כחול 74 - אפריל 2018
חג פסח שמח ואביב פורח!



 
דף הבית > כתבות טכניות > גוף כלי השיט > מהר יותר, יעיל יותר
מהר יותר, יעיל יותר
כאשר אנו מביטים בתחתית של כלי שיט מהיר כמו יאכטה או סירת מנוע, לא מובן לנו מדוע הקוער מעוצב בצורת מדרגות, תעלות, פינות או זוויות חדות. האם לא עדיף לעצב אותן מעוגלות וחלקות?
מהר יותר, יעיל יותר
גליון 10
 
מאת טים ברנטלט
הביאה לדפוס אורית קדר
 
הרעיון הראשון העולה בדעתנו כאשר אנו רואים סירת מנוע מהירה המשאירה גל חרטום אדיר וגל ירכתים מרשים הוא שהסירה תוכננה כדי "לעשות רושם" כלומר "לעשות גלים". משהו בדומה לקיצוץ מפלטי האופנועים כדי להגביר את הרעש. טעות חברים!
קוער הסירה מעוצב כך שהוא יעזור לנו להגיע לריחוף (PLANE ) כמה שיותר מהר, ואז יוכל להגביר את מהירותו עד המקסימום תוך השקעת מינימום כוח.
נתחיל במושגי יסוד, גופי כלי השיט מחולקים לשתי קטגוריות יסוד.
גוף הדחק (DISPLACEMENT ) וגוף מרחף (PLANE ).
רוב כלי השיט נמצאים בקטגוריה הראשונה, החל באניות הסוחר וכלה ביאכטות המפרשים. בקטגוריה השניה נמצאות סירות המנוע והיאכטות המהירות, חלק מהמפרשיות התחרותיות וגלשני הרוח.
גוף הצף במים דוחה מים כמשקלו. על מנת להתקדם עליו לדחוף את המים. גוף מרחף מעוצב כך שבשלב מסוים הוא יחליק על המים, ברור שאז תהיה ההתנגדות מינימלית וניתן יהיה להגיע למהירויות גבוהות. כדי לייצר כלי שיט מרחף צריך שהיחס בין משקל כלי השיט להספק המנוע יהיה מתאים. כלומר, צריך מנוע בעל הספק גבוה לעומת משקל גוף נמוך. בנוסף כלי השיט חייב להיות מעוצב במיוחד כדי להגיע לריחוף מהר עד כמה שכוח המנוע יאפשר זאת. כאן מתחיל סיפורנו.
כאשר סירה צפה ללא תנועה פועל כוח הידרוסטטי כלפי מעלה. כוח זה מונע מגוף הסירה מלטבוע והוא מנוגד לכוח הכובד המושך את הסירה למצולות הים. כל עוד הכוח ההידרוסטטי (הידרו = מים, סטטי = קבוע) גדול מכוח הכובד, הסירה תצוף. כאשר הסירה מתחילה לנוע הסיפור הופך מסובך יותר. כאן נכנס לסיפור הכוח ההידרודינמי (דינמי = תנועה). באופן סכמתי ניתן לאמור שכאשר הסירה מתחילה לנוע היא דוחפת את המים מדרכה. המים פועלים כנגד באותה עוצמה בדיוק. במהירות נמוכה הכוח ההידרודינמי פועל באופן מפתיע: הוא מושך את הסירה כלפי מטה. התופעה באה לידי ביטוי במיוחד במים רדודים. אניות סוחר למשל עשויות לשקוע כמה מטרים נוספים כאשר הן מפליגות במהירות מירבית במים רדודים .

עם תחילת התנועה קדימה החרטום שקוע יותר מהירכתים אך כאשר הסירה מאיצה המצב מתהפך. גל החרטום מתארך והוא מגיע או משיג את קו המים של הסירה. ניתן לחשב מתי סירה תגיע למצב זה של ריחוף. הנוסחה המתמטית היא V=1.34´ LWL כאשר V היא מהירות הסירה בקשרים והיא תוצאה של הכפלת הגורם 1.34 בשורש המרובע של אורך הסירה בפיט. (פיט=רגל=0.33 מטר). רוב הסירות יכולות להפליג מהר יותר כאשר דוחפים אותן חזק יותר. כלומר, מציבים בהן מנוע חזק יותר. אם ניקח כדוגמא מפרשית של 25 רגל השוקלת כמה טונות היא תגיע למהירות הגוף שלה כ- 6 קשר עם מנוע של 7 או 8 כוחות סוס. נניח שנציב בה מנוע של 40 כוחות סוס (פי 5!) מהירותה תגדל בקושי ב- 2 קשרים.
מדוע? כי הקוער שלה לא מתוכנן לריחוף.

