TROCHA LODNÍ TEORIE

Plovatelnost

Plovatelnostje schopnost plavidla plout na klidné hladině působením hydrostatického vztlaku. Hydrostatický vztlak vzniká jako výslednice tlakových sil, jež působí na trup plavidla zdola nahoru a shora dolů. Tlakové síly působící vodorovně na lodní trup se navzájem vyruší, jejich výslednice je nulová.
Při výpočtu hydrostatického vztlaku se používá známý Archimédův zákon:
"Těleso ponořené do kapaliny je nadlečováno hydrostatickou vztlakovou silou rovnající se tíze kapaliny tělesem vytlačené."
Znamená to, že vzlaková síla lodního tělesa se vypočítá jako součin zanořeného objemu, hustoty vody a tíhového zrychlení. Ve sladké vodě platí, že jeden kubický metr zanořeného objemu dává hydrostatický vztlak 10.000 N, takže unese 1000 kg (1 litr zanořeného objemu unese 1 kg). Ve slané vodě je hydrostatický vztlak o něco větší.


Čím více se lodní trup zanořuje, tím větší je jeho zanořený objem a tím větší je jeho hydrostatický vztlak. Nejde-li o ponorku, může se lodní trup zanořit jen do určité míry, přesněji k hornímu okraji boku. Takové zanoření se někdy používá u nákladních lodí, rekreační plavidla mají obvykle podstatnou část boku nad vodou. Tato nezanořená část se nazývá volným bokem. Volný bok je svislá vzdálenost vodní hladiny od okraje paluby nebo horní hrany boku uprostřed délky plavidla.
Nakolik lze lodní trup zanořit, je závislé také na výšce nejníže položeného otvoru, kterým se do trupu může dostat voda. Takový otvor může být pod úrovní horní hrany boku, například v místě uchycení přívěsného motoru, nebo nad ní, pokud jsou všechny otvory v palubě opatřeny nástavbou nebo silem. Rozhodně musí nejníže položený otvor být v určité výšce nad hladinou, v opačném případě by trup zaplavily vlny a stříkající voda. Taková výška se nazývá bezpečnostní vzdáleností. Bezpečnostní vzdálenost je svislá vzdálenost mezi rovinou největšího přípustného ponoru a nejnižším bodem, nad nímž plavidlo již není vodotěsné.

Stabilita plavidla

Za pojmem „stabilita plavidla“ se skrývá celá věda. S výjimkou směrové stability jde vždy o schopnost plavidla odolávat silám, jež plavidlo vychylují z rovnovážné polohy. Správná věda je tam, kde je definice a základní rozdělení.
"Stabilita je způsobilost plavidla vrátit se do rovnovážné polohy, přestanou-li působit vnější síly."
U plavidla se zkoumá stabilita:
1) příčná a podélná,
2) statická a dynamická,
3) pro malé a velké úhly náklonu,
4) stabilita v neporušeném stavu a při částečném zaplavení (havarijní stabilita) nebo při úplném zaplavení.
Stabilita příčná je stabilita při pohybu kolem podélné osy, tj. při naklánění a kývání. Je důležitá pro udržení plavidla nad hladinou, ovladatelnost plavidla, pohodlí a bezpečnost cestujících a ochranu nákladu.
Stabilita podélná je stabilita při pohybu kolem příčné osy, tj. při sklánění a kolébání. Posuzuje se u lodí pro plavbu ve velkých vlnách, na vnitrozemských plavidlech obvykle není nutné ji zkoumat. Vždy je ale nutné zkoumat podélné vyvážení.
Stabilita statická je stabilita při příčném naklánění a podélném sklánění plavidla. Při posuzování statické stability se uvažuje s nějakou stálou silou působící na plavidlo. Určuje se při tom, jaký úhel náklonu nebo sklonu odpovídá určitému zatížení. Setrvačnost kývavého a kolébavého pohybu plavidla se při tom zanedbává.
Stabilita dynamická je stabilita při příčném kývání a podélném kolébání plavidla. Posouzení dynamické stability bere do úvahy fakt, že plavidlo vychylované z rovnovážné polohy získává pohybovou energii, takže se jeho pohyb nezastaví v bodě, kdy jsou naklánějící a vratná síla v rovnováze. Součástí kývavého a kolébavého pohybu je i fáze, v níž vratná síla tento pohyb brzdí. Při výpočtech se porovnává práce vykonaná klopným a vratným momentem.
Stabilita pro malé úhly náklonu (počáteční) je stabilita pro malý úhel náklonu, obvykle do 5 až 7°. Uvažuje se s ní zejména u větších vnitrozemských lodí s plochým dnem a vypočítává se z hodnot platných pro nulový náklon nebo sklon. Výpočet je proto poměrně jednoduchý.
Stabilita pro velké úhly náklonu je stabilita pro úhly náklonu větší než u stability počáteční. Její výpočet je časově a odborně náročný.
U některých plavidel je nutné ověřit, jak stabilní budou v případě zaplavení jednoho nebo více vodotěsných úseků (oddělení). Ve vnitrozemské plavbě se to týká zejména osobních lodí. Stabilita při úplném zaplavení se zkoumá např. u menších rekreačních lodí opatřených vodotěsnými komorami zabraňujícími potopení.


