Stateczność jednostek żaglowych

The safety of sail training ships

Wymagania MCA odnośnie stateczności jednostek żaglowych

Żegluga przy wiatrach porywistych i w pogodzie szkwałowej

Any fool can carry on, but it takes a seaman to know when to shorten sail.

Captain David Wood, USCG (Ret.) – b. dowódca żaglowca „Eagle”

 

Wstęp

Żeglarze starszego pokolenia pamiętają zapewne film „White Squall” (Biały szkwał; 1996), w Polsce znany pod mylącym tytułem „Sztorm”.

Rankiem 2 maja 1961 roku żaglowiec „Albatros” został uderzony gwałtownym, bardzo silnym szkwałem i szybko zatonął na pozycji około 100 Mm na północ od Kuby i 180 Mm na zachód od Key West na Florydzie.

„Albatros” został przebudowany z holenderskiego szkunera pilotowego na brygantynę. Przebudowa spowodowała drastyczne przesunięcie środka ciężkości w górę, co pociągnęło za sobą zmniejszenie wysokości metacentrycznej GM o 24 cm , kąta zalewania o jeden stopień, a także zakresu ramion prostujących GZ ze 110° do 57°.

Inny, znany z podobnego fatum żaglowiec „Marques” zatonął dosłownie w sekundy uderzony przez szkwał w czasie regat żaglowców na trasie Bermudy – Halifax w czerwcu 1984. Zbudowany w Walencji (Hiszpania) w 1917 roku drewniany żaglowiec był także kilkakrotnie przebudowywany. Początkowo był oryginalnym szkunerem lewantyńskim (czyli z akwenu Morza Śródziemnego), potem przebudowano go na tak zwaną brygantynę „polacca”, a w końcu na bark. Ostatni armator, niestety, nie uznał, że zmiany w konstrukcji wymagały stanowczo nowego przeliczenia i zbadania stateczności żaglowca. Efekt końcowy jest znany!

W maju 1986 uderzona przez szkwał zatonęła pierwsza replika baltimorskiego klipra „Pride of Baltimore”. Oryginalnie żaglowce tego typu miały żeglować bardzo szybko, a stateczność była na dalszym planie.

Historia powstania

W związku ze wspomnianymi wyżej wypadkami morskimi jednostek żaglowych brytyjska organizacja rządowa, zajmująca się między innymi bezpieczeństwem i statecznością statków morskich, w tym także żaglowych – Maritime and Coastguard Agency (w skrócie MCA) pod koniec lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku zleciła firmie Wolfson Unit MTIA z Southampton badania nad znalezieniem prostej, szybkiej i najbardziej praktycznej metody ocenienia stateczności jednostek idących pod żaglami.

Badania prowadzono w basenach modelowych na modelach jachtów i żaglowców. Między innymi do badań użyto modelu brytyjskiego żaglowca dla niepełnosprawnych „Lord Nelson” (patrz zdjęcie).

Założenia

Metoda z założenia ma dać kapitanowi żaglowca możliwość szybkiej oceny bezpieczeństwa jednostki poprzez kontrolę maksymalnego dozwolonego dla niej stałego kąta przechyłu.

W czasie ryzyka porywu wiatru lu uderzenia szkwału kontrola tego typu pozwala na uniknięcie przechyłu zbliżonego do kąta zalewania. Przy kącie zalewania następuje szybkie nabieranie dużej ilości wody do wnętrza jednostki, co może zakończyć się jej zatopieniem.

W każdej oficjalnej „Informacji o stateczności statku” – dotyczy to także jachtu – musi być podany także kąt zalewania (ang. downflooding angle).

Niektóre żaglowce – dla zapewnienia bezpieczeństwa – zostały tak skonstruowane, że ich kąt zalewania jest bardzo duży. Do tej grupy należą między innymi znane nam żaglowce polskie: „Pogoria”, „Iskra II”, „Fryderyk Chopin”.

Twórcy metody zdecydowali, że w takiej sytuacji trzeba przyjąć jakiś inny mniejszy, optymalny kąt, który powinien być kątem zarówno bezpiecznym jak i granicznym.

Gdy kąt zalewania przekracza 60°, autorzy metody zdecydowali się na przyjęcie kąta 60° jako kąta granicznego.

Sama obserwacja stałego, lub uśrednionego kąta przechyłu nie wystarcza, aby ocenić ryzyko zbyt dużego przechyłu prowadzącego do wywrotki i zatopienia jachtu.

