هيكل (مركبة مائية)

الهيكل هو الجزء المحكم الإغلاق من السفينة أو القارب أو الغواصة أو الطائرة المائية . قد يكون الهيكل مفتوحًا من الأعلى (مثل القارب الصغير )، أو قد يكون مغطى كليًا أو جزئيًا بسطح. قد يعلو السطح غرفة قيادة وهياكل أخرى ، مثل المدخنة أو الرافعة أو الصاري . يُسمى الخط الذي يلتقي فيه الهيكل بسطح الماء بخط الماء .

تتنوع أنواع هياكل السفن بشكل كبير، ويتم اختيارها لتناسب استخدامات مختلفة، حيث يعتمد شكل الهيكل على متطلبات التصميم. تتراوح الأشكال من صندوق شبه مثالي، كما في حالة الصنادل المسطحة، إلى سطح دوران حاد كالإبرة، كما في حالة قوارب السباق الشراعية متعددة الهياكل. يُختار الشكل لتحقيق توازن بين التكلفة، والاعتبارات الهيدروستاتيكية (السعة، وحمل الأوزان، والاستقرار)، والديناميكا المائية (السرعة، ومتطلبات الطاقة، والحركة والسلوك في البحر)، والاعتبارات الخاصة بدور السفينة، مثل مقدمة كاسحة الجليد المستديرة أو القاع المسطح لسفن الإنزال .

في سفينة فولاذية حديثة نموذجية، يتكون الهيكل من أسطح مانعة لتسرب الماء، وعناصر عرضية رئيسية تُسمى الحواجز . وقد توجد أيضًا عناصر وسيطة مثل العوارض والأعمدة والشبكات ، وعناصر ثانوية تُسمى الإطارات العرضية العادية أو الإطارات أو العوارض الطولية، وذلك حسب التصميم الهيكلي . يُطلق على السطح العلوي المتصل اسم "السطح العلوي" أو "سطح الطقس" أو "سطح الصواري" أو " السطح الرئيسي " أو ببساطة "السطح". ويعتمد الاسم المحدد على السياق - نوع السفينة أو القارب، والتصميم، وحتى وجهة إبحارها.

في القوارب الشراعية الخشبية التقليدية، يُبنى الهيكل من ألواح خشبية مدعومة بإطارات عرضية (تُعرف غالبًا بالأضلاع) وحواجز، تُربط فيما بينها بواسطة عوارض طولية أو سقف. غالبًا، ولكن ليس دائمًا، يوجد عنصر طولي مركزي يُسمى العارضة . أما في الهياكل المصنوعة من الألياف الزجاجية أو المواد المركبة، فقد يُشبه الهيكل إلى حد ما السفن الخشبية أو الفولاذية، أو يكون أحادي الهيكل . في كثير من الحالات، تُبنى الهياكل المركبة عن طريق وضع طبقات رقيقة من الألياف المقواة فوق لب خفيف الوزن ولكنه صلب نسبيًا مصنوع من الرغوة أو خشب البلسا أو ورق مقوى مشبع أو مواد أخرى.

ربما قام المصريون القدماء ببناء أقدم الهياكل المناسبة ، والذين كانوا يعرفون بحلول عام 3000 قبل الميلاد كيفية تجميع الألواح الخشبية في هيكل. ^{[ 1 ]}

تأتي هياكل السفن بأشكال متنوعة ويمكن أن يكون لها شكل مركب (على سبيل المثال، مقدمة حادة وشكل جرس مقلوب في المؤخرة)، ولكنها تصنف بشكل أساسي على النحو التالي:

• تتميز القوارب ذات الحواف البارزة والحواف الحادة بوجود نوعين من الحواف: القاع المسطح (ذو الحواف البارزة)، والقاع على شكل حرف V، والهيكل متعدد الحواف (الذي يحتوي على عدة حواف حادة أقل حدة، ولكنه ليس أملسًا تمامًا). تحتوي هذه الأنواع على نتوء بارز واحد على الأقل يمتد على طولها بالكامل أو معظمها.
• تتميز هياكل القوارب المصبوبة، ذات القاع المستدير أو ذي الحواف الناعمة، بانحناءات سلسة. ومن الأمثلة على ذلك الهيكل ذو القاع المستدير، والهيكل ذو القاع شبه المستدير، والهيكل ذو القاع على شكل حرف S.

