طرح‌های انواع بدنه‌های شناورهای دریایی (بخش دوم)

بخش ۲- هندسه و فرم بدنه‌های تک‌بدنه[1]

پس از درک دسته‌بندی‌های اصلی بر اساس رفتار هیدرودینامیکی، اکنون به بررسی فرم‌های هندسی مختلف در شناورهای تک‌بدنه می‌پردازیم. این فرم‌ها، که از اشکال ساده تا طرح‌های پیچیده‌تر را شامل می‌شوند، به طور مستقیم بر ویژگی‌های عملکردی شناور تأثیر می‌گذارند.

1- بدنه‌های کف-صاف[2]

بدنه‌های کف-صاف، همانطور که از نامشان پیداست، دارای کف کاملاً مسطح هستند و در دسته بدنه‌های تندرو قرار می‌گیرند.⁷ این طراحی ساده، مزایای قابل توجهی را در شرایط خاص ارائه می‌دهد. سطح مقطع وسیع و صاف در تماس با آب، پایداری اولیه[3]  فوق‌العاده‌ای را ایجاد می‌کند، به این معنی که شناور در آب آرام تمایل کمی به غلتیدن دارد. این ویژگی، همراه با ظرفیت باربری بالا و آبخور بسیار کم، آنها را برای استفاده در آب‌های کم‌عمق و آرام ایده‌آل می‌سازد.¹ همچنین، به دلیل سطح صاف زیرین، این بدنه‌ها با کمترین توان موتور می‌توانند به حالت تندرو درآیند.⁵

با این حال، همین ویژگی که نقطه قوت آنها در آب آرام است، در آب‌های مواج به بزرگترین نقطه ضعفشان تبدیل می‌شود. کف صاف، سطح وسیعی را برای برخورد با امواج فراهم می‌کند که منجر به کوبش‌های شدید، سواری بسیار خشن و پاشش زیاد آب به داخل شناور می‌شود. این بدنه‌ها برای حرکت در دریاهای باز و شرایط نامساعد جوی به هیچ وجه مناسب نیستند (5).

شکل 1- شماتیکی از بدنه های کف-صاف.

کاربردها: این نوع بدنه عمدتاً در قایق‌های کوچک ماهیگیری، قایق‌های مورد استفاده در خلیج‌های آرام و شناورهای تفریحی برای دریاچه‌ها، برکه‌ها و رودخانه‌های آرام به کار می‌رود (1).

 

۲- بدنه‌های ته-گرد[4]

بدنه‌های ته-گرد، که نمونه کلاسیک بدنه‌های جابه‌جایی هستند، دارای مقاطع عرضی منحنی و بدون هیچ زاویه تیزی می‌باشند (1). این فرم گرد به شناور اجازه می‌دهد تا با کمترین مقاومت و به نرمی از میان آب عبور کند، که این امر به ویژه در سرعت‌های پایین بسیار کارآمد است.¹ این طراحی، حجم داخلی قابل توجهی را نیز برای حمل بار یا استقرار تجهیزات فراهم می‌کند (11).

اما این حرکت نرم، به قیمت کاهش پایداری اولیه تمام می‌شود. نبود یک سطح صاف در زیر بدنه باعث می‌شود که این شناورها تمایل زیادی به غلتیدن داشته باشند و در صورت عدم وجود یک عامل پایدارکننده مانند کیل[5] عمیق یا بار متعادل‌کننده[6] به راحتی می‌توانند واژگون شوند (1). جالب اینجاست که همین “ناپایداری” در قایق‌های بادبانی به یک ویژگی عملکردی تبدیل می‌شود. تمایل به کج شدن به قایق بادبانی اجازه می‌دهد تا فشار باد اضافی را از بادبان‌ها خارج کرده و انرژی باد را به نیروی رانش رو به جلو تبدیل کند. در این شناورها یک کیل سنگین و عمیق با ایجاد یک گشتاور بازگرداننده از واژگونی کامل جلوگیری کرده و این ضعف ذاتی را به یک ضرورت عملکردی تبدیل می‌کند (8).

