القدرة على الإبحار

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 15 صور
الموسوعة الحرة
تقوم المدمرة الأمريكية " تشيمونغ" (AO-30)   بتزويد المدمرة الأمريكية " هوبر"  بالوقود في بحر هائج

تُعدّ القدرة على الإبحار في البحر أو صلاحية السفينة للإبحار مقياسًا لمدى ملاءمة المركبة المائية للظروف البحرية أثناء الإبحار. ويُقال إن السفينة أو القارب الذي يتمتع بقدرة جيدة على الإبحار في البحر يتمتع بصلاحية عالية للإبحار ، وقادر على العمل بكفاءة حتى في حالات البحر الهائج .

يقيس

في عام 1976، اقترح سانت دينيس [ 1 ] أربعة مصطلحات رئيسية ضرورية لوصف أداء السفينة في البحر. وهذه المصطلحات هي:

  • المهمة : ما يُفترض أن تُنجزه السفينة. دور السفينة أثناء وجودها في البحر.
  • البيئة : الظروف التي تعمل في ظلها السفينة. ويمكن وصفها بحالة البحر ، وسرعة الرياح، والمنطقة الجغرافية، أو مزيج من هذه العوامل.
  • استجابات السفينة : هي استجابة السفينة للظروف البيئية. وتعتمد هذه الاستجابات على البيئة وخصائص السفينة.
  • معايير أداء السفينة في البحر : هي الحدود المحددة لاستجابات السفينة. وتستند هذه المعايير إلى حركات السفينة والتسارعات التي تتعرض لها، وتشمل معايير الراحة مثل الضوضاء والاهتزاز ودوار البحر ، وقيم الأداء مثل انخفاض السرعة غير الإرادي، والظواهر القابلة للملاحظة مثل غمر مقدمة السفينة.

تختلف مهام سفينة الحفر عن مهام العبّارة ، كما تختلف بيئات عملها. وتختلف معايير الأداء بينهما أيضاً. قد يُعتبر كلاهما صالحاً للإبحار، وإن كان ذلك لأسباب مختلفة بناءً على معايير متباينة.

خلفية

السفينة يو إس إس سانتا فيه (CL-60)   تميل حوالي 35 درجة إلى اليمين أثناء مواجهتها لإعصار
المدمرة الأمريكية والدرون (DD-699)   ترفع مقدمتها خارج الماء، أثناء عملها في بحار المحيط الأطلسي الهائجة

في تصميم السفن، من المهم تحديد سلوك السفينة أو الهيكل العائم مسبقًا عند تعرضه للأمواج. يمكن حساب ذلك، أو تحديده من خلال اختبارات النماذج الفيزيائية، أو قياسه في نهاية المطاف على متن السفينة. يمكن إجراء الحسابات تحليليًا للأشكال البسيطة كالصنادل المستطيلة، ولكن يلزم حسابها حاسوبيًا لأي سفينة ذات شكل واقعي. تُعرف نتائج بعض هذه الحسابات أو اختبارات النماذج بدوال نقل تُسمى مُعاملات سعة الاستجابة (RAOs). بالنسبة للهيكل العائم، يجب حساب هذه الدوال لجميع الحركات الست ولجميع اتجاهات الأمواج النسبية.

تُعدّ حركة السفينة مهمة لتحديد الأحمال الديناميكية على الطاقم والركاب ومكونات أنظمة السفينة والشحنات المؤمّنة والعناصر الهيكلية. قد تُعيق الحركة المفرطة للسفينة قدرتها على إنجاز مهمتها، مثل إنزال واستعادة القوارب الصغيرة أو الطائرات. يُقاس مدى قدرة الفرد على إنجاز مهمة محددة على متن سفينة متحركة من خلال عدد مرات التوقف الناتجة عن الحركة [ 2 ] (MII). يُشير هذا المقياس إلى عدد المرات التي يحتاج فيها الشخص الواقف إلى الاستناد للحفاظ على توازنه. ويُقاس عدد مرات التوقف الناتجة عن الحركة في الساعة.

