מהירות כלי שיט

סירות פטרול בסן דייגו. בתמונה ניתן להבחין בגלים הנוצרים על ידי גופי הסירות.

בהנדסה ימית, מהירות כלי שיט או מהירות קער (באנגלית: Hull speed) היא המהירות של כלי שיט שבה אורך הגל של גל החרטום (bow wave) שהוא יוצר משתווה לאורך של הספינה בממשק שבינה לפני המים (שנקרא Water Line Length). כאשר מהירות זו מושגת, ספינה בתנועת העתקה טהורה תיראה "לכודה" באזור של שפל מאחורי גל החרטום הגבוה מאד שלה.

מנקודת מבט פיזיקלית, במהירות קער גלי החרטום והירכתיים, שמהווים את עיקר הגלים שיוצר גוף הספינה, מתאבכים בצורה בונה, כך שנוצרים גלים גדולים מאוד, ולכן באופן יחסי גם כמות גדולה של גרר. אף על פי שלפעמים משתמשים במונח כדי להתייחס למעין "גבול מהירות" של ספינה ספציפית, בפועל הגרר שהיא חווה משתנה בצורה חלקה (אם כי בקצב הולך וגובר) כאשר ספינה מתקרבת למהירות זאת ומשיגה אותה, ללא קפיצה משמעותית בנקודת המעבר.

פיזיקה

גרר גלים הוא צורה של גרר שמשפיעה על כלי תחבורה ימיים, כמו סירות ואוניות, והוא משקף את האנרגיה שנדרשת כדי לדחוק את המים הלאה מגוף הספינה. אנרגיית דחיקה זאת הופכת לגלי מים. גלי המים הנוצרים על ידי ספינה מושפעים מהגאומטריה שלה וממהירות תנועתה, כאשר רוב האנרגיה שמשקיעה הספינה ליצירת גלים מועברת לשתי מערכות גלים מרכזיות: גלי חרטום (bow waves) וגלי ירכתיים (stern waves). את יצירת גלי החרטום אפשר להבין כתוצאה של היערמות המים בחזית הספינה; החרטום הוא אזור של לחץ סטטי גבוה, והדבר מתבטא בעליית פני המים מסביב לו ובנוכחות של שיא הגל בצמוד אליו.

הן גלי החרטום והן גלי הירכתיים מתפשטים בתבנית V אופיינית יחסית לכיוון תנועת הספינה (כמוראה בתצלום לעיל), שבעבור תחום מהירויות רחב למדי היא בעלת זווית פתיחה של 39 מעלות (ראו גם גלי הסירה של קלווין). שתי מערכות הגלים הללו, זו של החרטום וזו של הירכתיים, נמצאות באינטראקציה אחת עם השנייה; השובל (wake) שנוצר מאחורי הספינה הוא תבנית התאבכות של שתי מערכות הגלים הללו, כשהגלים הכוללים הנוצרים הם אלו שאחראים להתנגדות (גרר הגלים) שחווה הספינה. ניתן לחשוב על גל החרטום שיוצרת תנועת הספינה כמתחיל בחרטום ונמשך לאחור במעין שובל גלי מחזורי של שפלים ושיאים; כנ"ל לגבי גלי הירכתיים.

בחלקו העליון של האיור הספינה נעה במהירות גבוהה יותר ולכן אורך הגל הנוצר גדול יותר. שים לב שבשני חלקי האיור מהירות הספינה קטנה ממהירות הקער.

תכונה בולטת של גלי מים היא הנפיצתיות שלהם; במים עמוקים, ככל שהגל ארוך יותר, כך גדלה מהירותו. מהירות המופע של גלי מים עמוקים יחסית לשורש הריבועי של אורך הגל של הגלים הנוצרים, ואילו אורך הספינה גורם להפרש פאזה בין הגלים שנוצרים באזור החרטום ובאזור הירכתיים. לכן, יש קשר ישיר בין מהירות הספינה לאורך הגל שהיא יוצרת (ספינה מהירה יותר יוצרת גלים מהירים יותר ולכן גם ארוכים יותר), ובין אורך הספינה שנמצא במגע עם המים והעוצמה של ההתנגדות שיוצרים הגלים. כאשר הספינה איטית יחסית, אורך הגל הנוצר קצר מאד וניתן למנות מספר שיאי גל עוקבים לאורך קו המים של הספינה. התוצאה היא שאזורים מסוימים בגוף ספינה שקועים יותר במים ואילו אזורים אחרים שקועים פחות, אולם במצטבר אין עלייה דרמטית בגרר, שכן הבדלים אלו מבטלים זה את זה.

