Stepeničasti trup
BN 259Za plovidbu velikim brzinama poželjno je svako dodatno smanjenje otpora pa se u tom smislu razvio poseban oblik trupa gliserskog plovila koji se od konvencionalnog trupa razlikuje po tome što na dnu trupa između pramca i krmenog zrcala postoji jedna ili više stepenica
Potraga za učinkovitim brzim plovilima ima dugu povijest, a kao rezultat proizašle su brojne dobro poznate izvedbe koje su dalje razvijane i poboljšavane za čitavi niz novih tipova brzih plovila.
Za veće brzine konvencionalna istisninska plovila izrazito su neekonomična zbog golemog povećanja potrebne snage motora te potrebnih zaliha goriva. Zbog toga je bilo potrebno na neki način ograničiti povećanje otpora plovila do kojeg neminovno dolazi s povećanjem brzine napredovanja. Jedna od mogućnosti je da se tijekom plovidbe plovilo podigne iz vode pomoću hidrodinamičkih sila koje djeluju na trup i na taj način smanji površina u dodiru s vodom pa samim time i otpor. Tipični predstavnik ovakvih plovila je glisersko plovilo s "V" oblikom dna trupa odnosno zgibnom formom. Zgib je oštar brid na trupu na kojem se spaja dno s bočnim stranicama plovila.
Za plovidbu velikim brzinama poželjno je svako dodatno smanjenje otpora pa se u tom smislu razvio poseban oblik trupa gliserskog plovila koji se od konvencionalnog trupa razlikuje po tome što na dnu trupa između pramca i krmenog zrcala postoji jedna ili više stepenica. Osnovna uloga stepenice sastoji se u smanjenju iznosa površine trupa koja je u neposrednom dodiru s vodom. Presudno je da rub stepenice na bočnim stranicama bude iznad vodne linije tijekom plovidbe u gliserskom režimu. Tada na dnu plovila neposredno iza stepenice nastaje područje niskog tlaka, zbog čega se okolišni zrak iz atmosfere uvlači u stepenicu odnosno dolazi do tzv. ventilacije trupa iza stepenice. Uvlačenjem zraka na dijelu trupa iza stepenice nastaje zračni jastuk odnosno površina trupa se oslobađa od vode čime se smanjuje opor, a kao rezultat plovilo može postizati veću brzinu uz postojeću snagu i potrošnju goriva.
Sama stepenica može biti ravna tako da na dnu plovila stoji okomito na uzdužnu os plovila, ili, što je češće, može ići od zgiba s jedne i druge strane lagano ukošeno prema krmi pa dolje do linije kobilice. Stepenice ukošene prema natrag omogućavaju uvlačenje veće količine zraka u stepenicu pri većoj brzini zbog manjeg ulaznog kuta zraka u odnosu na smjer napredovanja plovila. Neka plovila imaju jednu stepenicu, većina dvije, a neka čak i više stepenica, od kojih neke od njih predstavljaju male korektivne stepenice. Pojedini proizvođači brzih plovila razvili su, ispitali i usavršili stepeničasti oblik trupa kojim se neupitno povećava brzina i učinkovitost. Stepeničasti trup postaje sve popularniji premda konvencionalni trup bez stepenica i dalje prevladava kod većine glisera.
Poput mnogih drugih inovacija, niti ideja stepeničastog trupa nije nova, već postoji više od jednog stoljeća. Stepeničasti trup u posljednjem desetljeću sve više nalazi svoje mjesto u industriji rekreacijskih plovila pa se takvi trupovi trenutno mogu pronaći na mnogim plovilima različitih dimenzija. Kvalitetno osmišljena gliserska plovila sa stepeničastim trupom iza sebe imaju stotine i stotine sati računalnih simulacija i ispitivanja. Ako se napravi greška s položajem ili kutom i visinom stepenice, čak i za vrlo male vrijednosti, plovilo se može ponašati potpuno drukčije nego je zamišljeno. Moguće je analizirati postojeće modele plovila i prilagoditi izvedbu, ali se ne može sa sigurnošću predvidjeti kako će se stepeničasti trup ponašati sve dok se stvarno ne nađe u moru. Valja imati umu da su za gliser osim oblika podvodnog dijela presudni i ukupna masa te položaj težišta.