Drugą bardzo ważną informacją jest stała prędkość wiatru wiejącego w czasie obserwacji. Zaznaczam: chodzi tu o prędkość wiatru stałego (lub uśrednionego, gdy różnica wahań w odczycie jest niewielka, rzędu paru węzłów).

Trzecią informacją potrzebną do oceny bezpieczeństwa jest obserwacja pogody i jej prognoz, zarówno widocznych bezpośrednio na niebie, jak i podawanych poprzez radio oraz systemy, takie jak przykładowo NAVTEX.

Przy zagrożeniu porywem, czy też szkwałem metoda ocenienia stateczności pozwala na ocenę ryzyka zatopienia żaglowca bazując na trzech wyżej wymienionych informacjach.

Można śmiało powiedzieć: aż trzech!

Ale można powiedzieć też: tylko trzech!

 

Model stability booklet for sail training ships between 15 metres and 24 metres in length (Zalecana informacja o stateczności dla kapitanów żaglowych statków szkolnych o długości od 15 do 24 metrów)

Opisywana metoda ocenienia stateczności została przyjęta, zaakceptowana oraz opublikowana przez brytyjski Departament Transportu w 1990 roku w publikacji „Model stability information booklet for sail training ships between 15 metres and 24 metres in length”.

     

Strona tytułowa i strona pierwsza publikacji (pierwsze wydanie, Londyn 1990) – z biblioteki autora opracowania

 

Najnowsza wersja tejże publikacji (październik 2019) jest dostępna bezpłatnie w Internecie na stronie: assets.publishing.service.gov.uk

Na wstępie autorzy zaznaczyli, że chociaż publikacja zawiera rekomendowana metodę prezentowania informacji o stateczności dla jednostek o długości od 15 do 24 metrów , to jednak zaleca się jej stosowanie również na jednostkach dłuższych.

Wszyscy polscy kapitanowie i oficerowie jachtowi, którzy chcą uzyskać odpowiednie certyfikaty brytyjskie do prowadzenia sportowych statków żaglowych, powinni znać opisywaną metodę oraz wykazać się biegłą znajomością korzystania z dołączonych wykresów.

Sądzę, że pełne wytłumaczenie zasad opisywanej metody, zrozumienie jej założeń, a także umiejętność posługiwania się wykresami jest konieczne i na czasie.

Metoda jest umieszczona i opisana w informacjach statecznościowych dla jachtów pod banderami Wspólnoty Brytyjskiej (the British Commonwealth of Nations).

Samodzielne obliczenie i wykreślenie wykresów omawianej metody dla konkretnego jachtu lub żaglowca, nie jest czynnością skomplikowaną dla przeciętnego żeglarza. Wystarczy znajomość zasad metody oraz obsługi jednego z programów kalkulacyjnych, przykładowo MS Excel.

 

Założenia dla obu wykresów użytych w omawianej metodzie

  1. Jak już pisałem w poprzednim opracowaniu, Brytyjczycy rozróżniają „porywy wiatru” i „szkwały”.
  2. Poryw wiatru jest przewidywalny, szkwał nie!
  3. Do obliczeń przyjmowane są wartości wiatru pozornego (nie rzeczywistego).
  4. Przyjęto zasadę, że moment przechylający od wiatru jest proporcjonalny do ciśnienia wywołanego wiatrem i rośnie do kwadratu jego prędkości.
  5. Każdy statek – w tym jacht i żaglowiec – ma sporządzone dla każdego z jego GŁÓWNYCH stanów załadowań wykresy ramion prostujących GZ (krzywe Reeda), wysokości metacentryczne GM, kąty zalewania.
  6. Wykresy ramion prostujących GZ , wysokość metacentryczna GM dla stanów pośrednich może obliczyć i wykreślić kapitan lub wyznaczony oficer (z zasady I oficer) – na bazie znajomości rozłożenia ciężarów na statku, oraz korzystając z informacji odczytanych z krzywych hydrostatycznych jednostki. Dla jednostek sportowych, bez ładunku, korzystanie z jednego, najbardziej przybliżonego, stanu załadowania jest w zupełności wystarczające!

GZf jest ramieniem krzywej ramion prostujących GZ dla kąta zalewania Qf lub kąta 60° (jak już wspomniano wcześniej: w zależności, który z nich jest mniejszy).

