Wyporność statków i okrętów według zasady Archimedesa 

W 14 epizodzie serii „Za kulisami przemysłu okrętowego”, Marcin Ryngwelski, były prezes stoczni Remontowej Shipbuilding, przybliża tajemnice wyporności statków i okrętów, eksplorując, jak zasady fizyki stosowane przez Archimedesa wciąż definiują nowoczesne metody budowy jednostek pływających.

Zastanawialiście się kiedyś, dlaczego ogromne statki i okręty nie toną, mimo że są wykonane z materiałów, które samodzielnie zatopiłyby się w wodzie? Odpowiedź leży w jednej z podstawowych zasad fizyki, odkrytej przez starożytnego greckiego uczonego Archimedesa, która jest kluczowa w projektowaniu każdej jednostki pływającej.

Zasada Archimedesa w przemyśle stoczniowym

Zasada Archimedesa mówi, że ciało zanurzone w płynie doznaje wyporu równego ciężarowi wypartego przez nie płynu. To fundamentalne prawo fizyki jest podstawą projektowania każdego statku lub okrętu, które muszą być zaprojektowane tak, aby ich średnia gęstość była mniejsza niż gęstość wody, co umożliwia im utrzymywanie się na powierzchni wody.

W przemyśle okrętowym zasada Archimedesa jest kluczowa przy projektowaniu statków i okrętów. Stocznie projektują kadłub tak, aby maksymalizować objętość powietrza wewnątrz, co obniża średnią gęstość jednostki, umożliwiając jej utrzymanie się na powierzchni wody. Wyporność, czyli masa wody wypieranej przez kadłub, musi równać się lub przekraczać masę statku, aby ten mógł pływać. Dokładne obliczenia wyporności, wykorzystując zaawansowane narzędzia do symulacji i obliczeń, są niezbędne do precyzyjnego określenia tych parametrów w przemyśle okrętowym podczas projektowania nowych jednostek.

Rodzaje wyporności na wszystkich jednostkach pływających

• Wyporność pełna: Obejmuje całkowitą masę statku lub okrętu z załogą, zapasami, paliwem i wszystkim wyposażeniem.
• Wyporność standardowa: Obejmuje masę jednostki pływającej bez części zapasów, co jest używane głównie w celach militarnych do określenia klasy okrętu.

W przemyśle okrętowym różnice w sposobach określania wielkości jednostek pływających między okrętami wojennymi a statkami cywilnymi wynikają z ich różnych funkcji i potrzeb operacyjnych.

Wyporność dla okrętów wojennych jest kluczowym parametrem, ponieważ jest bezpośrednio związana z ich zdolnościami bojowymi, stabilnością i możliwościami manewrowymi. Wyporność pełna, uwzględniająca całe wyposażenie, załogę oraz zapasy, daje pełny obraz obciążenia, jakie okręt może bezpiecznie nieść i jakie są jego rzeczywiste możliwości operacyjne. Wyporność standardowa, bez pełnych zapasów, jest często używana do klasyfikacji okrętów, umożliwiając porównania ich wielkości i mocy w sposób standardowy, bez wpływu tymczasowo naładowanego wyposażenia czy zapasów.

Z kolei pojemność netto i brutto oraz DWT (deadweight tonnage) są preferowane dla statków cywilnych, ponieważ odzwierciedlają one ich zdolności komercyjne, takie jak ładowność i przestrzeń ładunkową. Pojemność brutto odnosi się do całkowitej objętości zamkniętych przestrzeni statku, co jest istotne dla celów administracyjnych i rejestracji. Pojemność netto, będąca odjęciem przestrzeni używanych na potrzeby załogi i nawigacji od pojemności brutto, odnosi się bezpośrednio do przestrzeni dostępnej dla ładunku i pasażerów. DWT określa maksymalną masę ładunku, paliwa, zaopatrzenia, załogi i pasażerów, jaką statek może bezpiecznie transportować.

Te różnice w pomiarach wynikają z fundamentalnych różnic w przeznaczeniu okrętów wojennych i statków handlowych. Okręty wojenne są projektowane z myślą o maksymalnej efektywności bojowej i obronnej, podczas gdy statki cywilne są optymalizowane pod kątem efektywności ekonomicznej i maksymalizacji przestrzeni ładunkowej. Zrozumienie tych różnic jest kluczowe zarówno dla projektantów, jak i operatorów jednostek morskich, a także dla regulacji bezpieczeństwa i klasyfikacji statków.

Wyporność statków okrętów: kluczowe aspekty projektowania

Zbyt niska wyporność może prowadzić do problemów z statecznością, co w przemyśle okrętowym i stoczniowym jest powodem do rygorystycznego przestrzegania zasad projektowania przez inżynierów. Przekroczenie założonej wyporności często skutkuje odrzuceniem statku lub okrętu przez klienta, co stanowi znaczące ryzyko dla stoczni. Zrozumienie i stosowanie zasady Archimedesa w praktyce jest kluczowe, aby uniknąć takich problemów.

Historia dostarcza wielu przykładów, gdy błędy w obliczeniach wyporności prowadziły do katastrof morskich oraz sukcesów w konstrukcji okrętów, takich jak lotniskowce czy nowoczesne okręty podwodne, co świadczy o tym, jak daleko zaszła technologia. Jednym z takich przykładów jest katastrofa promu Estonia, która miała miejsce 28 września 1994 roku na Bałtyku. Podczas sztormowej pogody, prom nagle zaczął nabierać wody i przechylać się, co spowodowało, że już po pięciu minutach od wystąpienia pierwszych problemów, statek znalazł się pod powierzchnią wody. Tragedia, w której zginęło 852 osoby, była wynikiem oderwania się furty dziobowej od kadłuba, co pokazuje, jak krytyczne dla bezpieczeństwa na morzu są precyzyjne obliczenia i prawidłowa konstrukcja wyporności statków.

Według oficjalnego raportu z 1997 roku przyczyną katastrofy Estonii były wady konstrukcyjne furty dziobowej, która nie wytrzymała naporu wody i została urwana. To miało spowodować wlanie się do statku takiej ilości wody, że zatonął w ciągu 5 minut. Raport estońsko-szwedzko-fińskiej komisji wzbudził jednak wiele kontrowersji.

Precyzyjne stosowanie zasady Archimedesa w praktyce podkreśla, jak nauka może wpływać na rozwój nowoczesnego przemysłu okrętowego. Zrozumienie zasad wyporności i ich prawidłowe zastosowanie ma zasadnicze znaczenie nie tylko dla bezpieczeństwa, ale także dla efektywności operacyjnej jednostek pływających. Każdy nowo zaprojektowany statek czy okręt jest świadectwem tego, jak nauka może przyczyniać się do postępu w technologii, jednocześnie zwiększając bezpieczeństwo i niezawodność na morzach i oceanach świata.

Kolejny epizod już wkrótce… ⚓️

Źródło: Marcin Ryngwelski/LinkedIn

• Przemysł okrętowy: światła nawigacyjne na statkach i okrętach [Część 13]
• Przemysł okrętowy – moonpool na statkach i okrętach [Część 12]
• Przemysł okrętowy: Jak na statku powstaje prąd? [część 10]