Budući vlasnici plovila ne bi trebali zazirati od plovila sa stepeničastim trupom jer puno toga mogu dobiti s dobro osmišljenim stepenicama. Ako plovilo dolazi od proizvođača s velikim iskustvom u projektiranju i gradnji takvih plovila, u pravilu se može imati povjerenje da će plovilo imati dobre značajke. Problemi obično nastaju s neprovjerenim projektima i proizvođačima bez prethodnog iskustva pa tako na tržištu postoje modeli plovila koji nisu detaljnije ispitani već proizvođačima služe samo za marketinške svrhe i privlačenje kupaca.
Narednih se godina na tržištu može očekivati sve veći broj ovakvih plovila koja će nuditi povećanu učinkovitost, veću stabilnost, ugodniju vožnju i povećanje brzine. Takva će plovila koštati nešto više i morati će se preispitati neke uvriježene stvari poput prikolica za cestovni prijevoz i sl. Međutim, činjenica je da je stepeničasti trup prisutan na tržištu, a po svemu sudeći tu će i ostati.
Hidrodinamički uzgon
Kada plovilo sa stepeničastim trupom napreduje velikom brzinom, na stepenici će doći do odvajanja strujanja vode slično kao što se događa na krmenom zrcalu jer voda ne može pratiti naglu promjenu geometrije trupa. Zbog toga iza stepenice dolazi do snižavanja tlaka što će uzrokovati da se kroz početak stepenice na zgibu plovila zrak iz atmosfere uvuče u to područje. Na taj način tu nastaje zračni jastuk što se dobro može uočiti iz fotografija stepeničastog trupa ispod vode. Smanjeni otpor jednostavno dolazi zbog manje površine trupa koji je u dodiru s vodom jer zrak sam po sebi daje manji otpor. Voda će se ponovno zalijepiti za trup na nekoj udaljenosti iza stepenice, a ista stvar će se ponoviti na svakoj sljedećoj stepenici dalje prema krmi. Na mjestu gdje se strujanje vode ponovno vrati uz trup nastati će područje povišenog tlaka pa će se tu nalaziti hvatište hidrodinamičkog uzgona koji podiže trup iz vode. Za konvencionalne trupove bez stepenica postoji samo jedno područje povišenog tlaka i samim time jedno hvatište hidrodinamičkog uzgona. Kod stepeničastog trupa, ovisno o broju stepenica, nastaje više pojedinačnih hidrodinamičkih uzgona što će rezultirati većom ukupnom silom uzgona za manju površinu u dodiru s vodom. Ako postoje dvije stepenice, plovilo će imati tri područja povišenog tlaka na ravnim dijelovima između stepenica i praktički će se oslanjati na tri sile hidrodinamičkog uzgona. Budući da su te površine u dodiru s vodom vrlo kratke, ali široke, imati će veći omjer širine i dužine prema nadolazećoj vodi u usporedbi s konvencionalnim trupom bez stepenica koji bi imao veću površinu u dodiru s vodom, ali s manjim omjerom stranica. Oblik ovih površina može se usporediti s podvodnim krilima. Poznato je da krila većeg omjera raspona (širina površine kod stepeničastog trupa) i širine (dužina površine kod stepeničastog trupa) imaju veću učinkovitost pa će stepeničasti trup imati manju površinu u dodiru s vodom te veći omjer hidrodinamičkog uzgona i otpora u usporedbi s konvencionalnim gliserskim plovilom. Stepeničasti trup također doprinosi idealnijem kutu trima u plovidbi, a također djeluje tako da je plovilo manje osjetljivo na promjene u uzdužnom položaju težišta te samim time i na kut trima. Ova povećana stabilnost položaja u uzdužnom smjeru može jako otežati podešavanje trima, čak i uz primjenu trimnih ploča ili interceptora. Jedna od ključnih stvari za plovilo sa stepeničastim trupom je da se projektu mora posvetiti primjerena pažnja kako bi plovilo napredovalo sa željenim trimom.
Pretpostavljajući da će strujanje vode iza stepenice ići vodoravno, mjesto ponovnog dodira vode s trupom nakon stepenice odnosno područje povišenog tlaka može se približno odrediti. Pritom će visina stepenice imati značajan utjecaj na položaj hvatišta i veličinu hidrodinamičkog uzgona. Što je stepenica viša, dužina ventiliranog područja će se povećavati, a pretpostavka vodoravnog strujanja vode će manje vrijediti. Stoga se stvarne visine stepenica postojećih plovila mogu iskoristiti za usporedbu kako bi se osigurala razumna visina stepenice.