Bardzo ważną informacją, pozwalająca zrozumieć ideę budowy wykresów, jest założenie, że dla przyjętego kąta granicznego (kąta zalewania, albo 60°) ramię prostujące GZf jest równe co do wartości ramieniu przechylającemu od wiatru i to niezależnie czy w czasie porywu, czy szkwału.

Znając tę jedną wartość ramienia przechylającego można z łatwością policzyć CAŁĄ krzywą ramion przechylających od wiatru.

Gdy jednostka żaglowa przechyla się na wskutek działania wiatru – z każdym stopniem przechyłu moment przechylający zmniejsza się w zakresie kątów (θ): od 0° (jacht w pionie) do 90° (leży masztami w wodzie.)

Zmniejszanie momentu nie jest liniowe a zmienne. Zmiana jest zbliżona do funkcji cosinus do potęgi 1,3 (cos1.3 ), co jest najbliższe rzeczywistości.

Polski Rejestr Statków przyjął, że moment / ramię od działania wiatru zmniejsza się w funkcji cos2.

Takie założenie przyjął Friedrich Ludwig Middendorf (1842-1903), dyrektor techniczny Des Germanischer Lloyd SE, w swojej – klasycznej w literaturze stoczniowej pracy – „Bemastung und Takelung der Schiffe”  opublikowanej w 1903 roku  (ostatni reprint w roku 2005).

Badania firmy Wolfson Unit MTIA z Southampton zmieniły pogląd na zmianę momentu od wiatru wraz ze wzrostem przechyłu jednostki.

Różnice w przebiegu krzywych cosinus, cosinus do kwadratu i cosinus do potęgi 1,3

 

Moment przechylający od działania wiatru liczony jest według wzoru:  

HM = HM0cos1.3 θ    (gdzie HM0 jest momentem dla statku bez przechyłu, w pionie)

Gdzie:

HM = Heeling Moment (moment przechylający)

HM0 = Heeling Moment for list 0° (moment przechylający dla kąta przechyłu 0°)

Θ = kąt przechyłu w stopniach

cos1.3 = ten wykres najlepiej oddaje działanie wiatru na żagle, gdy żaglowiec się przechyla

HA = Heeling Arm (ramię przechylające)

HA = HM / D (ramię przechylające = moment przechylający dzielony przez wyporność)

 

Idea konstrukcji wykresu Maximum Steady Heel Angle to Prevent Downflooding in Gusts (największy dozwolony kąt przechyłu zapobiegający zalaniu jednostki przy porywie wiatru)

Jeżeli ramię przechylające dla każdego z kątów przechyłu liczymy według wzoru:

HA1 = GZf / cos1.3 Θ

 

to ramię dwukrotnie mniejsze należy liczyć z poniższego wzoru:

HA2 = 0,5 x HA1 x cos1.3 Θ

 

Krzywa ramion HA2, przecinając wykres ramion prostujących GZ, wyznacza żądany kąt maksymalnego rekomendowanego stałego przechyłu.

 

Porywy wiatru – wykres i instrukcja jego użycia

Każda jednostka ma swój własny, obliczony i sporządzony tylko dla niej wykres Maximum Steady Heel Angle to Prevent Downflooding in Gusts.

Z tego właśnie wykresu należy odczytać maksymalny stały kąt przechyłu, którego nie powinno się przekroczyć żeglując przy wietrze porywistym. Jest on wskaźnikiem, że dalsze niesienie takiej właśnie liczby żagli może w przypadku porywu wiatru spowodować przekroczenia kąta zalewania statku, a co za tym idzie – utopienie żaglowca

Reasumując:

  • Jak wiemy z praktyki, podczas żeglugi przy stałym wietrze jacht przechyla się tylko do kąta, przy którym krzywa ramion przechylających przecina się z krzywą ramion prostujących GZ. Powstaje wtedy równowaga momentów.
  • Wiadomo też, że moment przechylający rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości wiatru, czyli wiatr, którego prędkość wzrośnie chwilowo do 1,414 prędkości przed podmuchem, spowoduje moment przechylający aż dwukrotnie większy (1,4142 x 1,4142 = 1,9999, a więc możemy przyjąć 2).
  • Taki wiatr, którego prędkość wzrosła chwilowo 1,4142 razy (a moment przechylający 2 razy), nazywa się podmuchem (ang. gust).
  • Konstruktor jachtu obliczył (można to też zrobić samemu) i podał nam w „Informacji o stateczności jednostki” dwa wykresy: pierwszy – dla wiatru w porywie, czyli takiego, który przechyli jacht do kąta zalewania, lub 60° (który to kąt musiał zostać wybrany; pisałem o tym wcześniej), oraz drugi – dla wiatru dwukrotnie słabszego.
  • Jak można łatwo zauważyć: krzywa momentu przechylającego od wiatru, tego dwukrotnie mniejszego, przecina się przy pewnym kącie z krzywą ramion prostujących.
  • Ten kąt należy zapamiętać, bo jego wartość pokazuje nam kąt przechyłu granicznego, bezpiecznego, którego nie wolno przekraczać przy wiatrach porywistych – gdy przechył zbliża się do tego kąta, należy zacząć redukcję żagli lub refować.
  • Każda jednostka żaglowa ma swój rekomendowany kąt graniczny pokazany na wykresie (ang. Maximum Recommended Steady Heel Angle). W przykładzie podanym niżej jest to kąt 27°.