מעבר לריחוף
עד למהירות LWL ´ 2.5 = V . בערך 12 קשר לסירה של 7.5 מטר החרטום יתרומם יותר ויותר עם עליית המהירות.
בנקודה זאת החרטום ירד והסירה תתאזן בקו חרטום ירכתים. תופעה זאת נקראת באנגלית תופעת הדבשת (HUMP ) מאחר והסירה "מטפסת" במהירות עד לשיא ואז החרטום יורד וניתן לראות את מלוא שדה הראיה שקודם הוסתר ע"י החרטום וכמובן להאיץ את המהירות. כל שייט הרגיש את הרגע הזה כאשר מחוג מד המהירות מזנק לפתע קדימה וניתן להוריד טורים (סיבובי מנוע) ועדיין להישאר באותה מהירות. הדרך הקלה להסביר את התופעה היא לדמיין את הסירה עומדת במקומה בתוך זרם מהיר של מים. זה קל יותר להבנה אם נדמיין קרקעית שטוחה לחלוטין כמו גלשן רוח או חסקה. זרם המים הפוגע בגוף הסירה חייב לנוע לכיוון מסוים. חלק ממנו ממשיך קדימה בזרימתו, חלק ממנו נע לצדדים וחלק ממנו נע לאחור כנגד תנועת הזרם. בנקודה מסוימת הנקראת נקודת הקיפאון (STAGNATION ) זרם המים חייב לנוע ב- 90 מעלות לכיוונו כלומר לדחוף את הסירה כלפי מעלה. תופעה זאת מתרחשת בדרך כלל בשני שליש אורך הסירה. קדימה מנקודה זאת לכיוון החרטום המים אינם מפעילים כוח (חלק גדול מהחלק הקדמי של הסירה נמצא באוויר). כלפי הירכתים המים פועלים במקביל לכיוון ההפלגה אך אינם מפעילים כוח כלפי מעלה. סביב נקודת הקיפאון או נקודת תחילת הריחוף כמה סנטימטרים לאחור פועלים המים כלפי מעלה במלוא עצמתם .
כאשר מתרחשת התופעה שתיארנו למעלה עדיין פועלים הכוחות ההידרוסטטים אותם תיארנו בחלק הראשון. ככל שהסירה יוצאת יותר מהמים כוחות אלו נחלשים ועוברים לכיוון הירכתים. צריך לזכור כי לא ניתן לתכנן גוף כלי שיט ללא יכולת ציפה בכלל. גוף כלי שיט אפילו רחפת (HOVERCRAFT ) או גלשת (HYDROFOIL ) לא יכולים להפליג יותר מכמה שניות ללא כוח
ציפה.
ריחוף
בשעה שסירה מגיעה למהירות של LWL ´ 5 = V (לדוגמא: סירה שאורך קו המים שלה הוא 7.5 מטר מהירותה תהיה בערך 20 קשר), במצב זה הסירה נתמכת בעיקר ע"י הכוח ההידרודינמי הפועל כלפי מעלה. כוח זה מרוכז כמה מטר מהחרטום. ובנוסף לו פועל כוח הציפה, כוח זה פועל בעיקר בירכתים. מרכז הכובד של הסירה (CENTER OF GRAVITY ) ממוקם ביניהם. ברגע שהסירה עברה את נקודת "הדבשת" המהירות גדלה כמעט באופן ישיר להגדלת כוח המנוע. כלומר הכפלת הכוח תיתן מיד הכפלת מהירות. גם במים שקטים (ללא רוח וגלים) יש גבול להגדלת המהירות. ככל שהמהירות עולה הכוח ההידרודינמי גדל. במצב זה הסירה תצא מהמים יותר. כאשר זה קורה נקודת הקיפאון נעות לאחור. כמובן שמרכז הכובד של הסירה לא ישתנה. התוצאה תהיה שהחרטום יתחיל "ליפול" כלומר לרדת. הסירה צריכה שתהיה לה זווית קטנה אשר תחזיק את החרטום כלפי מעלה כדי לקבל כוח הידרו דינמי מהמים. נפילת החרטום מורידה מידית את הכוח המרים ההידרוסטטי. במצב זה החרטום יורד יותר עד שנקודת הקיפאון נעה קדימה חזרה והחרטום מתחיל להתרומם.
 