Sile hidrodinamičkog uzgona određene su položajem i geometrijom stepenica. Ovisno o broju stepenica, postoji više hidrodinamičkih sila koje moraju uravnotežiti težinu plovila, a dodatno i moment oko težišta plovila. Ovo je osnova za jednadžbe ravnoteže izvedene za položaj plovila tijekom ustaljene plovidbe odabranom brzinom. Položaj stepenica jako ovisi o položaju težišta plovila pa se kao jedna od prednosti stepeničastog trupa može istaknuti da projektant ima veću mogućnost prilagođavanja položaja težih dijelova plovila budući da prema tome može uskladiti položaj stepenica.
Učinkovitost
Veća učinkovitost stepeničastog trupa u usporedbi s konvencionalnim trupom bez stepenica ovisi o tome je li projektant optimizirao trup za najveću brzinu ili je umjesto toga glavni cilj bila kvaliteta plovidbe i rukovanje plovilom. Neki proizvođači tvrde da se može govoriti o najviše 15% ako se radi o prvom, i do oko 7% ako se radi isključivo o drugom cilju. Međutim, prema nekim iskustvima može se zaključiti da samo mali broj plovila premašuje vrijednost od 10%. Podaci su nesigurni jer je dostupan vrlo mali broj brojčanih podataka proizašlih iz izravne usporedbe jednakih trupova sa i bez stepenica, i to za čitavi raspon brzina, a ne samo za najveće. Zbog toga nije lako odrediti za koje se brzine odnosi povećana učinkovitost. Prema nekim pokazateljima, veća učinkovitost stepeničastog trupa postoji za veliki raspon brzina, ali tek nakon što plovilo prijeđe u pravi gliserski režim plovidbe i stepenice dođu do izražaja. Valja znati da će plovilo sa stepeničastim trupom plovidba pri brzinama manjim od brzine kod koje započinje gliserski režim imati veći otpor budući da stepenice nisu ventilirane već umjesto toga povlače vodu što rezultira povećanim otporom.
Premda tih prosječnih 10% za učinkovitost zvuči jako dobro, to nije sve. Na primjer, povećanje brzine od 40 na 44 čvora za istu snagu može donijeti 10% niže račune za gorivo. Međutim, budući da je brzina plovila proporcionalna kvadratu snage, povećanje najveće brzine plovila s trupom bez stepenica zahtijevalo bi povećanje snage od 21%, i to pod uvjetom da se zanemari povećanje mase zbog jačeg i težeg motora. To znači da na dvomotornim izvedbama laganih i brzih plovila, stepeničasti trup može predstavljati početnu točku u krugu učinkovitosti. Stepeničasti trup može osigurati prvih 10%. Nakon toga prijelaz s dva motora na jedan daje dodatnih 25%, prvenstveno zbog nepostojanja otpora drugog motora. Nadalje, nepostojanje drugog motora doprinosi i smanjenju ukupne mase plovila. Pojedini proizvođači tvrde da su neki njihovi modeli sa stepeničastim trupom i jednim motorom jednako dobri kao isti ti modeli s dva motora i trupom bez stepenica. U pravilu, sve prednosti stepeničastog trupa mogu se dobro iskazati na laganim i brzim gliserima gdje masa motora ima veliki udio u ukupnoj masi plovila dok se na većim i težim plovilima tako veliki dobici ne mogu očekivati.
Za i protiv
Osim potencijalnog povećanja učinkovitosti od 10%, ono što obilježava najbolja plovila sa stepeničastim trupom je način na koji se voze i upravljaju. Raspodjela hidrodinamičkog uzgona na više mjesta pruža nekoliko međusobno povezanih prednosti. S većim uzgonom na krmenoj strani, takva plovila napreduju kod manjih kutova trima tako da je vidno polje prema naprijed poboljšano. Na plovilu na napuhavanje s čvrstim dnom s velikim napuhanim pramcem ponekad to može značiti veliku razliku između sigurnog ili otežanog motrenja preko pramca. Ploveći kroz valove plovila sa stepeničastim trupom uvijek mnogo manje posrću i udaraju u valove. U težim vremenskim uvjetima, kada u plovidbi trup za trenutak izađe iz mora, manji kutovi trima znače i vodoravniji "let" te mekše slijetanje na površinu vode jer dublji prednji "V" oblik dna, za razliku od ravnih stražnjih dijelova, bolje podnosi udare. Manje posrtanje i udaranje o valove obično znači i manje prskanja što opet doprinosi boljoj vidljivosti. Neki proizvođači kojima je prvenstveni cilj kvaliteta plovidbe navode da su njihovi trupovi dinamički stabilniji u poprečnom smjeru i da se manje naginju kod skretanja.