هياكل التخطيط والإزاحة

• الهيكل الإزاحي: في هذا النوع من الهياكل، يكون الهيكل مدعومًا بشكل حصري أو رئيسي بقوة الطفو . تتحرك السفن التي تمتلك هذا النوع من الهياكل في الماء بسرعة محدودة تحددها طول خط الماء، باستثناء الهياكل الضيقة جدًا مثل السفن الشراعية متعددة الهياكل التي تكون أقل تقييدًا بهذه الطريقة.
• الهيكل الانسيابي: في هذا النوع، يُصمّم الهيكل الانسيابي لتوليد ضغط ديناميكي إيجابي ، مما يقلل من غاطسه مع ازدياد السرعة. يقلل الرفع الديناميكي من مساحة السطح المبلل، وبالتالي يقلل من مقاومة الماء . تكون هذه الهياكل أحيانًا ذات قاع مسطح، وأحيانًا ذات قاع على شكل حرف V، ونادرًا ما تكون ذات قاع مستدير. الشكل الأكثر شيوعًا هو وجود حافة جانبية واحدة على الأقل، مما يُحسّن من انسيابية الهيكل الانسيابي ويُساعد على توجيه رذاذ الماء إلى الأسفل. تكون الهياكل الانسيابية أكثر كفاءة عند السرعات العالية ، على الرغم من أنها لا تزال تتطلب طاقة أكبر للوصول إلى هذه السرعات. يجب أن يكون الهيكل الانسيابي الفعال خفيفًا قدر الإمكان، وأن يتمتع بأسطح مستوية تُحسّن من ثباته في البحر. كما يجب أن تبحر القوارب الشراعية الانسيابية بكفاءة في وضع الإزاحة في الرياح الخفيفة.
• الإزاحة الجزئية، أو الانزلاق الجزئي: هنا يكون شكل الهيكل قادراً على توليد قدر معتدل من الرفع الديناميكي؛ ومع ذلك، لا يزال معظم وزن السفينة مدعوماً من خلال الطفو.

أشكال الهيكل

في الوقت الحالي، يُعدّ شكل الهيكل ذو القاع المستدير هو الشكل الأكثر استخدامًا. ^{[ 2 ]}

مع حمولة صغيرة، يكون جزء أقل من هيكل هذه المركبة مغمورًا تحت خط الماء ، مما يقلل المقاومة ويزيد السرعة. أما مع حمولة أكبر، فتزداد المقاومة وتقل السرعة، لكن انحناء الهيكل للخارج يوفر أداءً أكثر سلاسة في الأمواج. ولذلك، يُعدّ شكل الجرس المقلوب شكلاً شائعًا في هياكل القوارب الانزلاقية.

هياكل ذات حواف بارزة وهياكل ذات حواف بارزة

لا يتميز الهيكل ذو الحواف البارزة بانتقال سلس ومستدير بين القاع والجوانب، بل تتقطع ملامحه بزوايا حادة عند التقاء الألواح الطولية للهيكل. وكلما كانت زاوية التقاطع أكثر حدة، كانت الحافة البارزة أكثر بروزًا. ويمكن أن تحتوي كل جانب على أكثر من حافة بارزة.

يُعدّ "الزورق الكاجوني" مثالاً على حرفة ذات حواف صلبة.

تشمل مزايا هذا النوع من الهياكل انخفاض تكلفة الإنتاج المحتملة وقاع مسطح نسبيًا (عادةً)، مما يجعل القارب أسرع في الانطلاق . يقاوم الهيكل ذو الحواف الحادة التمايل (في المياه الهادئة) أكثر من الهيكل ذي الحواف المستديرة (تُحدث الحواف اضطرابًا ومقاومةً لحركة التمايل أثناء تحرك القارب في الماء، بينما توفر الحواف المستديرة مقاومة أقل للتدفق عند الانعطاف). في البحار الهائجة، قد يؤدي ذلك إلى زيادة تمايل القارب، حيث تسحب الحركة أولًا إلى الأسفل ثم إلى الأعلى على الحواف الحادة: ونتيجةً لذلك، تكون القوارب ذات الحواف المستديرة أكثر ثباتًا في الأمواج.

قد تتخذ الهياكل ذات الحواف أحد الأشكال الثلاثة التالية:

• هياكل ذات قاع مسطح وحواف بارزة
• هياكل متعددة الأضلاع
• هياكل ذات قاع على شكل حرف V وحواف بارزة. تسمى أحيانًا بالهياكل ذات الحواف الحادة.

