الهندسة البحرية

يهتم علم الهيدروستاتيكا بالظروف التي تتعرض لها السفينة أثناء سكونها في الماء وقدرتها على البقاء طافية. ويتضمن ذلك حساب الطفو والإزاحة وخصائص هيدروستاتيكية أخرى مثل الميل الطولي ( مقياس ميل السفينة) والاستقرار (قدرة السفينة على استعادة وضعها العمودي بعد ميلها بفعل الرياح أو البحر أو ظروف التحميل). ^{[ 5 ]}

• يهتم علم الديناميكا المائية بتدفق المياه حول هيكل السفينة ومقدمتها ومؤخرتها ، وفوق أجسام مثل شفرات المروحة أو الدفة ، أو عبر أنفاق الدفع.
• تتعلق مقاومة السفينة ودفعها بمقاومة الحركة في الماء، والتي تنتج أساسًا عن تدفق الماء حول هيكل السفينة. ويتم حساب القدرة بناءً على ذلك.
• تُستخدم أنظمة الدفع لتحريك السفينة عبر الماء باستخدام المراوح ، والمحركات النفاثة، والنفاثات المائية ، والأشرعة ، وما إلى ذلك. وتعتمد أنواع المحركات بشكل أساسي على الاحتراق الداخلي . كما تُزوَّد بعض السفن بالطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة النووية أو الشمسية .
• تشمل حركة السفينة حركات السفينة في البحر واستجاباتها للأمواج والرياح. ^{[ 6 ]}
• تتضمن القدرة على التحكم (المناورة) التحكم في موقع واتجاه السفينة والحفاظ عليهما.

بينما يمتلك الجسم العائم فوق سطح سائل 6 درجات من الحرية في حركاته، يتم تصنيف هذه الدرجات إما في الانتقال أو الدوران.

• ترجمة
  • التمايل: عرضي
  • موجة: للأمام والخلف
  • الارتفاع: عمودي
• تناوب
  • الانحراف: حول محور رأسي
  • الميل أو التشذيب: حول محور عرضي
  • الدوران أو الكعب: حول محور أمامي وخلفي

يعتمد الاستقرار الطولي للسفينة، في حالة الميل الطولي، على المسافة بين مركز ثقلها ومركزها الطولي. بعبارة أخرى، يعتمد ثبات مركز ثقل السفينة على المسافة المتساوية بينه وبين كل من الجزء الخلفي والأمامي منها.

بينما يطفو الجسم على سطح سائل، فإنه لا يزال يواجه قوة الجاذبية التي تدفعه للأسفل. وللبقاء طافيًا وتجنب الغرق، توجد قوة معاكسة تعمل ضده تُعرف بالضغط الهيدروستاتيكي. يجب أن تكون القوى المؤثرة على الجسم متساوية في المقدار وعلى نفس خط الحركة للحفاظ على توازنه. يتحقق هذا الوصف للتوازن فقط عندما يكون الجسم طافيًا بحرية في ماء ساكن، أما في حال وجود ظروف أخرى، فإن مقدار هذه القوى يتغير بشكل كبير، مما يُسبب حركة تأرجح الجسم. ^{[ 7 ]}

قوة الطفو تساوي وزن الجسم، أي أن كتلة الجسم تساوي كتلة الماء الذي يزيحه الجسم. وهذا يُضيف قوةً دافعةً للأعلى على الجسم تساوي مساحة سطحه مضروبةً في المساحة المُزاحة، وذلك لخلق حالة توازن بين سطح الجسم وسطح الماء.

تتمتع السفينة بثبات في معظم الظروف يسمح لها بالتغلب على أي شكل من أشكال التقييد أو المقاومة التي تواجهها في البحار الهائجة؛ ومع ذلك، فإن السفن تعاني من خصائص دوران غير مرغوب فيها عندما يكون توازن التذبذبات في الدوران ضعف توازن التذبذبات في الارتفاع، مما يؤدي إلى انقلاب السفينة. ^{[ 8 ]}