شکل 2- شماتیکی از بدنه های ته-گرد.

کاربردها: فرم ته-گرد در کانوها، کایاک‌ها، قایق‌های بادبانی سنتی و برخی از شناورهای ماهیگیری صنعتی که بهره‌وری در سرعت‌های پایین و حرکت نرم در اولویت قرار دارد، یافت می‌شود (1).

 

3- بدنه‌های V-شکل[7]

بدنه‌های V-شکل، رایج‌ترین نوع بدنه تندرو برای قایق‌های موتوری مدرن هستند.¹ این طراحی، همانطور که از نامش پیداست، دارای مقطع عرضی به شکل حرف V است. این فرم به بدنه اجازه می‌دهد تا امواج را “بشکافد” و از میان آنها عبور کند، که نتیجه آن یک سواری بسیار نرم‌تر و راحت‌تر در آب‌های مواج و خروشان در مقایسه با بدنه‌های کف-صاف است (1).

میزان تیزی یا عمق V با زاویه‌ای به نام “زاویه Deadrise” اندازه‌گیری می‌شود. این زاویه، زاویه بین صفحه افقی و کف بدنه در هر طرف کیل است (8). هرچه زاویه Deadrise بیشتر باشد (که به آن Deep-V گفته می‌شود)، قابلیت شناور در عبور از امواج شدیدتر، بهتر خواهد بود. با این حال، این طراحی معایبی نیز دارد: بدنه‌های Deep-V برای رسیدن به حالت تندرو به توان موتور بیشتری نیاز دارند، در حالت سکون پایداری کمتری دارند (تمایل به غلتیدن دارند) و به دلیل زاویه زیاد دیواره‌ها، حجم داخلی آنها محدودتر است (1).

 

شکل 3- این نمودار زاویه Deadrise یک بدنه V شکل قایق را نشان می‌دهد که معرف زاویه بین کف بدنه و صفحه افقی در خط کیل است و برای درک عملکرد شناور در شرایط مختلف آب حیاتی می‌باشد.

 

با توجه به این مصالحه‌ها، چندین زیرشاخه از بدنه‌های V-شکل برای بهینه‌سازی عملکرد توسعه یافته‌اند:

بدنه‌های :Modified-V این طراحی یک مصالحه هوشمندانه است که بخش جلویی بدنه را به صورت Deep-V برای شکافتن امواج حفظ می‌کند، اما به تدریج به سمت پاشنه، کف بدنه صاف‌تر می‌شود. این کار پایداری شناور را در حالت سکون و سرعت‌های پایین افزایش داده و توان مورد نیاز برای رسیدن به حالت تندرو را کاهش می‌دهد، در حالی که بخش زیادی از قابلیت‌های حرکت در دریای مواج را حفظ می‌کند (7).

 

شکل 2-1- شماتیکی از بدنه های Modified-V.

 

بدنه‌های :Stepped این طراحی پیشرفته، دارای یک یا چند “پله” یا فرورفتگی عرضی در کف بدنه است. این پله‌ها در حین حرکت با سرعت بالا، هوا را به زیر بدنه می‌کشانند و یک لایه هوا بین بدنه و آب ایجاد می‌کنند. این لایه هوا، سطح خیس شده و در نتیجه مقاومت اصطکاکی را کاهش می‌دهد که منجر به افزایش سرعت و بهره‌وری سوخت می‌شود (7).

شکل 2-1- شماتیکی از بدنه های Stepped.

 

تکامل از بدنه‌های V-شکل ساده به انواع Modified-V و Stepped، نشان‌دهنده یک روند مهندسی واضح در طراحی قایق‌های موتوری تفریحی است: تلاش برای دستیابی به بهره‌وری و پایداری بیشتر بدون فدا کردن مزیت اصلی فرم V، یعنی سواری نرم در آب‌های خروشان.