Plovidba brzim gliserskim plovilom može biti opasna jer slično kao kod automobila velika brzina može prouzročiti gubitak kontrole. Kod stepeničastog trupa naglo skretanje može uzrokovati probleme jer zbog naginjanja područje iza stepenice može iznenada izgubiti zrak. Ako se to dogodi, sila uzgona će se na jednoj strani dramatično smanjiti što može dovesti i do prevrtanja plovila. Ozbiljnost ovakvih situacija donekle ovisi o izvedbi stepenica, ali govoreći općenito, plovila sa stepeničastim trupom se lakše okreću. Ponekad se kod plovila sa stepeničastim trupom pojavljuje preupravljanje pramca (engl. "bow steering") koja se očituje slično kao kada se kod automobila pojavi zanašanje stražnjeg kraja. To se može dogoditi kada je najveća površina nalazi na pramcu i ujedno je najdublje uronjena. Tada je hvatište hidrodinamičke sile previše naprijed i samo mali pomaci u smjeru djelovanja sile poriva mogu dovesti do oštrog skretanja plovila. Ovakvu pojavu je teško predvidjeti, a uzrok su stepenice te težište plovila daleko naprijed, zajedno s velikim kutom poprečnog nagiba dna na pramcu i malim na krmi. Ako plovilo dolazi od proizvođača s velikim iskustvom u projektiranju i gradnji plovila sa stepeničastim trupom, u pravilu se može imati povjerenje da će plovilo imati dobre značajke. Problemi obično nastaju s neprovjerenim projektima i proizvođačima bez prethodnog iskustva.
Premda dodatni otpor od stepenica pri brzinama koje prethode gliserskom režimu može malo usporiti plovilo sa stepeničastim trupom, obično je prijelaz u gliserski režim mirniji, opet zahvaljujući manjim kutovima trima. Kvalitetna plovila sa stepeničastim trupom uvijek pružaju udobniju plovidbu vožnju u sličnim uvjetima, a kada se želi ubrzati, njihova bolja ravnoteža i mekša plovidba olakšavaju održavanje veće prosječne najveće brzine.
S obzirom da dobro osmišljena plovila sa stepeničastim trupom nude toliko prednosti, zbog čega projektanti gliserskih plovila ne koriste stepeničasti trup za sve svoje projekte? Odgovor bi mogao biti da dobri projektanti to očito rade, ali to uopće nije lak zadatak. Projektant gliserskog plovila već ima mnoštvo varijabli koje treba međusobno pomiriti. Nisu svi projektanti voljni u sva ta razmatranja dodatno uključiti oblik i veličinu stepenica, njihov položaj, zatim hoće li stepenice biti ravne ili zakrivljene, okomite na uzdužnu os plovila ili ukošene prema krmi ili čak i prema pramcu, kako osmisliti usisni otvor na zgibu plovila, hoće li linija kobilice između stepenica ići ravno ili će biti nagnuta, što učiniti s brizgobranima (engl. "spray rails") koji prolaze između stepenica, i dr.
Za plovila sa stepeničastim trupom postoje tri mogućnosti za propulzijski sustav: izvanbrodski motor, krmeni propulzor (kolokvijalno "Z-noga") te propulzijski sustav s djelomično uronjenim brodskim vijkom. Izvanbrodski motor je vrlo prikladan za rad u mješavini vode i zraka. Sustav s djelomično uronjenim brodskim vijkom predstavlja izvrsno rješenje za stepeničasti trup, ali je mala potražnja za takvim sustavom. Međutim, učinkovitost klasičnog sustava s osovinom i vijkom ili gondolskim propulzorom ovisi o tome koliko homogene vode bez uključenog zraka dospijeva na brodski vijak. Ovaj je zahtjev pomalo u suprotnosti sa samom hidrodinamičkom idejom na kojoj se temelji stepeničasti trup.
Plovila mogu imati brojne oplatne prolaze za dobavu vode za hlađenje motora ili generator, bazene za žive mamce i dr. Problem je u tome što zbog postojanja stepenica na oplatne prolaze može dospijevati mješavina vode i zraka zbog koje u brodskim sustava može nastati zračni džep koji će utjecati na protjecanje vode. Kako bi se osigurala dobava homogenom vodom, rješenje je u smještaju oplatnog prolaza negdje ispred prve stepenice. Sličan problem se pojavljuje i sa sondom dubinomjera ili tražilice za ribe koja jednostavno neće raditi pravilno zbog mješavine vode i zraka. Kao i kod oplatnih prolaza, rješenje je u ugradnji sonde negdje ispred prve stepenice kako bi radila u homogenoj vodi.
