettit Smith (1808-1874) och John Ericsson (1803-1889).
• 1837: Great Western, ett gigantiskt ångpowerskepp som byggdes av Isambard Kingdom Brunel (1806-1859), blir den första järnbåten som korsar Atlanten.
• 1850-talet: Den engelske skeppsbyggaren John Jordan tillverkar troligen det första kompositfartyget genom att lägga träplankor på en järnram.
• 1870-1898: John Holland konstruerar och bygger den första praktiska, motordrivna ubåten, men har svårt att övertyga den amerikanska flottan om dess potential.
• 1877: John Holland konstruerar och bygger den första praktiska, motordrivna ubåten, men har svårt att övertyga den amerikanska flottan om dess potential: Den engelske uppfinnaren John Thornycroft patenterar en tidig form av svävare baserad på en flytande liljekonvalj.
• 1884: Sir Charles Parsons uppfinner en högeffektiv ångmaskin som kallas ångturbin. År 1897 utvecklar han en ångturbindriven motorbåt kallad Turbinia.
• 1886: Den tyske bilpionjären Gottlieb Daimler använder en bensinmotor för att driva en båt.
• 1886: Gluckauf, en av de första oceangående tankfartygen, byggs och sjösätts i Storbritannien.
• 1880: Den pensionerade svenske marinofficeren Charles G. Lundborg uppfinner SWATH-båtar (smallwaterplane area twin hull) som åker högt över vågorna på två nedsänkta skrov.

Moderna fartyg

• ~1900-tal: Förmögna människor njuter av den romantiska och lyxiga tidsåldern för havsresor ombord på fartyg som Mauretania, Lusitania och Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini uppfinner hydrofoil och telefonpionjären Alexander Graham Bell spelar också en roll i utvecklingen.
• 1912: Titanic: Ett ”praktiskt taget osänkbart” lyxfartyg som kallas Titanic får en plats i historien som den mest berömda havskatastrofen genom tiderna när det träffar ett isberg och sjunker med över 1 500 döda som följd.
• 1930-talet: Tyskarna utvecklar snorkeln, ett andningsrör som gör det möjligt för dieselmotorer i ubåtar att fungera under vattnet, vilket minskar risken för upptäckt.
• 1943: Gasolmotorer för fartyg används för första gången.
• 1955: US Navy sjösätter den första atomdrivna ubåten, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, det första containerfartyget, sjösätts från Newark, NJ.
• 1959: Christopher Cockerells svävare gör sin jungfruresa.
• 1960: Jacques Piccard och löjtnant Don Walsh från den amerikanska flottan dyker till cirka 11 km i den djupaste delen av haven, Marianergraven, i Trieste, ett superförstärkt dykfartyg (bathyscaphe).
• 1962: Scripps Institution’s FLIP-fartyg används för första gången för att studera havsvågornas rörelse.
• 1964: Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts utvecklar en djupdykande vetenskaplig ubåt kallad Alvin och börjar utforska havet på nästan 5 km djup.
• 1978: Det vetenskapliga forskningsfartyget JOIDESResolution sjösätts och gör det möjligt för forskare att utforska havsbotten mer detaljerat än någonsin tidigare.
• 1992: Amerikanska flottan skrotar det sista av sina stora slagskepp, USS Missouri.
• 1993: USA:s flotta skrotar det sista av sina stora slagskepp, USS Missouri: USA:s flotta lanserar en experimentell, radarosynlig smygbåt kallad Sea Shadow, baserad på en SWATH-design. År 2011 meddelar flottan att den har för avsikt att skrota fartyget.
• 2012: Det tyskbyggda fartyget MS Tûranor PlanetSolar blir det första fordon som drivs av solceller och som gör en världsomsegling.
• 2014: Norled MF Ampere, världens första helt eldrivna, batteridrivna bil- och passagerarfärja, börjar trafikera i Norge och sparar en miljon liter diesel per år.