تؤثر حركة السفينة على فسيولوجيا الركاب والطاقم. فشدة وتسارع هذه الحركة (وخاصةً الرفع والتدحرج والميلان ) تؤثر سلبًا على الركاب والعاملين على متن السفينة. ويؤثر دوار البحر سلبًا على قدرة الطاقم على إنجاز مهامهم والحفاظ على يقظتهم، كما أنه يسبب ضيقًا شديدًا للركاب. يُعد معدل الإصابة بدوار البحر (MSI) أحد أهم المقاييس لتقييم دوار البحر [ 3 ] . وقد نُشرت أهم دراسة حول هذا الموضوع في مجلة طب الفضاء الجوي (Aerospace Medicine) من قِبل أوهانلون وماكولي عام 1974، والتي حددت عتبات ذاتية شائعة لتحمل دوار البحر. يُقاس معدل الإصابة بدوار البحر بنسبة الأشخاص الذين يُصابون به خلال فترة زمنية محددة. ويُعتبر الحد المقبول عمومًا لمعدل الإصابة بدوار البحر هو 20% خلال فترة تعرض مدتها أربع ساعات. نسبة صغيرة من الناس شديدة الحساسية لدوار البحر، وتُصاب به حتى في أبسط الظروف، بينما نادرًا ما يُصاب آخرون به رغم الظروف القاسية. وقد تبين أيضاً أن معظم الناس يتأقلمون مع حركة السفن في غضون فترة أربعة أيام تقريباً، لكن البعض لا يتأقلمون على الإطلاق.

تؤثر خصائص السفينة في البحر بشكل مباشر على تصميمها. وتُؤخذ حركة السفينة في الاعتبار عند تحديد أبعادها الرئيسية وعند وضع التصميم العام لمساحاتها الداخلية. فعلى سبيل المثال، تتعرض معظم السفن لأقصى درجات حركة السفينة، وعادةً ما تكون غير مناسبة للركاب أو الطاقم. وفي حالات استثنائية، عندما تُشكل حركة السفينة خطرًا على الطاقم أو الهيكل أو الآلات، أو عندما تُعيق قدرة السفينة على إنجاز مهمتها، يجب تعديل التصميم لتقليل هذه الحركة.

الوصف الرياضي

في نظرية الملاحة البحرية الخطية، غالبًا ما تُنمذج حركة السفينة في الأمواج الصغيرة باستخدام التدفق الكامن . يُعامل المائع المحيط على أنه غير قابل للانضغاط وغير دوراني ، لذا يُكتب حقل السرعة على شكل تدرج جهد السرعة، ويحقق هذا الجهد معادلة لابلاس في نطاق المائع. بالنسبة لموجة آيري منتظمة ، يمكن كتابة ارتفاع السطح الحر على النحو التالي [ 4 ].

η(x،ت)=أكوس⁡(كx-ωت){\displaystyle \eta (x,t)=a\cos(kx-\omega t)}

أينأ{\displaystyle a}هي سعة الموجة،ك{\displaystyle k}هو العدد الموجي ، وω{\displaystyle \omega }التردد الزاوي . في عمق مائي محدودح{\displaystyle h}، هذه الكميات تحقق علاقة التشتت

ω2=زكtanh⁡(كح){\displaystyle \أوميغا ^{2}=gk\tanh(kh)}

يُعبَّر عن استجابة السفينة عادةً بستة إحداثيات عامة تُقابل كلاً من الاندفاع، والتأرجح، والارتفاع، والتدحرج، والانحراف، والالتفاف. في مجال التردد، يمكن كتابة معادلات الحركة الخطية في صورة مصفوفة كما يلي [ 5 ].

∑ℓ=16[-ω2(مجℓ+أجℓ(ω))+أناωبجℓ(ω)+ججℓ]ζ^ℓ=F^هـج،ج=1،...،6{\displaystyle \sum _{\ell =1}^{6}\left[-\omega ^{2}\left(M_{j\ell }+A_{j\ell }(\omega )\right)+i\omega B_{j\ell }(\omega )+C_{j\ell }\right]{\hat {\zeta }}_{\ell }={\hat {F}}_{Ej},\qquad j=1,\ldots ,6}

هنام{\displaystyle M}هي مصفوفة الكتلة المعممة ،أ{\displaystyle A}هي مصفوفة الكتلة المضافة،ب{\displaystyle B}هي مصفوفة التخميد الإشعاعي،ج{\displaystyle C}هي مصفوفة الاستعادة الهيدروستاتيكية، وF^هـ{\displaystyle {\hat {F}}_{E}}تمثل قوة أو عزم إثارة الموجة المركبة. أما RAO المقابل فهو النسبة المركبة بين سعة حركة السفينة وسعة الموجة الساقطة، ويُستخدم لتقدير الحركات والتسارعات والأحمال في حالات بحرية محددة.