يشمل تصميم الهياكل اختيار مواد البناء، والتحليل الإنشائي لقوة السفينة الكلية والمحلية، واهتزازات مكوناتها، واستجاباتها أثناء حركتها في البحر . ويختلف تصميم الهيكل باختلاف نوع السفينة، سواءً من حيث المواد المستخدمة أو كميتها. بعض السفن مصنوعة من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية، لكن الغالبية العظمى منها مصنوعة من الفولاذ، مع احتمال استخدام الألومنيوم في البنية الفوقية. ^{[ 7 ]}

صُمم الهيكل الكامل للسفينة بألواح مستطيلة الشكل مصنوعة من صفائح فولاذية مدعومة من جوانبها الأربعة. تشكل هذه الألواح، مجتمعةً على مساحة سطحية كبيرة، هيكل السفينة وسطحها وحواجزها، مع توفيرها في الوقت نفسه دعماً متبادلاً للإطارات. ورغم أن هيكل السفينة متين بما يكفي للحفاظ على تماسكه، إلا أن القوة الرئيسية التي يجب عليه التغلب عليها هي الانحناء الطولي الذي يُسبب إجهاداً على هيكله، لذا يجب تصميم هيكله بحيث يتم توزيع المواد بأكبر قدر ممكن من الأمام والخلف. ^{[ 7 ]}

تتألف العناصر الطولية الرئيسية من سطح السفينة، وصفائح الهيكل، والقاع الداخلي، وكلها على شكل شبكات، بالإضافة إلى دعامات طولية إضافية. صُممت أبعاد السفينة لتوفير مسافة كافية بين الدعامات لمنع الانبعاج. استخدمت السفن الحربية نظام تقوية طولي تبنته العديد من السفن التجارية الحديثة. كان هذا النظام شائع الاستخدام في السفن التجارية القديمة مثل السفينة إس إس غريت إيسترن ، ولكنه تحول لاحقًا إلى هيكل ذي إطار عرضي، وهو مفهوم آخر في تصميم هياكل السفن أثبت جدواه. تم تطبيق هذا النظام لاحقًا على السفن الحديثة مثل ناقلات النفط نظرًا لشعبيته، وأُطلق عليه حينها اسم نظام إيشروود . ^{[ 7 ]}

يتألف نظام إيشروود من تقوية الأسطح الجانبية والسفلية بعناصر طولية، متباعدة بمسافة كافية لتكون المسافة بينها مساوية للمسافة بين الإطارات والعوارض. يعمل هذا النظام عن طريق تباعد العناصر العرضية الداعمة للعناصر الطولية بمسافة تتراوح بين 3 و4 أمتار تقريبًا، مما يوفر القوة العرضية اللازمة من خلال إزاحة مقدار القوة التي توفرها الحواجز. ^{[ 7 ]}

تشمل الترتيبات تصميم المفهوم ، والتخطيط، والوصول، والحماية من الحرائق ، وتخصيص المساحات، وبيئة العمل، والقدرة الاستيعابية .

تعتمد عملية البناء على المواد المستخدمة. عند استخدام الفولاذ أو الألومنيوم، تتضمن العملية لحام الصفائح والقطاعات بعد الدرفلة ، ووضع العلامات، والقطع ، والثني وفقًا لرسومات أو نماذج التصميم الإنشائي ، يليها التركيب والإطلاق . تُستخدم تقنيات ربط أخرى لمواد أخرى مثل البلاستيك المقوى بالألياف والبلاستيك المقوى بالزجاج . تُدرس عملية البناء بعناية فائقة مع مراعاة جميع العوامل كالسلامة، وقوة الهيكل، والديناميكا المائية، وتصميم السفينة. كل عامل يُؤخذ في الاعتبار يُتيح خيارًا جديدًا للمواد التي يجب مراعاتها، بالإضافة إلى توجيه السفينة. عند النظر في قوة الهيكل، تُؤخذ تأثيرات اصطدام السفن في الاعتبار من حيث كيفية تغير هيكل السفينة. لذلك، تُدرس خصائص المواد بعناية، حيث أن المادة المستخدمة في السفينة المُصطدمة لها خصائص مرنة، فالطاقة التي امتصتها السفينة المُصطدمة تنحرف في الاتجاه المعاكس، وبالتالي تمر كلتا السفينتين بعملية الارتداد لمنع المزيد من الضرر. ^{[ 9 ]}