Síly působící proti pohybu plavidla

Nepohybuje-li se plavidlo vzhledem k vodě, která jej z části obklopuje, působí na jeho trup pouze vztlaková síla vody. Při vzájemném pohybu trupu a vody vznikají síly, které působí proti tomuto pohybu a zároveň ovlivňují vztlak. Vrstvička vody, která bezprostředně obklopuje trup, vlivem tření postupuje s trupem, s rostoucí vzdáleností od obšívky trupu se vzájemná rychlost vody a trupu zvyšuje. Tento děj se odehrává v tzv. mezní vrstvě. Od hranice mezní vrstvy směrem od trupu se obtoková rychlost vody opět plynule zmenšuje.
Na hranici mezní vrstvy je trup podél obšívky obtékán určitou rychlostí, která je větší, než je postupová rychlost celé lodi vůči okolní vodě. To je dáno tím, že voda, která je před lodí, musí být okolo trupu lodi "přečerpávána" za loď po dráze delší než je délka zanořené části trupu. Z obrázku je patrné, jak se zhušťují proudnice při obtékání trupu. Proudnice je teoretická dráha částečky vody.
Protože vodu můžeme považovat v rozsahu tlaků při plavbě vznikajících za nestačitelnou, je jasné, že zhuštění proudnic se musí projevit zvýšením rychlosti vody směrem od přídě k zádi. Navýšení rychlosti je závislé na geometrických poměrech a tvaru trupu. Částečka vody, která je na počátku obtokové dráhy před osovou rovinou lodi, má proudnici nejdelší, proto navýšení její rychlosti musí být největší. Nutno však zdůraznit, že jednotlivé částečky vody se po teoretických proudnicích v praxi nepohybují, proudění je ovlivněno rotací částic a podobnými jevy, které ve svém důsledku zvyšují jízdní odpor. Čím je lodní trup dokonaleji tvarovaný, tím více se skutečná dráha částečky vody při obtékání trupu blíží teoretické proudnici.



V oblasti přední části přídě způsobuje pohyb lodního trupu přetlak. Přetlak se projeví zvýšením hladiny a urychlováním vody směrem k zádi a do stran. Voda získává rychlost a se zvyšující se rychlostí klesá její tlak. Pokles tlaku je provázen snížením hladiny a protože je rychlost obtékání za přídí větší než postupová rychlost lodi, poklesne za přídí voda níž, než je okolní hladina. Takto vzniká příďová vlna, v přední části přídě je její vrchol, v zadní části přídě nebo těsně za přídí je její důl. Vlna se opakuje podél trupu směrem k zádi (příďový vlnový systém). Počet opakování příďové vlny mezi přídí a zádí je závislý na zanořené délce trupu a rychlosti plavby. Čím větší je poměr rychlosti k délce plavidla, tím je mezi přídí a zádí méně vln příďového systému.
V kapalině bez vnitřního tření by se na zádi, kde se voda za lodí zavírá, projevil jev symetrický k tomu, jaký se odehrál na přídi. Na úplném konci lodního trupu by vznikl přetlak a vrchol tzv. záďové vlny. Ve vodě sice záďová vlna vzniká ale na poněkud jiném principu. Vlivem vnitřního tření voda urychlená přídí postupně ztrácí rychlost, její pohybová energie je zčásti odevzdávána do okolní vodní masy, zčásti se ztrácí třením o lodní trup. Aby se voda za lodí zavřela, musí na zádi vzniknout podtlak. Trup zužující se zádí vlastně vodu přisává. Podtlak na zádi je obvykle zvýšen i působením sání lodní vrtule. V oblasti zádě tedy voda poklesne a za zádí opět stoupne, vzniká tak záďová vlna. Ta bývá oproti příďové vlně menší.

