Sjómannadagsblað Vestmannaeyja 1994/Perustefni
Jón Bernódusson, skipaverkfræðingur
Perustefni
Jón Bernódusson, sem er fœddur í Vestmannaeyjum 1952, lauk prófi í skipaverkfrœði frá Háskólanum í Rostock i Þýskalandi 1979 og stundaði framhaldsnám og rannsóknir við Tœkniháskólann í Berlín 1979-87. Hann starfar nú hjá Atlas hf. í Reykjavík.
Hin síðustu ár hefur skipum með perustefni fjölgað, bæði togskipum, nótaskipum og flutningaskipum. Ýmist hafa skip verið smíðuð upphaflega þannig eða þeim verið breytt seinna meir. síðustu ár hefur skipum með perustefni fjölgað, bæði togskipum, nótaskipum og flutningaskipum. Ýmist hafa skip verið smíðuð upphaflega þannig eða þeim verið breytt seinna meir.Það er löngu þekkt að perustefni minnki viðnám skipa. Fjöldi rannsókna um árabil á módelum, svo og hinn mikli fjöldi skipa með perustefni, hafa fært sönnur á gildi þeirra.
Fyrr á árum var lítill áhugi meðal útgerðar- og tæknimanna á perustefnum. Það var ekki fyrr en Súesskurðurinn lokaðist árið 1967 og siglingarleiðir lengdust og farið var að smíða stór olíu- og vöruflutningaskip að farið var að setja perustefni á skip. Það kom fljótt í ljós að perustefnin höfðu mjög jákvæð áhrif á viðnám þessara skipa. Einnig hafði olíukreppan upp úr 1970 hér mikil áhrif, því minna viðnám þýðir minni olíueyðsla.
En hvað veldur því að perustefnið getur minnkað viðnám skipsins? Mörgum finnst einkennilegt að svona klossað stefnisform skuli minnka viðnám skipa í stað þess að auka það.
Úr straumfræði lofts og vökva er vitað að kúlulagaðir hlutir hafa minnsta viðnámið. Þannig þekkja menn framhluta flugvéla og annarra hluta sem fljúga um loftin og einnig stefni kafbáta.
Helstu viðnámsþættir skipa eru núningsviðnám, ölduviðnám og þrýstiviðnám. Núningsviðnámið virkar aðallega á þann hluta skipsins sem er undir vatni eða sjó. Þegar skipið færist úr stað myndast við skrokkinn þunnt straumlag sem fylgir skipinu og færist með því þegar það er á ferð. Ölduviðnámið verður til við hreyfingu skipsins. Það myndar öldur á ferð skipsins sem orsaka einskonar kast eða högg. Þrýstiviðnámið er háð sveigju og eðlismassa þess vökva sem skipið færist í, og hér þá í sjó. Margs konar annað viðnám er til og mætti þá helst nefna dragviðnámið sem myndast aftast á skipinu þegar straumlagið skilur við það og myndar hringiðu sem að hluta til dregur í skipið. Þannig geta t.d. hlutir sem fljóta aftan við skipið fylgt því langa leið. Svo má ekki gleyma veiðarfærum sem fiskiskip draga eftir botni eða í uppsjó sem utan að komandi viðnámsþætti.
Peran virkar á öll þessi viðnám og dregur úr þeim á mismunandi hátt. Aðallega er það ölduviðnámið sem peran dregur úr. Straumfrákast perunnar ýtir öldunum, sem verða til við ferð skipsins, frá sér þannig að einungis hluti hennar nær að hafa áhrif á skipið. Þannig fellur aldan lengra frá skipinu og nær því ekki og kastið frá öldunni verður minna. Gagnstætt núningsviðnáminu breytir peran innsta straumlaginu, sem fylgir sífellt skipinu á ferð, með því að mynda iðustreymi (túrbúlens) inni í því og er það þá í sífelldri upplausn. Einnig losnar innsta straumlagið fyrr frá skrokknum þegar það nálgast aftari straumlínu skipsins sem dregst inn til að auka flæðið að skrúfunni. Vegna perunnar koma straumlögin ekki lengur sem beinn lagstraumur eftir skrokknum heldur má segja að hún valdi usla inni í innsta straumlaginu. Einnig ýtir peran vegna breiddar sinnar straumlaginu lengra frá skipinu þannig að dragviðnámið að aftan minnkar. Þetta veldur því einnig að hægt er að hafa skip breiðari en ella eða styttri miðað við breidd, en breidd skipa er viðnámsvaldur.
Módelrannsóknir á stórum og hraðgengum skipum sýndu hlutfallslega viðnámsminnkun er hraði óx. Þannig var viðnámið tiltölulega meira hjá skipum með peru við minni hraða en án peru. Þess vegna héldu margir því fram að togskip á fjögurra mílna hraða myndi auka viðnámið með perustefni. En upp úr 1960 voru gerðar mjög víðtækar rannsóknir í Hamborg og Berlín með módelprófanir með fiskveiðiskip og þá aðallega togara og komust menn að því að peran gæti verið jákvæð fyrir togskipin. Það var aðallega vegna þess að verkfræðingar skilgreindu togið sem viðnám og fundu að stöðugleiki skipsins með straumlögum perunnar óx og hliðarvirkni viðnáma minnkaði þar eð peran breytti uppdriftinni að framan. Einnig virkuðu áðurnefnd gildi sérstaklega við óbreyttan hraða skipsins þó að hann væri ekki hár.
En peran hefur einnig sína vankanta. Sá helsti er í öldugangi þegar skipið rís upp og fer niður. Þá myndast oft skellir sem geta orðið tveir eða þrír á meðan skipið fer niður ölduna. Þetta stafar af því að lag perunnar breytir uppdriftinni þegar peran fer í kaf. Þessir skellir geta oft afmyndað stefnið. Einnig getur rangt hannað perustefni haft þveröfug áhrif á skipið. Þess vegna eru notuð módel í dragtönkum til að finna sem bestu virkni perunnar. Ef pera er sett á skip eftir að það hefur verið sjósett hafa menn gætt þess að láta straumlínu skipsins passa að perunni og dregið rétt hlut fall milli breiddar hennar og þess hluta skipsins þar sem peran fellur inn í.
Lag á perum hefur tekið ýmsum breytingum í gegnum árin. Sumar perur eru í kafi og aðrar að hálfu leyti upp úr sjó og upp á mitt stefni. Hér sýnist sitt hverjum, en aðalatriðið er að peran komi vel út úr módelprófunum og að peran aðlagist straumlínum sem taka við eftir hana á framenda skipsins.
Ýmsar aðferðir hafa verið prófaðar til að reikna út virkni perunnar. Margar námundagildisreikniaðferðir hafa verið gerðar út frá ýmsum stærðum í skipunum. Þessar aðferðir eru allnákvæmar, enda byggjast þær á margra ára reynslu. Beinn stærðfræðilegur útreikningur er gríðalega flókinn og hefur því lítt verið þróaður vegna þess að módelprófanir og námundagildisreikniaðferðir hafa hingað til leyst dæmið. Niðurstöður þessara prófana hafa sýnt að perustefni geta haft jákvæð áhrif á viðnám allra gerða skipa.
Kannski er best sú hugmynd, sem Jón í Sjólyst skaut að mér fyrir nokkrum árum, en hún er sú að hafa peruna sem belg sem hægt væri að blása út eða tappa af eftir þeim skilyrðum sem upp koma hverju sinni!
- Jón Bernódusson