יציבות של כלי שיט צפים

בעת הערכת כלי שיט ומבנים צפים, מדד הביצועים החשוב ביותר, מלבד להישאר לצוף, הוא לטעון כי הוא יכול להישאר זקוף. למעשה, עבור כלי שיט רבים, היכולת להישאר לצוף תלויה במידה רבה ביכולת לשמור על אוריינטציה מסוימת. כלי שיט שהתהפך צפוי להציף ולאחר מכן לאבד ציפה חיובית. אפילו בתרחישים פחות קיצוניים, הבטיחות והנוחות של הצוות והמטען מונחות על כף המאזניים. נטייה זו של כלי לתקן את עצמו או להתהפך כאשר מופרע מאופיין ביציבותו. למרבה הצער, שינויים המשפרים את היציבות משפיעים לעתים קרובות לרעה על מדדי ביצועים חשובים אחרים כגון יעילות דלק ויכולת תמרון. בגלל החלפה זו, מיטוב עיצוב לבטיחות וביצועים דורש בדרך כלל הבטחת יציבות מספקת אך לא מקסימלית. בהמשך סרטון זה, נמחיש כיצד התפלגות הצורה והמשקל של מבנה צף משפיעה על יציבותו. לאחר מכן נבחן עקרונות אלה באופן ניסיוני על סירת מודל ונשווה את התוצאות עם תחזיות תיאורטיות שנעשו על ידי תוכנת עיצוב בעזרת מחשב.

בסרטון קודם, כיסינו את היסודות של ציפה וכוח המשיכה. כעת נבחן כיצד שני הכוחות הללו יכולים להשפיע על הכיוון של אובייקט. זכור כי עבור אובייקט מורחב, ההשפעה המצטברת של הכבידה היא כוח העובר דרך מרכז המסה שווה ערך למשקל הכולל של האובייקט. באופן דומה, כוח הציפה נטו עובר דרך מרכז הציפה במרכז החלק השקוע של האובייקט. לכן, אם האובייקט שקוע חלקית בלבד או שהמסה אינה מופצת באופן שווה, מומנט יכול להתפתח. אם מרכז המסה נמצא מתחת למרכז הציפה, כל תנועה מתגלגלת או עקב הצידה תעניק רגע שחזור כדי לתקן את המבנה. תצורה זו תמיד יציבה, אך בדרך כלל דורשת שקוע באמצעי אחסון גדול יותר. עכשיו, אם מרכז המסה מורם מעל מרכז הציפה, המבנה עלול להפוך לבלתי יציב וכל תנועת עקבים תואץ על ידי הרגע המוענק, מה שיגרום לו להתהפך. שים לב כי מרכז מסה גבוה יותר אינו מבטיח כי המבנה יהיה בלתי יציב לחלוטין. גוף מעוצב בקפידה יכול להפוך את המבנה metastable, כי הוא יציב עד זווית קריטית. זה קורה כי באופן כללי, הצורה של החלק השקוע משתנה עם זווית עקב כך מרכז הציפה משתנה כמו המבנה נוטה. אם הוא זז לרוחב מחוץ למרכז המסה, אז הרגע הזה יפעל כדי לתקן את המבנה. באופן שווה, כלי השיט יהיה יציב כל עוד מרכז המסה נמצא מתחת למרכז, שהוא נקודת ההצטלבות בין קו האמצע של גוף הספינה לבין קו הפעולה של הציפה. ההתנהגות הדינמית של מבנה צף חשובה גם מכיוון שדחפים חזקים מהסביבה יכולים להניע אותו מעבר לגבול המטא-סעיפים שלו. התדירות והמשרעת של תנודות משפיעות גם על הבטיחות והנוחות של הנוסעים והמטען. ניתן לחזות את התנועה הסיבובית של כלי השיט עם איזון רגעי סביב מרכז המסה שלו, מה שמביא למשוואה דיפרנציאלית מסדר שני לזווית העקב, התלויה ברגע האינרציה על מרכז המסה של הכלי, המסה הכוללת, התאוצה עקב הכבידה והמרחק L לאורך קו האמצע של הכלי ממרכז המסה למטא-מרכז. פתרונות למשוואה זו לזוויות קטנות הם חטאים וקוסינוסים המשתנים בתדר התנודה הטבעי של הכלי המסומנים על ידי אומגה. עכשיו שראינו איך לקבוע יציבות בתיאוריה, בואו נשתמש בידע הזה כדי לנתח עיצוב גוף באופן ניסיוני.