عوامل

هناك عدد من العوامل التي تؤثر على قدرة السفينة على الإبحار في البحر أو على مدى استجابة السفينة بشكل صحيح.

  • الحجم : عادةً ما تكون حركة السفينة الأكبر حجماً أقل من حركة السفينة الأصغر حجماً. ويعود ذلك إلى صغر حجم الأمواج نسبياً.
  • الإزاحة : عادةً ما تكون حركة السفينة الأثقل أقل من حركة السفينة الأخف. وبما أن طاقة الموجة متساوية لكلتا السفينتين وتوفر القوة الدافعة، فإن السفينة ذات الكتلة الأكبر ستكون تسارعاتها أقل.
  • الاستقرار : تميل السفينة المستقرة إلى اتباع شكل الموجة بشكل أدق من السفينة الأقل استقراراً. وهذا يعني أن السفينة الأكثر استقراراً تتمتع عموماً بتسارع أعلى ولكن بسعة حركة أقل.
  • الارتفاع الحر : كلما زاد الارتفاع الحر للسفينة، قلّ احتمال غمر سطحها. يُعدّ غمر السطح معيارًا مهمًا في تحديد قدرة السفينة على الإبحار في مختلف الظروف البحرية، إذ يؤثر على قدرتها على أداء مهامها في العديد من السفن.
  • العامل البشري : غالباً ما تكون أهم العوامل في الملاحة البحرية، وخاصة في السفن الصغيرة، هي خبرة ومهارات الطاقم في الظروف القاسية. ويرتبط بذلك تجنب دوار البحر، والحصول على قسط كافٍ من النوم والطعام والشراب، والحفاظ على السلامة من الإصابات طوال فترة الحدث القاسي.
  • حالة البحر ، وطيف الأمواج ، والاتجاه النسبي. قد تحدث رنينات غير مرغوب فيها عند بعض الترددات. قد تصل حركة الميلان والتدحرج إلى مستويات خطيرة إذا تزامن التردد الطبيعي لهيكل السفينة مع تردد وصول الأمواج، وكان التخميد غير كافٍ. يؤثر اتجاه السفينة وسرعتها بشكل كبير على تردد وصول الأمواج.
  • يعمل التخميد على مقاومة حركات الرنين عن طريق تغيير زاوية الميل والدوران. وفي بعض الأحيان، قد يؤدي تغيير عزم القصور الذاتي عن طريق تحريك الثقل الموازن إلى تغيير تردد الرنين.
  • الاستقرار الاتجاهي ، أو استقرار الانعراج، الذي يؤثر على الحفاظ على المسار، لا سيما في البحار الأمامية والجانبية، وفي البحار المتجاوزة، عندما قد تنخفض سرعة التدفق عبر الدفة بشكل كبير، أو تصبح سالبة، في حين قد يزداد غمر المقدمة في نفس الوقت، مما يؤدي إلى تحريك مركز المنطقة الجانبية إلى الأمام.

قد تختلف استجابة الهيكل لظروف البحر المحددة بشكل كبير اعتمادًا على الحمولة، والسطح الحر للخزانات، وتوزيع الوزن، والسرعة، واتجاه السير.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لويس، مبادئ الهندسة البحرية ، المجلد الثالث، القسم 7، ص 137 (مقاييس الأداء).
  2. ↑ غراهام، 1990
  3. ↑ أوهانلون وماك كولي، 1974
  4. ↑ مي، سي سي؛ ستياسني، إم؛ يو، دي كيه-بي. (2005). نظرية وتطبيقات أمواج سطح المحيط . وورلد ساينتيفيك.
  5. ↑ فالتينسن، أو إم (1990). أحمال البحر على السفن والمنشآت البحرية . مطبعة جامعة كامبريدج.

فهرس

للمزيد من القراءة