Кіріспе
Кеме су арқылы сыртқы күшті барынша азайту үшін тиімді қозғалуға арналған болуы тиіс. Мыңдаған жылдар бойы кемелерді жобалаушылар мен желкенді кемелерді жасаушылар желкендерді өлшемдеу үшін кеме ортасының ауданына негізделген үлкен саусақтың ережелерін қолданды. Мысалы, клиперлік кемелердегі корпус пен желкеннің пішіні теориядан емес, тәжірибеден пайда болды. 19 ғасырдың ортасында бумен жұмыс істейтін үлкен темір кемелерді құрастыру кезінде кеме иелері мен кеме жасаушыларға қатаң әдіс қажет екені белгілі болды.
Анықтама
Кеме кедергісі - кемені тұрақты жылдамдықпен тыныш суда сүйреуге қажетті күш.
Қарсылықтың құрамдас бөліктері
Суға қатысты тұрақты судағы дене тек гидростатикалық қысымды ғана сезінеді. Гидростатикалық қысым әрқашан дене салмағына қарсы әрекет етеді. Бұл көтергіштіктің жалпы (жоғарға қарай) күші ығыстырылған судың (төменге қарай) салмағына тең. Егер дене қозғалса, онда денеге әсер ететін гидродинамикалық қысымдар да бар. Көшіру кемесі үшін, яғни кемелердің әдеттегі түрі үш негізгі кедергі түрін қарастырады: толқын жасаудан, қозғалатын судың формадағы қысымынан, көбінесе жеке есептелмейді немесе өлшенбейді, және қозғалатын судың корпустың ылғалданған бетіне сүрінуінен. Оларды бірнеше компонентке бөлуге болады:
Фроудтың эксперименттері
Кеме модельдерін сынап, нәтижелерді нақты кемелермен салыстырған кезде, модельдер кеменің кедергісін шамадан тыс болжауға бейім. Фроуд кеме немесе модель өзінің "Хулл" жылдамдығында болған кезде көлденең толқындардың (құрамында толқындар) толқын ұзындығы су сызығының ұзындығына тең болатындығын байқаған. Бұл дегеніміз кеменің алды мен арғы жағы бір толқынның үстіне тіреліп тұрды дегенді білдіреді. Бұл жиі корпус жылдамдығы деп аталады және ол кеменің ұзындығының функциясы болып табылады, онда тұрақты (k) келесідей қабылдануы керек: жылдамдық (V) kn және ұзындығы (L) метр (м) немесе жылдамдық (V) kn және ұзындығы (L) фут (фут) үшін 1,34 . Мұны байқаған Фроуд кеме кедергісі мәселесін екі түрлі бөлікке бөлу керектігін түсінді: қалдық кедергі (негізінен толқын жасау кедергісі) және фрикциялық кедергі. Кемеге қажетті кедергілерді алу үшін, кемеде жасалған толқынды қайта құру қажет болды. Ол кез келген кеме үшін және геометриялық жағынан ұқсас модельге сәйкес жылдамдықпен сүйретілген: ырғақтылық салдарынан қиып алу арқылы берілетін фрикциялық соғу бар. Бұл жылдам кемелердің конструкциясында жалпы кедергісінің 50%-ын және баяу кемелердің конструкциясында жалпы кедергісінің 80%-ын құрайды. Фруде сүріну кедергісін есепке алу үшін бір қатар тегіс пластиналарды сүйретіп, осы пластиналардың кедергісін өлшеуге шешім қабылдады, олар кеме үлгісімен бірдей ылғалданған бет ауданы мен ұзындығы бар, және осы сүріну кедергісін жалпы кедергіден алып тастап, қалғанды қалдық кедергісі ретінде алады.
where constant (k) should be taken as: 2.43 for velocity (V) in kn and length (L) in metres (m) or, 1.34 for velocity (V) in kn and length (L) in feet (ft). Observing this, Froude realized that the ship resistance problem had to be broken into two different parts: residuary resistance (mainly wave making resistance) and frictional resistance. To get the proper residuary resistance, it was necessary to recreate the wave train created by the ship in the model tests. He found for any ship and geometrically similar model towed at the suitable speed that:
There is a frictional drag that is given by the shear due to the viscosity. This can result in 50% of the total resistance in fast ship designs and 80% of the total resistance in slower ship designs. To account for the frictional resistance Froude decided to tow a series of flat plates and measure the resistance of these plates, which were of the same wetted surface area and length as the model ship, and subtract this frictional resistance from the total resistance and get the remainder as the residuary resistance.
Қиындық
(Негізгі мақала: Терінің сүргісі) Сырқатты сұйықтықтарда шекаралық қабат пайда болады. Бұл сүрінуден болатын тордың созылуына әкеледі. Шекаралық қабат әртүрлі жылдамдықпен кеменің корпусының бетінен судың өрістік ағынына жеткенге дейін созылады.
Толқын жасау кедергісі
(Негізгі мақала: Толқынның кедергісі) Кеме тыныш су бетінде қозғалғанда, оның басты бөлігі кеменің алдыңғы және артқы жағынан шығатын толқындар пайда болады. Кеме пайда болған толқындар дивергенттік және көлденең толқындардан тұрады. Дивергентті толқындар бұзылу нүктесінен сыртқа қарай қозғалатын көлденең немесе көлбеу қыртыстар сериясы бар кеме соңынан байқалады. Бұл толқындарды алғаш рет Уильям Томсон, 1-ші барон Келвин зерттеді, ол кеменің жылдамдығына қарамастан, олар әрқашан кемені соңынан 39 ° клин пішінде (19,5 ° әр жағында) болады. Алға қарай жылжып бара жатқан кемеге толқындар көп кедергі келтірмейді. Алайда көлденең толқындар кеменің ұзындығы бойымен төменгі және жоғарғы деңгейлер ретінде пайда болады және кеменің қарсылығын жасайтын толқынның негізгі бөлігін құрайды. Көлденең толқын жүйесіне байланысты энергия фазалық жылдамдықтың жартысында немесе толқындардың топтық жылдамдығында қозғалады. Кемедегі негізгі қозғалтқыш осы энергия шығынын жеңу үшін жүйеге қосымша энергия енгізуі керек. Кемелердің жылдамдығы мен көлденең толқындардың арасындағы байланысты толқын жылдамдығы мен кеме жылдамдығын теңеу арқылы табуға болады.
Қозғалтқыш
Кемелерді көптеген қуат көздері қозғалта алады: адам, жануарлар немесе жел қуаты (жағалар, желкендер, роторлар мен турбиналар), су ағымдары, химиялық немесе атомдық отын және электр энергиясы, қысым, жылу немесе күн энергиясы. Олардың көпшілігі кемені тікелей (мысалы, сүйреуіш немесе шынжыр арқылы), гидродинамикалық сүйреу құрылғылары (мысалы, егулер мен дөңгелектер) және гидродинамикалық көтергіш құрылғылар (мысалы, винттер немесе реактивті ұшқыш) арқылы қозғалта алады. Сонымен қатар "балық құйрығы қозғалтқышы", зымыран немесе магнитогидродинамикалық қозғалтқыш сияқты бірнеше экзотикалық құралдар бар.