הקימו אמבט מים באזור מוגן מפני זרמי אוויר והניחו מאחוריו רקע לבן מוצק. עכשיו להשיג סירה קטנה, רצוי לבן עם עיצוב גוף פשוט. חבר תורן קל משקל בצבע בהיר במרכז הסירה וצף אותו על המים כך שהוא מצביע לכיוון המצלמה. הקימו מצלמה מול האמבטיה כך שהסירה תתמקד במסך והתאמו את גובה המצלמה כך ששדה הראייה יתפוס את חלק התורן מעל הסירה. ודא שהאזור מואר היטב והקליט סרטון התייחסות של הסירה במנוחה. נשתמש בקוד מותאם אישית כדי לעקוב אחר זווית התורן על ידי בידוד צבע התורן בהקלטות מהמצלמה. עיין בטקסט לקבלת פרטים וקוד לדוגמה. נתח את סרטון הייחוס כדי לוודא שהמעקב פועל כראוי ולהתאים את הקוד לפי הצורך כדי לבודד את התורן. לבסוף, יישר את המצלמה עד שהקוד לא מדווח על זווית הטיה עם הסירה במנוחה. לאחר הקוד והמצלמה מותאמים, להסיר את הסירה מהמים ולייבש את גוף הספינה. מצמידים עניבת כבלים בסנטימטר אחד מתחתית התורן, כך שהוא יכול לתמוך במשקל. עכשיו להחליק משקל למטה על התורן ולשקול את התורן הכולל של הסירה כאשר יבש. לאחר מכן, להקליט את גובה המשקל על התורן ולאחר מכן להשתמש בקצה ישר כדי לאזן את הסירה בצד שלה. נקודת איזון זו מזהה את מרכז המסה של הסירה. תעד את המרחק מתחתית המעטפת למרכז המסה. הניחו את הסירה בחזרה במים והקליטו סרטון תוך כדי הטה הדרגתית של הסירה, לחיצה לצדדים על החלק העליון של התורן עד שהיא מתהפכת. עכשיו לצלם וידאו שני עם הסירה בתחילה הטה כ 10 מעלות ולאחר מכן שוחרר פתאום. הקלט את התנודות במשך 10 עד 15 שניות. חזור על הליך התהפכות שלוש או ארבע פעמים נוספות להגדלת הגבהים של המשקל. בגובה הסופי, להקליט וידאו נוסף של התנודות כמו קודם. נתח כל אחד מהסרטונים המתהפכות באמצעות סקריפט הניתוח. הזווית היציבה המרבית יכולה להיקבע על ידי בדיקה של התרשים, מחפש את הנקודה שמעבר לה הסירה מתגלגלת במהירות. במקרה זה, זה קורה סביב מינוס 26 מעלות. השלם טבלה עם גבהים של המשקל ומרכז המסה והתהפכו בזווית. לאחר מכן, נתח את שני סרטוני התנודה. קבע את תדר התנודה הדומיננטי על ידי בדיקת האנימציה של תנועת התורן או הגרף של זווית התורן עם הזמן או באמצעות פונקציית הערכת צפיפות ספקטרלית כוח. הליך ניסיוני זה שימושי לבדיקות בקנה מידה קטן ועיצובים פשוטים, אך הוא לא תמיד מעשי בתרחישים בעולם האמיתי או למיטוב מהיר של עיצוב. בחלק הבא, נדגים גישה מספרית לניתוח הסירה ונשווה את התוצאות לממצאים ניסיוניים אלה.