דרך פשוטה להבין את מה שקורה להתנגדות שיוצרים הגלים במהירות הקער היא להסתכל על גוף הספינה בהתייחס לגלי החרטום והירכתיים. אם אורך הספינה הוא חצי מאורך הגלים הנוצרים, הגל הכולל הנוצר יהיה חלש מאד אודות לביטול הדדי של גלי הירכתיים והחרטום. באופן פורמלי יותר, ניתן לחשוב על מערכת לחץ המים שנוצרת סביב הספינה כעל זוגן, כאשר הירכתיים מהווים בור (אזור של תת-לחץ) ואילו החרטום מהווה מקור (אזור של לחץ גבוה) - שני מקורות הגלים נמצאים בפאזה הפוכה ולכן הגלים מתאבכים באופן הורס. באופן דומה, במהירות הקער, כאשר אורך הגל שווה לאורך הספינה, הגל הכולל הנוצר יהיה מאד גדול אודות להגברה ההדדית של שתי מערכות הגלים.

מהירות המופע $c$ של גלי מים עמוקים ניתנת בנוסחה:

$c={\sqrt {\frac {g\lambda }{2\pi }}}$

כאשר $\lambda$ היא אורך הגל ו-$g$ תאוצת הכבידה. ההנחה היא שהגלים שנוצרים בחרטום מתפשטים במהירות התקדמות הספינה. כיוון שכך, ואודות לעובדה שבמהירות קער אורך הגל משתווה לאורך הספינה, נקבל את הנוסחה הבאה:

$v_{hull}\approx 1.34\times {\sqrt {L_{WL}}}$

כאשר:

• "$L_{WL}$" היא אורך קו הספינה שנמצא במגע עם המים ביחידות רגל.
• "$v_{hull}$" היא מהירות הקער ביחידות קשר.

נוסחה זאת מסבירה את העובדה שכלי שיט ארוכים יותר חווים גרר גלים משמעותי במהירויות גבוהות יותר.

הגרף של גרר הגלים כפונקציה של מהירות הספינה מכיל גבעות ושקעים רבים, אולם המגמה הכללית שלו מתכונתית ל-$v^{6}$. התנודתיות בגרף היא תוצאה ישירה של הבדלי הפאזה המשתנים בין החרטום לירכתיים, שבתורם משפיעים על תמונת ההתאבכות, ואילו את המגמה הכללית ניתן להסביר תוך יישום מושגים חשובים מהידרודינמיקה והתאוריה הליניארית של גלי מים; אמפליטודת הגלים הנוצרים יחסית ללחץ הסטטי $P_{static}$ בחרטום, שמתכונתי למהירות בריבוע. צפיפות האנרגיה הממוצעת של גלי המים יחסית לאמפליטודה שלהם $a$ בריבוע, בעוד סה"כ האנרגיה המוכלת בגל יחסית למכפלת צפיפות האנרגיה ברוחב הגל $w$ ובאורך הגל שלו $\lambda$, שמתכונתי למהירות הספינה בריבוע. כל המרכיבים הללו מסבירים את קצב העלייה המהיר ביותר של גרר הגלים.

דרכים להתגברות על מחסום מהירות הקער

הפחתת ההדחק

הפחתת ההדחק של כלי תחבורה ימי, באמצעות הקטנת משקלו, היא הדרך הישירה ביותר להקטנת גרר הגלים. דרך אחרת היא לעצב את החרטום כך שיווצר עליו עילוי דינמי כאשר הוא נע דרך המים. בדרך זו החרטום אינו צריך לפלח את דרכו דרך גל החרטום, אלא שהוא דווקא מצליח "לגלוש" מעליו. כלי שיט רחפנים מבצעים זאת, מה שמאפשר להם לשבור את מחסום מהירת הקער ולהיכנס למשטר זרימה שבה הגרר גובר עם ההאצה בקצב איטי הרבה יותר. החיסרון של שיטת הריחוף הוא שהיא מעשית רק בכלי שיט קטנים יותר, עם יחס הספק למשקל גבוה, כמו סירות מנוע. זהו לא פתרון מעשי בעבור כלי שיט גדולים כמו למשל מיכליות נפט.

חדירה מדורגת

גוף ספינה עם חרטום קהה חייב לדחוף את המים מהר מאד כדי לעבור דרכם, ותאוצה גבוהה זאת מצריכה כמויות גדולות של אנרגיה. באמצעות שימוש בחרטום מדורג, עם זווית חדה יותר שגורמת לדחיפת המים בצורה הדרגתית יותר, כמות האנרגיה שתידרש כדי לדחוק את המים תהיה קטנה יותר, אף על פי שכמות המים הנדחקים תהיה זהה.

חרטום בולבוסי

ערך מורחב – חרטום בולבוסי

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו למכלול והשלימו אותו.

מקורות

• The Physics of Sailing Explained, p.8 - p.24

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מהירות כלי שיט בוויקישיתוף

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

23422227מהירות כלי שיט