Minden, amit tudni kell a hajóellenállásról – első rész

Cikkünkben arról esik szó, hogy amikor egy hajótestet a vízben előremozgatunk, akkor erőt kell kifejtenünk, mert a hajótest körül áramló víz érezhető ellenállást fejt ki a haladási irányunkkal szemben.

A hajó ellenállásának alapvetően három forrása van – kezdjük azzal, hogy olyan felszíni hajókról beszélünk, amelyeknél a kiszorított víz súlyával egyenértékű felhajtóerő. Ezeket deplacement hajóknak nevezzük.

A hajótest felülete mellett áramló víz a hajófal mellett elhaladva súrlódási ellenállást fejt ki a haladással szemben, emellett azt látjuk, hogy a haladó hajó körül a hajó haladásából származó hullámok alakulnak ki a víz felszínén. Ez a hullám ellenállás, hiszen azok kialakulásához energia kell, ez pedig a hajó haladásából származik, annak az energiája jelenik meg a hajó által keltett hullámokban is. Továbbá a haladással szembeni erőt fejtenek ki a hajók azon alkatrészei, amelyek a vízvonal alatt vannak, például a kormánylapát, annak tartószerkezete, a hajócsavar tengelye, annak csapágyazása vagy a nagy méretű hajókon a lengéscsillapító lemezek a hajófenék és az oldalfal találkozásánál. Ezek ellenállását a toldalékok ellenállásának nevezzük. Nagyobb sebességeknél vagy viharos erejű szélben a felszín természetes hullámzása, a vízfelszín feletti hajótest és a felépítmény légellenállása is számottevő lehet, de alaphelyzetben a meghatározó a vízben jelentkező ellenállás.

Egy hajótest mentén a hajó sebességével áramló víz egy része vékony határréteget képezve a hajófal közvetlen közelében együtt mozog a hajóval, viszonylagos sebessége a hajófalhoz képest nulla, majd a faltól távolodva a sebessége növekszik. Ebben a vékony rétegben a vízrészecskék egymással súrlódnak, és ez ellenállást jelent a hajó haladása szempontjából. A határréteg vastagságának azt a hajófaltól számított távolságot tekintjük, ahol a legtávolabbi részecske sebessége eléri a haladási sebesség 99 százalékát. Ez a határréteg hátrafelé haladva egyre vastagodik, de a hajófalhoz egész közeli részének a vastagsága, ahol lamináris az áramlás – vagyis a vízrészecskék párhuzamosan haladnak, kis súrlódással –egyre vékonyabb. A külső, nagyobb relatív sebességgel mozgó részecskék forgó mozgásra kényszerítik az áramlást, örvénylő mozgás alakul ki, az örvények leszakadnak a hajótestről, ami nagyobb súrlódással, tehát nagyobb ellenállással jár a vízrészecskék között. Ez a turbulens áramlás.

Az előnyös, lamináris réteg hosszúsága kiszámítható, a haladási sebesség és a folyadék viszkozitása jelentős szerepet játszik a számításban. (Ebből a szempontból a kis sebesség az előnyös.) Végül is a tapasztalatok azt mutatták, hogy a kiszámítható súrlódási ellenállás a hajó görbült felületén és egy síklap mentén lényegében azonos, tehát ha a hajó teljes nedvesített felületével számolunk, az eredmény megfelelő lesz. Érdekes, de azok a felületi egyenetlenségek, amelyek nem emelkednek ki a lamináris rétegből, nem zavarnak be, a felület hidraulikai értelemben síknak számít.

A hajó mellett elhaladó víz problémájához kapcsolódik az úgynevezett alakellenállás is. A lényeg az, hogy egy áramló folyadék esetén az energia a folyadék sebességében és nyomásában jelenik meg, és amennyiben az áramlás valamilyen oknál fogva felgyorsul, akkor a folyadék statikus nyomása csökken, ha viszont a folyadék nyomása nő, akkor az áramlás sebessége esik vissza. Mivel a folyadék összenyomhatatlan, ha az áramlás keresztmetszete szűkebb lesz, az áramlás felgyorsul, hiszen az időegység alatt átáramló folyadékmennyiség azonos kell, hogy maradjon, tehát a statikus nyomása csökken, illetve a keresztmetszet bővülésével a sebesség visszaesik, a nyomás megnő.