لكل نوع من هذه الهياكل ذات الحواف الجانبية خصائصه واستخداماته الفريدة. يتميز الهيكل ذو القاع المسطح بثبات ابتدائي عالٍ، ولكنه يتميز بمقاومة عالية. ولمواجهة هذه المقاومة، تكون أشكال الهياكل ضيقة، وأحيانًا مدببة بشدة عند المقدمة والمؤخرة. يؤدي هذا إلى ضعف الثبات عند ميلان القارب الشراعي. غالبًا ما يتم التغلب على هذه المشكلة باستخدام ثقل داخلي كبير في النسخ الشراعية. وهي الأنسب للمياه الساحلية المحمية. كانت قوارب السباق الآلية المبكرة تتميز بمقدمة مسطحة ومؤخرة مسطحة. وقد وفر هذا أقصى قدر من الرفع ورحلة سلسة وسريعة في المياه الهادئة، ولكن هذا الشكل من الهيكل غير مستقر بسهولة في الأمواج. أما الهيكل متعدد الحواف الجانبية فيقترب من شكل الهيكل المنحني. ويتميز بمقاومة أقل من القارب ذي القاع المسطح. وتُعد القوارب متعددة الحواف الجانبية أكثر تعقيدًا في البناء، ولكنها تُنتج شكل هيكل أكثر ملاءمة للإبحار في البحر. وهي عادةً ما تكون هياكل إزاحة. أما القوارب ذات الحواف الجانبية على شكل حرف V أو القاع المقوس، فلها شكل حرف V يتراوح بين 6 درجات و23 درجة. وتُسمى هذه الزاوية بزاوية ميل القاع . يُساعد الشكل المسطح لهيكل بزاوية 6 درجات على الانزلاق على سطح الماء مع رياح أقل أو محرك ذي قدرة حصانية منخفضة، ولكنه يُسبب ارتطامًا أكبر بالأمواج. أما الشكل العميق على شكل حرف V (بين 18 و23 درجة) فهو مُناسب فقط للقوارب السريعة عالية القدرة. تتطلب هذه القوارب محركات أقوى لرفعها على سطح الماء، ولكنها تُوفر قيادة أسرع وأكثر سلاسة في الأمواج. تتميز الهياكل ذات الزوايا الحادة بمساحة سطح مبللة أكبر، وبالتالي مقاومة أكبر، مقارنةً بالهياكل الدائرية المُماثلة، وذلك لأي إزاحة مُحددة.     

هياكل ذات انحناءات ناعمة

الهياكل ذات المنحنى الأملس هي هياكل تستخدم، تمامًا مثل الهياكل المنحنية، لوحًا مركزيًا أو عارضة متصلة.

تتميز هياكل القوارب ذات القاع شبه الدائري بأنها أقل استدارة. وتكمن ميزة هذا النوع في كونه حلاً وسطاً مثالياً بين هياكل القوارب ذات القاع على شكل حرف S والهياكل ذات الحواف. ومن الأمثلة النموذجية على هذا النوع قوارب شراعية صغيرة من طراز سنتور ولايزر .

هياكل القوارب الشراعية ذات القاع على شكل حرف S هي هياكل قوارب شراعية ذات مقطع عرضي في منتصفها على شكل حرف S. في هذا النوع من الهياكل، يكون للهيكل حواف دائرية ويندمج بسلاسة مع العارضة، ولا توجد زوايا حادة على جوانب الهيكل بين خط منتصف العارضة وخط الماء. قد تحتوي القوارب ذات هذا الشكل من الهيكل على عارضة طويلة ثابتة وعميقة، أو عارضة طويلة ثابتة ضحلة مع عارضة مركزية متحركة بداخلها. قد يكون الصابورة داخليًا أو خارجيًا أو مزيجًا منهما. كان هذا الشكل من الهيكل شائعًا جدًا في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل ومنتصف القرن العشرين. من أمثلة القوارب الشراعية الصغيرة التي تستخدم هذا الشكل على شكل حرف S قاربا Yngling و Randmeer .

• يمكن تركيب أجهزة تحكم مثل الدفة أو ألواح التوازن أو الزعانف المثبتة.
• يمكن تركيب عارضة على الهيكل لزيادة الاستقرار العرضي أو الاستقرار الاتجاهي أو لخلق قوة رفع.
• تشمل الملحقات القابلة للسحب الألواح المركزية والألواح الجانبية . ^{[ 3 ]}
• يُطلق على النتوء الأمامي أسفل خط الماء اسم مقدمة السفينة المنتفخة . تُركّب هذه المقدمة على بعض هياكل السفن لتقليل مقاومة الأمواج وبالتالي زيادة كفاءة استهلاك الوقود .

