مقاومة توليد الأمواج

تُعدّ مقاومة الأمواج، أو مقاومة توليد الأمواج، شكلاً من أشكال السحب التي تؤثر على أي جسم يتحرك على سطح سائل، كالقوارب والسفن، وتعكس الطاقة اللازمة لدفع الماء بعيدًا عن مسار ذلك الجسم. فعلى سبيل المثال، يُولّد هيكل المركبة المائية أمواجًا ( أثرًا خلفيًا ) تحمل الطاقة بعيدًا وتقاوم حركة المركبة. وتُعدّ مقاومة الأمواج أحد مكونات المقاومة الكلية أو السحب الذي يتعرض له الجسم المتحرك على سطح سائل، إلى جانب السحب اللزج وسحب الضغط .

بالنسبة للهياكل ذات الإزاحة الصغيرة ، مثل المراكب الشراعية أو قوارب التجديف، فإن مقاومة صنع الأمواج هي المصدر الرئيسي لسحب السفينة البحرية .

من أبرز خصائص أمواج الماء تشتتها؛ أي كلما زاد طول الموجة، زادت سرعتها. تتأثر الأمواج التي تولدها السفينة بهندستها وسرعتها، وتنتقل معظم الطاقة التي توفرها السفينة لتوليد الأمواج إلى الماء عبر مقدمتها ومؤخرتها. ببساطة، يتفاعل نظاما الموجات هذان، أي موجات المقدمة والمؤخرة، مع بعضهما البعض، والأمواج الناتجة هي المسؤولة عن المقاومة. إذا كانت الموجة الناتجة كبيرة، فإنها تحمل الكثير من الطاقة بعيدًا عن السفينة، موصلةً إياها إلى الشاطئ أو أي مكان آخر تستقر فيه، أو مبددةً إياها في الماء، ويجب أن توفر قوة دفع السفينة (أو زخمها) هذه الطاقة، ولذلك تشعر السفينة بها كمقاومة. في المقابل، إذا كانت الموجة الناتجة صغيرة، فإن المقاومة التي تتعرض لها السفينة تكون صغيرة.

تعتمد كمية واتجاه التداخل (إضافي أو طرحي) على فرق الطور بين موجتي المقدمة والمؤخرة (اللتين لهما نفس الطول الموجي وسرعة الطور)، وهذا يعتمد بدوره على طول السفينة عند خط الماء. عند سرعة معينة للسفينة، يتناسب فرق الطور بين موجة المقدمة وموجة المؤخرة طرديًا مع طول السفينة عند خط الماء. على سبيل المثال، إذا استغرقت السفينة ثلاث ثوانٍ لقطع مسافة تساوي طولها، فعند نقطة معينة تمر بها، تبدأ موجة المؤخرة بعد ثلاث ثوانٍ من موجة المقدمة، مما يعني وجود فرق طور محدد بين هاتين الموجتين. وبالتالي، يؤثر طول السفينة عند خط الماء بشكل مباشر على مقدار مقاومة توليد الأمواج.

بالنسبة لطول خط الماء المحدد، يعتمد فرق الطور على سرعة الطور وطول الموجة، وهما يعتمدان بدورهما على سرعة السفينة. أما في حالة موجة المياه العميقة، فإن سرعة الطور تساوي سرعة الانتشار وتتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي لطول الموجة، الذي يعتمد بدوره على سرعة السفينة.

من علم الحركة إلى آثار التصميم. بعد أن أثبتنا أن نمط التداخل يخضع للسرعة بالنسبة لطول خط الماء، يمكننا توضيح البيان التصميمي المقابل وكيف يوجه هذا البيان عملية تقليل مقاومة توليد الأمواج:

وبالتالي، فإن مقدار مقاومة الأمواج يعتمد على سرعة السفينة نسبةً إلى طولها عند خط الماء. في نظام أمواج السفينة، عادةً ما تظهر قمة الموجة مباشرةً بعد نقطة ضغط مرتفع، ويظهر قاعها مباشرةً بعد نقطة ضغط منخفض. ولتقليل مقاومة الأمواج، يجب تقليل ارتفاع قمة الموجة وملء قاعها. لذا، فإن المبادئ العامة لتقليل مقاومة الأمواج تتضمن خفض الضغط مباشرةً قبل قمة الموجة وزيادته مباشرةً قبل قاعها.

وبعبارة أخرى، يتم ترتيب أشكال الهيكل والزوائد للتلاعب بمجال الضغط القريب من الجسم بحيث يتم تشجيع الأمواج المتولدة من المقدمة والمؤخرة على التداخل بشكل هدّام بدلاً من التداخل البنّاء على مدى نطاق سرعات التشغيل.

وبالعودة إلى الصورة البديهية، يمكن تصور هذا الاعتماد نفسه على النحو التالي:

إحدى الطرق البسيطة لفهم مقاومة الأمواج المتولدة هي النظر إلى هيكل السفينة بالنسبة لأمواج المقدمة والمؤخرة. إذا كان طول السفينة نصف طول الأمواج المتولدة، ستكون الموجة الناتجة صغيرة جدًا بسبب التداخل، وإذا كان الطول مساويًا لطول الموجة، ستكون الموجة كبيرة بسبب التضخيم.