A hajó előrehaladva maga előtt nyomáshullámot kelt, és az orrtőke után szélesedő hajótest miatt az áramlás oldalra kitér és felgyorsul, így az orrtőke után a statikus nyomás csökken. A hajó fara felé haladva az ismét szűkülő hajótestforma csökkenő vízsebességgel jár, sőt, a hajófarrészben „magával húzza” a vizet, ez pedig a statikus nyomást növeli a hajófar környékén. Az itt kialakuló nyomáshoz képest az orrtőkénél kialakult nyomás azonban nagyobb, a kettő különbsége hátráltatja a hajó előrehaladását, és lényegében ezt nevezhetjük alakellenállásnak. Ennek nincsenek egzakt számítási módszerei, a szokásos kereskedelmi hajókkal kapcsolatban végzett nagy mennyiségű modellkísérlet adatai adnak némi előzetes közelítő számításra lehetőséget.

A hajó mellett áramló víz nyomásváltozásai más következményekkel is járnak. A hajófalra nehezedő víznyomás a hajótest felületére merőlegesen hat, így a fenéken és a far vagy az orr görbült felületein a statikus nyomásváltozásoknak függőleges komponensei is vannak, ami a nyugalomban lévő hajóhoz képest kissé megváltoztatja a felhajtóerő középpontját. Emiatt a haladó hajó merülése és trimmhelyzete módosulhat (kissé előre- vagy hátrabillen).

Sekély vízben, keskeny csatornákban, folyókban a víz áramlási sebessége a hajófenék és a mederfenék között, illetve a hajótest két oldala és a part között is gyorsabb lehet a hajó haladási sebességénél, megváltoztatva a nyomásviszonyokat. Sőt, arra is gondolnunk kell, hogy a folyók hajósai nem véletlenül nevezik hegy- és völgymenetnek a folyásiránnyal szembeni, illetve az azzal megegyező haladási irányt. Ugyanis a folyók felső szakasza tényleg magasabban van a lentebb lévőnél, tényleg felfelé kell mennie a hajónak a gravitáció ellenében. A gravitációs erőnek a lejtő mentén kialakuló, úgynevezett pálya menti komponensvektora jelenti ezt az ellenállást, és mondjuk egy 1000 tonnás folyami bárkánál ez még a kis lejtésnél is számításba veendő erőt jelent, nem csak a folyam vizének sodrása számít.

A hajónk azonban a vízfelszínen halad, és a hajótest mellett áramló víz statikus nyomásának változása hullámokat hoz létre a felszínen a haladó hajótest mellett. Egyébként minden hajóvezető ismeri a hajója körül különböző sebességeknél kialakuló hullámképet a gyakorlatból, és különösen a rendszerint hátulról vezetett vitorlások kormányosainak lehetett ismerős a leszakadó örvények soráról írt eszmefuttatás. Az orrtőke előtt megnövekvő statikus nyomás, majd közvetlenül utána a nagyobb áramlási sebesség okozta nyomáscsökkenés hozza létre a hajók jellegzetes orrhullámát, amelyik gerince felülről nézve V alakot formál. A kialakuló hullámmozgás továbbhalad a hajófal mentén, a far összeszűkülő részén pedig ismét kialakul az áramlás sebességének csökkenése miatt egy nyomásnövekedés, egy új hullám kiindulópontjaként. Szintén ismert a látvány, ahogyan a hajót követő, szintén V alakú hullám szárai között a hajó haladási irányára keresztben hullámok alakulnak ki a hajó mögött, a V két szára között. Ezt az egész hullámrendszert nevezzük hullámellenállásnak. Energiáját a hajó előrehaladásától kapja, tehát a hajó meghajtása során ezt az energiaigényt is figyelembe kell venni, annál is inkább, mert míg a hajósebesség kicsi, a súrlódási ellenállás az összes ellenállás nagyobb része, viszont a sebesség növekedésével a hullámképzésből származó ellenállás aránya nő.

Dr. Solymos András okleveles gépészmérnök

(Cikkünk eredetileg az Aqua Magazin 160. számában jelent meg. Fizessen elő rá, hogy ne maradjon le exkluzív tartalmainkról! A következő szám – benne a cikk folytatásával – november elején jelenik meg.)