Pokud je záď s ohledem na rychlost plavby nevhodně tvarovaná nebo zde působí příliš velké sání vrtule, vznikne v oblasti zádě tak velký podtlak, že se proudnice odtrhnou od mezní vrstvy, vzniknou víry, turbulentní proudění a výrazně se zvýší jízdní odpor. Další zajímavý jev vzniká vzájemným působením vln příďového systému a záďové vlny. Vlny se mohou v oblasti zádi navzájem více či méně podporovat (rezonance) nebo naopak potlačovat (interference).
Výtlačná plavba, plavba v přechodovém režimu a plavba v kluzu.

Pokud je poměr délky a rychlosti dostatečný, nedosahuje první příďová vlna až k zádi, její vrchol je na přídi, důl někde uprostřed trupu a její vliv na podélný náklon (sklon, trim) není velký. Záď lodi se vlivem podtlaku zanořuje poměrně málo a pokud je trup dobře tvarovaný, nejsou jízdní odpory velké. Určitým zvýšením rychlosti dosáhneme protažení příďové vlny až se její vrchol posune blíž středu trupu a důl až k zádi. Trup se na přídi začne zvedat a na zádi výrazně poklesne - těžiště vztlaku příďové vlny před těžištěm hmotnosti lodi zvedá příď a záď naopak klesá vlivem podtlaku. Tomuto jevu se slangově říká, že „loď hrne vodu“ nebo že „jede do kopce“. Z uvedených výrazů je jasné, že jízdní odpor v tomto tzv. přechodovém režimu plavby je velký a výrazně vzroste i spotřeba paliva vzhledem k ujeté vzdálenosti.
Vhodný tvar trupu a dostatečný výkon umožní tyto jízdní odpory překonat. Nejprve je nutné, aby rychlost, s jakou proudí voda pod zádí, a vhodné zakončení trupu umožnily odtržení proudu obtékající vody od trupu. Dále se vrchol příďové vlny posune za těžiště hmotnosti, vztlak začne vytlačovat vzhůru celou loď a částečně kompenzuje také vliv podtlaku na zádi. Celá příď je při tom obvykle nad hladinou. Loď pluje z hlediska gravitace v nevyváženém stavu ale nepřeklopí se na příď díky účinku velmi rychle proudící vody pod zádí, která způsobuje na zádi podtlak.
Poslední popsaný režim plavby se odborně nazývá plavbou v kluzu, mezi laickou veřejností je populární výraz plavba ve skluzu. Plavba v kluzu je oproti plavbě v přechodovém režimu úspornější a v tomto režimu lze dosáhnout i poměrně vysokých rychlostí. Čím je rychlost větší, tím více se příďová vlna posouvá dozadu a trup vynořuje z vody. Při plavbě vysokou rychlostí se příďová vlna projevuje na boku lodi jinak, než u plavby výtlačné. Tlak v oblasti příďové vlny je tak velký, že se voda rozbíhá do stran přes outorovou hranu mezi bokem a dnem turbulentním prouděním, které se na hladině projeví jako šípovité zpěnění. Pokud se u plavby v kluzu hovoří o příďové vlně, je nutné ji chápat spíše jako vlnu tlakovou než jako zvlnění hladiny, to se v tomto případě projeví až za lodí.
Jdete-li vlastní cestou, nemůžete být předstiženi.