נשתמש בחבילת עיצוב או CAD בעזרת מחשב כדי לנתח את היציבות של סירת הדגם. ראשית, בואו נראה כיצד לקבוע את מרכז הציפה. השתמש בתוכנת CAD כדי ליצור דגם מוצק בקנה מידה של גוף הסירה. מקם את המודל כך שקו האמצע של השדרית יהיה בקנה אחד עם המקור בסביבת CAD והתורן מקביל לציר האנכי. זכור כי מרכז הציפה נמצא במרכז החלק השקוע של גוף הספינה. אז כדי למצוא את מרכז הציפה, עלינו לבודד תחילה את החלק השקוע של כלי השיט. צור מישור אופקי חוצה את גוף הספינה כדי לייצג את פני השטח הנוזליים ולאחר מכן להסיר את כל מה שמעל המישור. אם המטוס היה בגובה הנכון, הנפח הנותר יהיה שווה למסה הכוללת של הסירה חלקי צפיפות הנוזלים. בטל את החיתוך והתאם את גובה המישור לפי הצורך עד שהנפח הנותר יהיה נכון. כאשר נמצא החלק השקוע הנכון של גוף הספינה, השתמש בפונקציית המאפיינים ההמוניים של תוכנת CAD כדי להעריך את ההיסט הרוחב של הצנטרואיד של אמצעי אחסון זה. במקרה זה, מאז המעטפת היא סימטרית ורמה, אתה צריך למצוא שום היסט לרוחב. במילים אחרות, המרכז יהיה בקו האמצע של המעטפת. חזור על תהליך זה להגדלת זוויות עקב של הסירה כדי לבנות שולחן של היסט centroid כפונקציה של זווית עקב. כשתסיים, שרטט את התוצאות והתאים פולינום מעוקב למרכז הציפה. עכשיו התווו את ההיסט הרוחב של מרכז המסה, שהוא גובהו כפול הסינוס של זווית העקבים. בזווית הקריטית, מרכז המסה יהיה במטה-מרכז וההיכוסים לרוחב יהיו שווים. אתה צריך למצוא כי הזווית הקריטית החזויה תואמת את הערך הניסיוני בתוך אי ודאות סבירה. עכשיו בואו ננבא באופן מספרי את תדר התנודה הטבעי של סירת הדגם. מקד את מודל CAD כך שיתאים לעובי בפועל של גוף הספינה והוסף את התורן והמשקל. התאם את גובה המשקל כך שיתאים למיקום במבחן התנודה הראשון. התאם את צפיפות החומרים במודל לערכים בפועל ולאחר מכן השתמש בפונקציית המאפיינים ההמוניים כדי להעריך את רגע האינרציה סביב מרכז המסה לאורך ציר העקבים. חזור על תהליך זה עבור המיקום השני של המשקל שבו מדדת את תדר התנודה. חשב את הגובה של metacenter במהלך תנודות קטנות על ידי הנחת זווית עקב קטנה כגון חמש מעלות. הפחת את הגובה של מרכז המסה שמדדת קודם לכן כדי לקבוע את אורך זרוע הרגע L. עכשיו להשתמש בפתרון שמצאנו קודם לכן כדי לחשב את התדירות הטבעית של התנועה המתגלגלת. השווה תדרים מחושבים אלה לתדרים הנמדדים שצפית בהם בעבר. אתה צריך למצוא התאמה קרובה. שים לב כי במקרה יציב יותר המוצג בשורה העליונה, אשר יש מרכז תחתון של מסה hCM, אורך זרוע הרגע שחזור L גדול יותר. התוצאה היא תדירות גבוהה יותר של גלגול מאשר במקרה פחות יציב בשורה התחתונה.

עכשיו שראינו כמה שיטות לניתוח עיצוב גוף הספינה, בואו נראה איך אלה מיושמים בתרחישים אמיתיים. יציבות היא שיקול חשוב ביותר בתכנון של כל המבנים והכלים הצפים. ספינות הפועלות עם טיוטות רדודות, כלומר עם רוב כלי השיט מעל פני המים, הפחיתו את הגרירה ויכולת התמרון הטובה יותר. בכלי מטען גדולים, מכולות משלוח ניתן לערום גבוה מעל הסיפון העליון, הגדלת קיבולת המטען להקלה על פעולות טעינה ופריקה. שני שיפורים אלה דורשים מרכז מסה גבוה יותר והם נעשים מעשיים על ידי תכנון זהיר של גוף הספינה כדי להבטיח כי כלי הם metastable. בספינות שייט, טיוטות רדודות מאפשרות יותר חלונות וסיפונים לנוסעים. ספינות אלה מתוכננות לא רק להיות metastable, אלא גם יש תדר תנודה נוח, טבעי. יציבות גבוהה יותר מניבה תדירות נדנדה גבוהה יותר אשר עשוי להיות מהיר באי נוחות עבור אלה על הסיפון.

הרגע צפית בהקדמה של יובה ליציבות של כלי שיט צפים. כעת עליכם להבין כיצד מיקומו היחסי של מרכז המסה ומרכז הציפה של מבנה צף משפיעים על יציבות המבנה ועל תדירות התנודות הטבעית. ראית גם כיצד לנתח עיצוב גוף הן באופן ניסיוני והן באמצעות כלי עיצוב בעזרת מחשב. תודה שצפיתם.