Stepeničasti trup je skuplji za izradu, možda ne previše kada se gleda ukupno jer se radi o 3% do 5%. Međutim, trošak je ipak veći. Stepenica predstavlja diskontinuitet u strukturi plovila koji treba odgovarajuće premostiti dodatnim ojačanjima unutar trupa. Laminiranje stepeničastog trupa također nije jednostavno, a ovisno o geometriji stepenica lako je moguće da će biti potreban dvodijelni kalup. Nadalje, prisutan je i problem odvodnje kaljužne vode iz plovila koja se može sakupljati ispred stepenica. Na kraju, prijevoz plovila sa stepeničastim trupom cestovnom prikolicom s gumenim valjcima nije uopće jednostavan, a kod korištenja dizalice treba biti posebno pažljiv kako bi se stepenice zaštitile od oštećenja. Podvodni dio plovila sa stepeničastim trupom svakako treba redovito čistiti i održavati bez obraslina.
Povijest
Stepeničasti oblik trupa datira iz sada vrlo daleke 1872. godine kada je velečasni Reverend C. M. Ramus iz Sussexa u Engleskoj objavio rad u kojem objašnjava neku vrstu stepeničastog trupa. Njegove su ideje odbačene kao nemoguće i smiješne u to vrijeme, a teški parni strojevi tog vremena nisu imali dovoljnu snagu za dovođenje plovila do brzina kod kojih bi stepenice došle do izražaja tako da je ideja mirovala do 20-og stoljeća. Razvoj kompaktnih i laganih benzinskih motora utjecao je na razvoj glisera pa su prednosti stepeničastog trupa postale očite. Na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće izgrađen je veći broj natjecateljskih plovila sa stepeničastim trupom koja su imala ravno dno, a bila su namijenjena za plovidbu po mirnoj vodi. Još 1906. godine objavljeni su nacrti za male stepeničaste trupove sa zgibnom formom. Godine 1908. američki inženjer William Fauber dobio je američki patent za trup s više stepenica, a glavna novina bio je "V" oblik dna trupa tako da su ova plovila imala mnogo bolje plovidbene značajke nego ranija natjecateljska plovila. U SAD nije bilo previše interesa pa se preselio u Europu.
Stepeničasti trup se počeo praktično razvijati otprilike u isto vrijeme kada i zgibna forma trupa i shvaćeno je da takvi trupovi mogu biti vrlo hidrodinamički učinkoviti. U ranim danima stepeničastih trupova nije bilo jasno koliko stepenica treba imati plovilo. Neka plovila su imala i pet stepenica, a bilo je i onih s 12 stepenica. Na kraju su testovi s modelima pokazali da bi jedna stepenica bila najučinkovitija ako bi se mogla postaviti na pravom položaju te ako bi imala odgovarajuću visinu.
Jedno od prvih plovila sa stepeničastim trupom koje nije bilo namijenjeno za natjecanja bilo je obalno motorno plovilo ("Coastal Motor Boat - CMB") dužine od 16,8 m, koje je za potrebe službe u Prvom svjetskom ratu razvio Sir J. I. Thornycroft. Ovo je plovilo bilo vrlo brzo, ali je bilo sklono pliskanju (engl. "porpoising") koje je svojstveno mnogim gliserskim plovilima. Pliskanjem se naziva dinamička nestabilnost kada se u plovidbi pramac neprestano podiže i spušta bez nekih vanjskih uzbuda poput valova.
Nakon Prvog svjetskog rata bilo je mnogo ratnih viškova zrakoplovnih motora koji su se mogli nabaviti po razumnim cijenama, a slično je bilo i s lakim brodskim motorima. Bilo je lakše i jeftinije kupiti veliki motor za konvencionalni trup nego razvijati učinkoviti stepeničasti trup. Između 1915. i 1940. godine širom svijeta izgrađeno je mnogo motornih torpednih čamaca i brzih patrolnih čamaca sa stepeničastim trupom. Značajke pojedinih plovila znatno su se razlikovale, a neka su bila vrlo neučinkovita. Napredak u razvoju brzih plovila doveo je do toga da su stepeničasti trupovi ponovo došli u modu krajem 80-ih i početkom 90-ih godina prošlog stoljeća.