• خط الأساس هو خط مرجعي أفقي تُقاس منه المسافات الرأسية.
• مقدمة السفينة هي الجزء الأمامي من الهيكل.
• منتصف السفينة هو الجزء الأوسط من السفينة في الاتجاه الأمامي والخلفي.
• الميناء هو الجانب الأيسر من السفينة عند مواجهة مقدمتها من على متنها.
• الجانب الأيمن من السفينة هو الجانب الأيمن عند مواجهة مقدمتها من على متنها.
• المؤخرة هي الجزء الخلفي من الهيكل.
• خط الماء هو خط وهمي يحيط بهيكل السفينة ويتطابق مع سطح الماء عندما يكون الهيكل ساكناً.

تُعرَّف أشكال الهيكل على النحو التالي:

مقاييس الكتل التي تحدد الأبعاد الرئيسية. وهي:

• العرض أو السماكة ( B ) هو عرض الهيكل. (مثال: BWL هو أقصى عرض عند خط الماء)
• الغاطس ( d ) أو ( T ) هو المسافة الرأسية من أسفل العارضة إلى خط الماء .
• الارتفاع الحر ( FB ) هو العمق بالإضافة إلى ارتفاع هيكل العارضة مطروحًا منه الغاطس .
• الطول عند خط الماء ( LWL ) هو الطول من أقصى نقطة أمامية لخط الماء مقاسة في المقطع الجانبي إلى أقصى نقطة خلفية لخط الماء.
• طول خط الماء بين العمودين ( LBP أو LPP ) هو طول خط الماء في حمولة الصيف من عمود المؤخرة إلى النقطة التي يتقاطع فيها مع مقدمة السفينة . (انظر أيضًا p/p )
• الطول الإجمالي ( LOA ) هو الطول الأقصى من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر.
• العمق المصبوب ( D ) هو المسافة الرأسية المقاسة من أعلى العارضة إلى الجانب السفلي من السطح العلوي. ^{[ 4 ]}

مشتقات الشكل التي تُحسب من الشكل وقياسات الكتلة. وهي:

• الإزاحة ( Δ ) هي وزن الماء المكافئ لحجم الجزء المغمور من الهيكل.
• مركز الطفو الطولي ( LCB ) هو الموقع الطولي لمركز ثقل الحجم المزاح، ويُعطى عادةً بالمسافة من نقطة مرجعية (غالباً منتصف السفينة) إلى مركز ثقل الحجم المزاح الساكن. يُلاحَظ أن مركز الثقل الطولي أو مركز وزن السفينة يجب أن يتوافق مع مركز الطفو الطولي عندما يكون الهيكل في حالة توازن.
• مركز الطفو الطولي ( LCF ) هو الموقع الطولي لمركز ثقل سطح الماء، ويُعبر عنه عادةً بالمسافة الطولية من نقطة مرجعية (غالباً منتصف السفينة) إلى مركز سطح الماء الساكن. ويمكن تصوره على أنه المنطقة المحددة بسطح الماء وهيكل السفينة.
• مركز الطفو الرأسي ( VCB ) هو الموضع الرأسي لمركز ثقل الحجم المزاح، والذي يُعطى عمومًا كمسافة من نقطة مرجعية (مثل خط الأساس) إلى مركز الحجم المزاح الساكن.
• الحجم ( V أو ∇ ) هو حجم الماء الذي يزيحه الهيكل.

تساعد المعاملات ^{[ 5 ]} أيضًا في مقارنة أشكال الهيكل:

1. معامل الكتلة ( Cb ₎ هو الحجم (V) مقسومًا على مجموع أبعاد السفينة _{( طول الماء} ، _عرض الماء، غاطس الماء ₎ . إذا رسمنا مربعًا حول الجزء المغمور من السفينة، فإن هذا المعامل يمثل نسبة حجم المربع إلى حجم السفينة. ويعطينا هذا المعامل فكرة عن مقدار الكتلة المحددة بطول الماء (L) _، والعرض (B)، والغاطس (T) التي يشغلها هيكل السفينة. تتميز السفن ذات الأشكال الكاملة، مثل ناقلات النفط، بمعامل كتلة مرتفع، _بينما تتميز السفن ذات الأشكال الدقيقة، مثل المراكب الشراعية، بمعامل كتلة _منخفض .$${\displaystyle C_{b}={\frac {V}{L_{WL}\cdot B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
2. معامل منتصف السفينة ( C_{_m} أو C_{_x} ) هو مساحة المقطع العرضي (A_{_x} ) للشريحة عند منتصف السفينة (أو عند أكبر مقطع في حالة C_{_x}) مقسومة على العرض × الغاطس. وهو يمثل نسبة أكبر جزء مغمور من هيكل السفينة إلى مستطيل له نفس العرض والعمق الكليين للجزء المغمور من الهيكل. وهذا يحدد مدى امتلاء الجزء السفلي من السفينة. يشير انخفاض قيمة C_{_m} إلى مقطع وسطي مقطوع، بينما يشير ارتفاعها إلى شكل مقطع صندوقي. تتميز المراكب الشراعية بمقطع وسطي مقطوع ذي قيمة C_{_x} منخفضة ، في حين تتميز سفن الشحن بمقطع صندوقي ذي قيمة C_x عالية _{للمساعدة} في زيادة معامل السحب (C _{_b)} .$${\displaystyle C_{m}={\frac {A_{m}}{B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
3. معامل المنشور ( Cp ) هو الحجم (V) مقسومًا على الطول (L) × _{العرض (WL) ×} المساحة (A ₎ . وهو يمثل نسبة حجم الجزء المغمور من الهيكل إلى حجم منشور طوله مساوٍ لطول السفينة ومساحة مقطعه العرضي مساوية لأكبر جزء مغمور من الهيكل (القسم الأوسط). يُستخدم هذا المعامل لتقييم توزيع حجم الجزء السفلي من الهيكل. يشير _{معامل Cp} المنخفض أو الدقيق إلى قسم أوسط ممتلئ ونهايات دقيقة، بينما يشير _{معامل Cp} المرتفع أو الكامل إلى قارب ذي نهايات ممتلئة. تميل الهياكل الانزلاقية وغيرها من الهياكل عالية السرعة إلى امتلاك معامل Cp مرتفع _{. أما هياكل الإزاحة الفعالة التي تسير عند} عدد فرود منخفض، فتميل إلى امتلاك معامل Cp _منخفض .$${\displaystyle C_{p}={\frac {V}{L_{WL}\cdot A_{m}}}}$$
4. معامل سطح الماء ( Cw ₎ هو مساحة سطح الماء مقسومة على _الطول × العرض × _{الارتفاع} . يعبّر معامل سطح الماء عن مدى امتلاء سطح الماء، أو نسبة مساحة سطح الماء إلى مستطيل له نفس الطول والعرض. تشير قيمة _{Cw المنخفضة إلى نهايات دقيقة، بينما تشير قيمة Cw} المرتفعة إلى نهايات أكثر امتلاءً. يُحسّن ارتفاع قيمة _Cw من الثبات وسهولة التحكم في الظروف الصعبة.$${\displaystyle C_{w}={\frac {A_{w}}{L_{WL}\cdot B_{WL}}}}$$

ملحوظة:$${\displaystyle C_{b}=C_{p}\cdot C_{m}}$$

لقد حلّ استخدام التصميم بمساعدة الحاسوب محلّ أساليب تصميم السفن الورقية التي كانت تعتمد على الحسابات اليدوية ورسم الخطوط. منذ أوائل التسعينيات، تم تطوير العديد من حزم البرامج التجارية والمجانية المتخصصة في هندسة السفن، والتي توفر إمكانيات الرسم ثلاثي الأبعاد بالإضافة إلى وحدات حسابية للهيدروستاتيكا والهيدروديناميكا. ويمكن الإشارة إلى هذه البرامج باسم أنظمة النمذجة الهندسية لهندسة السفن. ^{[ 6 ]}

• هايلر، ويليام ب.؛ كيفر، جون م. (2003). دليل البحار التجاري الأمريكي . مطبعة كورنيل البحرية. ISBN 0-87033-549-9.
• توربين، إدوارد أ.؛ ماكوين، ويليام أ. (1980). دليل ضباط البحرية التجارية (الطبعة الرابعة  ). سنترفيل، ماريلاند: مطبعة كورنيل البحرية. ISBN 0-87033-056-X.