سرعة الطور${\displaystyle c}$يتم حساب عدد الموجات بالصيغة التالية:

${\displaystyle c={\sqrt {{\frac {g}{2\pi }}l}}}$

أين${\displaystyle l}$هو طول الموجة و${\displaystyle g}$التسارع الناتج عن الجاذبية. باستبدال القيمة المناسبة لـ${\displaystyle g}$ينتج عن ذلك المعادلة التالية:

${\displaystyle {\mbox{c in knots}}\approx 1.341\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}\approx {\frac {4}{3}}\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}}$

أو بالوحدات المترية :

${\displaystyle {\mbox{c in knots}}\approx 2.429\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}\approx {\sqrt {6\times {\mbox{length in m}}}}\approx 2.5\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}}$

تُستخدم هذه القيم، 1.34 و 2.5 و 6 السهلة جدًا، غالبًا في قاعدة سرعة الهيكل التقريبية المستخدمة لمقارنة السرعات المحتملة لهياكل الإزاحة، وهذه العلاقة أساسية أيضًا لرقم فرود ، المستخدم في مقارنة الأحجام المختلفة للمركبات المائية.

عندما تتجاوز السفينة نسبة السرعة إلى الطول (السرعة بالعقد مقسومة على الجذر التربيعي للطول بالأقدام) 0.94، تبدأ في تجاوز معظم موجة مقدمتها ، ويغوص هيكلها قليلاً في الماء لأنه أصبح مدعومًا بقمّتي موجة فقط. وعندما تتجاوز نسبة السرعة إلى الطول 1.34، يصبح طول الموجة أطول من طول الهيكل، ولا يعود مؤخرة السفينة مدعومة بموجة التخلف، مما يؤدي إلى انخفاضها وارتفاع مقدمتها. ويبدأ الهيكل حينها في الصعود فوق موجة مقدمته، وتزداد المقاومة بمعدل مرتفع للغاية. ورغم إمكانية قيادة سفينة إزاحة بسرعة تتجاوز نسبة السرعة إلى الطول 1.34، إلا أن ذلك مكلف للغاية. وتعمل معظم السفن الكبيرة بنسب سرعة إلى طول أقل بكثير من ذلك، أي أقل من 1.0.

بما أن مقاومة الأمواج تعتمد على الطاقة اللازمة لدفع الماء بعيدًا عن طريق الهيكل، فهناك عدد من الطرق التي يمكن من خلالها تقليل هذه المقاومة.

بما أن هياكل الإزاحة الجزئية والهياكل الانزلاقية تولد قوة رفع كبيرة أثناء التشغيل، فإنها قادرة على تجاوز حاجز سرعة انتشار الموجة والعمل في نطاقات مقاومة أقل بكثير، ولكن لتحقيق ذلك، يجب أن تكون قادرة أولاً على تجاوز تلك السرعة، الأمر الذي يتطلب قوة كبيرة. تُسمى هذه المرحلة بمرحلة الانتقال، وفيها يكون معدل مقاومة توليد الموجة في أعلى مستوياته. بمجرد أن يتجاوز الهيكل قمة موجة المقدمة، سيبدأ معدل زيادة مقاومة الموجة في الانخفاض بشكل ملحوظ. ^{[ 1 ]} سيرتفع الهيكل الانزلاقي، مما يجعل مؤخرته خارج الماء، وسيكون توازنه مرتفعًا. سيكون الجزء المغمور من الهيكل الانزلاقي صغيرًا أثناء مرحلة الانزلاق. ^{[ 2 ]}

التفسير النوعي لمخطط مقاومة الأمواج هو أن الهيكل الإزاحي يتردد صداه مع موجة ذات قمة قرب مقدمته وقاع قرب مؤخرته، لأن الماء يُدفع بعيدًا عند المقدمة ويُسحب للخلف عند المؤخرة. أما الهيكل الانسيابي، فيُدفع ببساطة على الماء تحته، لذا يتردد صداه مع موجة ذات قاع تحته. إذا كان طوله ضعف طول الهيكل الإزاحي تقريبًا، فستكون سرعته جذر 2 أو 1.4 ضعف سرعة الهيكل الإزاحي. عمليًا، تتحرك معظم الهياكل الانسيابية عادةً بسرعة أكبر من ذلك بكثير. عند سرعة تعادل أربعة أضعاف سرعة الهيكل، يكون طول الموجة أطول بـ 16 مرة من طول الهيكل.

• مقاومة السفينة ودفعها
• الهيكل (المركبة المائية) §  الأشكال
• هولسبيد

• حول موضوع القوارب أحادية الهيكل عالية السرعة ، دانيال سافيتسكي، أستاذ فخري، مختبر ديفيدسون، معهد ستيفنز للتكنولوجيا