کاربردها: بدنه‌های V-شکل و مشتقات آن در اکثر قایق‌های موتوری تفریحی، قایق‌های ماهیگیری ورزشی در آب‌های آزاد (مانند Center Consoles) و شناورهای پرسرعتی که برای عملیات در دریاهای باز طراحی شده‌اند، به کار می‌روند.¹

 

4- بدنه‌های Chine-دار[8]: مهندسی پایداری و مانور

مفهوم “Chine” به خط یا زاویه‌ای اطلاق می‌شود که در آن، کف بدنه به دیواره‌های جانبی آن متصل می‌شود (11) شکل این اتصال، تأثیر عمیقی بر رفتار دینامیکی، پایداری و قابلیت مانور شناور، به ویژه در شناورهای کوچکتر مانند کایاک‌ها و قایق‌های پرسرعت دارد. این جزئیات ظریف هندسی نشان می‌دهند که عملکرد بدنه تنها به شکل کلی آن (مثلاً V-شکل یا کف-صاف) بستگی ندارد، بلکه به نحوه طراحی این خطوط انتقال نیز وابسته است.

• Hard Chine: در این طراحی، اتصال بین کف و دیواره جانبی یک زاویه تیز و مشخص است. این زاویه تیز، پایداری ثانویه[9] فوق‌العاده‌ای را فراهم می‌کند. پایداری اولیه به تمایل شناور برای باقی ماندن در حالت عمودی اشاره دارد، در حالی که پایداری ثانویه به مقاومت شناور در برابر واژگونی پس از کج شدن اشاره دارد. یک بدنه با چاین سخت ممکن است در حالت عمودی کمی “لغزنده” یا “عصبی” به نظر برسد (پایداری اولیه کمتر)، اما وقتی به یک سمت کج می‌شود، لبه تیز چاین در آب فرو رفته و یک سطح صاف و پایدار ایجاد می‌کند که به شدت در برابر کج شدن بیشتر مقاومت می‌کند (پایداری ثانویه بالا). قایقرانان ماهر از این ویژگی برای انجام پیچ‌های بسیار تیز و کنترل‌شده استفاده می‌کنند.²¹ از معایب آن می‌توان به سواری خشن‌تر و صدای کوبش آب در امواج اشاره کرد.²³
• Soft Chine: در این حالت، انتقال از کف به دیواره جانبی به صورت یک منحنی نرم و گرد است. این طراحی یک انتقال تدریجی و قابل پیش‌بینی را هنگام کج شدن فراهم می‌کند و اغلب “بخشنده‌تر” تلقی می‌شود. سواری با این نوع بدنه در آب‌های مواج نرم‌تر است، زیرا امواج به آرامی از زیر بدنه عبور می‌کنند.²¹ با این حال، ممکن است به اندازه چاین سخت، قابلیت انجام پیچ‌های تیز را نداشته باشد.
• Reverse Chine: این یک ویژگی طراحی مدرن است که در آن، لبه چاین به سمت پایین و بیرون متمایل است. این لبه رو به پایین، هنگام حرکت، آب و هوا را به زیر خود به دام می‌اندازد. این عمل دو اثر مهم دارد: اول، نیروی بالابر اضافی تولید می‌کند که به شناور کمک می‌کند سریع‌تر به حالت تندرو درآید و سینه را بالاتر نگه دارد. دوم، با ایجاد فشار به سمت پایین روی آب، پایداری شناور را هم در حالت سکون و هم در حین حرکت افزایش می‌دهد و از پاشش آب به طرفین جلوگیری می‌کند که منجر به یک سواری خشک‌تر می‌شود.²⁵

کاربردها: انتخاب نوع چاین در طراحی کایاک‌های دریایی، قایق‌های مسابقه‌ای و شناورهای عملکردی که در آنها “احساس” و کنترل دقیق شناور برای کاربر اهمیت دارد، یک عامل حیاتی است.²²

[1] Monohull

[2] Flat-Bottom Hulls

[3] Initial Stability

[4] Round-Bottom Hulls

[5] Keel

[6] Ballast

[7] V-Shaped Hulls

[8] Chined Hulls

[9] Secondary Stability

در صورت علاقه به این متن و جزئیات بیشتر مطالعه بخش اول در لینک زیر پیشنهاد می‌شود:

طرح‌های انواع بدنه‌های شناورهای دریایی (بخش اول)