סירה המתוכננת היטב, כאשר היא מפליגה בטווח המהירות המתוכנן שלה, תתאזן בזווית חרטום קבועה של 3-4 מעלות. סירות מתוכננות פחות טוב או סירות הנדחפות לקצה גבול היכולת שלהן מגיעות למצב של חוסר איזון בקו חרטום ירכתים ומפתחות תופעות נדנוד וחבטה של החרטום. תופעה הנקראת (PICHING ) יכולה להיות מאוד לא נוחה לצוות ומסוכנת למבנה הסירה. התופעה נקראת גם PORPOISING כמובן על שמו של הדולפין (PORPOISE ) השוחה באופן כזה. על מנת להקטין תופעה זאת מותקנים בירכתי הסירות התקני הכיוונון (TRIM ). התקנים אלו מאפשרים שליטה רציפה על זווית החרטום. שליטה זאת מגבירה את המהירות ומונעת את הטלטול האורכי.
 
להישאר יבשים ולרחף מהר יותר
צילום של סירת מנוע מהירה משנות הארבעים מראה גל אדיר ניצב לסירה משני צדדיה. ספר ארכיטקטורה ימית משנות השלושים אפילו ציין כי "אם בקוק פיט בסירה אין אמצעי שאיבה עצמית הסירה עלולה לשקוע בשל הגל העצמי שלה". כדי להגן כנגד ההתזה בנו חלונות גבוהים מסביב לקוק פיט. חלונות אלו יצרו התנגדות אירו דינמית (אירו=אוויר) והאטו את מהירות הסירות. הפתרון המודרני הוא התקנת מדרגות התזה (SPRAY RAIL ) בקוער הסירה. בסירות העץ חיברו פשוט לוחות דקים לקוער. בסירות הפיברגלס זה פשוט יותר, יוצקים את הקוער עם מדרגות ההתזה. רוחב המדרגות מתוכנן כך שיעזור לכוח ההידרודינמי להגיע לנקודת הריחוף מהר יותר. עיקר תפקידן של מדרגות ההתזה אינו למנוע הרטבת הצוות אלא הקטנת טלטול החרטום. בסירת בעלת קוער בתצורת V שהיא התצורה אשר לדעת מומחים הטובה ביותר להשגת מהירות בים גלי, כמות המים הנזרקת ע"י החרטום קדימה מנקודת הקיפאון או הריחוף היא זניחה. רוב המים נדחפים למעלה והצידה, ע"י כך מדרגות ההתזה מצמצמות את שטח המגע הרוחבי של הסירה עם המים. צמצום רוחב הסירה הינו משמעותי מכיוון שעל מנת לקבל כוח מרים מספיק על הקוער לשבת נמוך יותר במים במימד האורכי, זאת על מנת לשמור על ריחוף, במצב זה כמובן נקודת הריחוף נמצאת קדימה יותר. במצב זה אם תוגבר המהירות "תכנס לפעולה" השורה השניה של מדרגות ההתזה ותצמצם עוד יותר את שטח המגע הרוחבי של הסירה עם המים. התוצאה: שוב תנוע נקודת הריחוף קדימה.
תיאור זה מסביר מדוע סירות בעלות קוער בתצורת V עדיפות בים גלי. בין השאר בשל העובדה השוללת תנועת חרטום מעלה מטה בים גלי.
 
תצורות שונות
האמת שכמו בכל נושא עיצוב כלי השיט, גם בנושא מיקום מדרגות התזה יש הרבה מהאומנות. ישנן תצורות שעובדות טוב יותר בגודל ובמשקל כלי שיט מסוים ואחרות לא. מהנדסים ימיים מתקשים להסביר במדויק את הסיבה לכך. ישנן כמה מוסכמות כמו למשל שמדרגות ההתזה יעילות אם הן נוצקות יחד עם הקוער בקווים מקבילים אך יש להן זווית חדה להגביר את אפקט שבירת זרם המים. מקובל שמדרגות ההתזה יהיו בזוית של 5 מעלות מתחת לקו המאוזן של הסירה.
יש הטוענים שעל מדרגות ההתזה להיות מקבילות לשידרית הסירה בעוד שאחרים טוענים שעליהן להיות מקבילות לקו המים. בפועל רוב המתכננים כיום מתכננים תכנון משולב הלוקח בחשבון גם את הצרכים ההידרודינמיים וגם את שיקולי האסטטיקה של הסירה. יש הגורסים שמדרגות ההתזה צריכות להיות קרובות לקו המים. רק במיקום זה לדעתם המדרגות משרתות את מטרתן. ומכיוון שכך אין טעם לעצב אותן בקצה הירכתים או החרטום או במיוחד מעל לקו המים. מאחר ורוב מטרת המדרגות היא להזיז את נקודת הקיפאון קדימה הרי שחשוב ביותר לעצב בעיקר את חלקה האחורי של הסירה. נראה שרוב המומחים מסכימים לגישה זאת לגבי כלי שיט המתוכננים לפתח מהירות העולה על 30 קשר. לגבי סירות המפתחות מהירות נמוכה יותר גם למדרגות ההתזה חשיבות קטנה יותר, אך גם בסירות כאלה המדרגות משמשות ליעוד הנגזר משמן, דהינו למנוע התזה ובנוסף כגורם מחזק לקוער כלי השיט ומניעת טלטולי רוחב ואורך.
 
קוערי מדרגה
בזמנו היו קוערי כלי שיט המעוצבים בצורת מדרגות פופולריים מאוד. לאחרונה אנו מוצאים אותם שוב בכלי שיט חדשים רבים. נראה כי יש סיבות טובות לחזרתם לשולחנות השרטוט או יותר נכון למחשבי התכנון של מעצבי כלי השיט. אז מה זה קוער בתצורת מדרגה ? נתחיל בהדגמה קטנה. מכירים את טיסני הנייר אותם עשינו בבית הספר? זוכרים שטיסן ניר בעל כנפיים רחבות שהה יותר זמן באוויר במהירות נמוכה מאשר טיסן ניר בעל כנפיים צרות. נמשיך לדוגמא מעשית: כנפי גלשן - אוויר בצורת דלתא רחבה הן בעלות יעילות גבוהה יותר מאשר כנפיים צרות וארוכות. זאת גם הסיבה מדוע יאכטה תחרותית היא בעלת תורן גבוה ומנור קצר. כאשר ניגשים לתכנון כלי שיט מרחף בעל ירכתים רחבות וגוף קצר יש בעיה. גוף כזה מועד לטלטולי אורך והוא מאוד לא נוח בים גלי. בקיצור נקבל גוף כלי שיט שיש בו את הרע משני הכיוונים: הוא גם איטי וגם מטלטל.
קוער מדרגות פותר את בעיית המהירות והטלטול על ידי כך שהוא מחלק את הקוער בצורה כזאת שכל חלק הוא קצר יותר (במונחי אורך חרטום – ירכתים) מהאורך המלא של כלי השיט. לכל חלק בנפרד יש את היחס המתאים בין אורך לרוחב. משמעות החלוקה היא שכל "מדרגה" מספקת מרכז "כוח מרים" כלומר ההידרודינמי משלה, וכך גם מקטינה מאוד את טלטולי האורך (PORPOISING ). בעיה רצינית נוספת הנוצרת כאשר מעצבים קוער בעיצוב מדרגה היא בעיית הגרר.
הגרר הוא החיכוך הנוצר לגוף כלי שיט כתוצאה ממערבולות הנוצרות בירכתים. ככול שהמהירות עולה נוצרות מערבולות חזקות יותר ה"שואבות" את ירכתי כלי-השיט ויוצרות חיכוך המאט את מהירותו.
ישנן שיטות שונות להקטין את הגרר אך לא נתעכב עליהן כאן. בכלי שיט שקוערו מעוצב בצורת מדרגות יש סכנה שכל מדרגה תתנהג כירכתים וכך יווצר גרר אשר יבטל את כל היתרונות שמנינו. הפתרון הוא יצירת זרימת מים ואוויר בלתי מופרעת מהמדרגה לכיוון הירכתים. ניתן להשיג פתרון זה בכמה דרכים. דרך אחת היא לעצב את המדרגה בצורת צינור היורד מצידו של גוף כלי השיט מהסיפון ועד למדרגת ההתזה. האוויר ישאב כאן לכוון הירכתים באופן בלתי מופרע ולא יצור מערבולות. שיטה שניה היא למקם את מפלטי המנוע כך שהגזים והמים שהם פולטים ינקזו בדרכם את האוויר והמים הזורמים מהמדרגה. השיטה המקובלת יותר היא השיטה הראשונה. השיטה כנראה עובדת היטב. כאשר נבחן גוף של כלי שיט מהיר ביותר כמו סירות הפורמולה התחרויות או יאכטות מהירות בעלות ביצועי על נבחין במדרגות המביאות אותן לביצועים אלו.

 
מקור הכתבה PRACTICAL BOAT OWNER
תגובות
שם הכותב
כותרת

טוען תגובות..
© כל הזכויות שמורות | טלפון: 03-6950950 | פקס: 03-6957282
<