Przykładowy wykres maksymalnego kąta przechyłu, aby uniknąć zalania statku przy wietrze porywistym

 

Poszukiwany maksymalny kąt stałego przechyłu wskazujący ryzyko nabierania wody w przypadku porywu wiatru

 

Żegluga w warunkach szkwałowych – wykres i instrukcja jego użycia

Drugim wykresem umieszczonym przez MCA w informacji o stateczności statku żaglowego jest wykres krzywych maksymalnego kąta przechyłu zapobiegających zalaniu w szkwałach (Curves of Maximum Steady Heel Angle to Prevent Downflooding in Squalls).

Dla uproszczenia omawiane krzywe nazwałem „krzywymi szkwałowymi”.

Ten wykres jest bardziej skomplikowany w budowie, obliczeniach oraz wykreślaniu od omówionego wcześniej wykresu dla żeglowania przy wietrze porywistym, aczkolwiek przyjęto potrzebę znajomości dokładnie tych samych trzech informacji co poprzednio, czyli:

1) stałego, lub uśrednionego kąta przechyłu,

2) prędkości wiatru stałego mierzonej przed szkwałem,

3) obserwacji wzrokowej chmur, nieba, pogody oraz analizowanie prognoz pogody.

I, jak podałem już wcześniej, na bazie tych trzech informacji można ocenić ryzyko wywrotki, lub zatopienia żaglowca, tym razem podczas uderzenia szkwału.

Jakiego szkwału, o jakiej prędkości podanej w węzłach?

Tu, niestety, decyzja należy od nas: sami musimy zdecydować, jak silnego szkwału się obawiamy i którą z krzywych wybrać.

Z zasady na wykresie są wykreślone trzy krzywe: dla szkwału 30-, 45- oraz 60-węzłowego. Czasami dodana jest krzywa dla szkwału 75- węzłowego.

Wybór musi być oparty na bazie informacji otrzymanych ze wszystkich dostępnych nam źródeł.

Przykładowy wykres krzywych maksymalnych kątów przechyłu, aby uniknąć zalania statku w szkwałach

 

O czym należy wiedzieć czytając omawiany wykres?

  • Krzywe maksymalnego kąta przechyłu podają zasięg stałych lub uśrednionych kątów przechyłu statku żaglowego, których przekroczenie powoduje zalewanie jednostki w szkwale.
  • Do wykresu wchodzimy odczytanym z przechyłomierza stałym, lub uśrednionym kątem przechyłu (na osi pionowej) oraz uśrednioną prędkością stałego wiatru pozornego w węzłach (na osi poziomej). Pomiary / obserwacje powinny być dokonywane w miarę często przed nadejściem spodziewanego szkwału.
  • Punkt przecięcia się obu linii (poziomej i pionowej) wskazuje, czy jacht (żaglowiec) jest narażony na niebezpieczny przechył i ewentualne nabieranie wody w przypadku szkwału o takiej a takiej prędkości wiatru.
  • Bardzo ważny jest kurs w stosunku do wiatru, wygląd chmur, nieba, otrzymane prognozy pogody – patrz wyjaśnienia w przykładach podanych poniżej.
  • Należy zdawać sobie sprawę, na jakiej wysokości ponad powierzchnią morza jest zamontowany system pomiaru prędkości wiatru. Pamiętać trzeba, że skala Beauforta podaje prędkość wiatru dla wysokości 10 metrów nad powierzchnią morza, a nie np. 30 m n.p.m. , na jakiej z zasady montowany jest „wiatraczek” aerometru na żaglowcu. Im wyżej, tym wiatr jest silniejszy, powiedzmy średnio o około 10 procent.
  • Żegluga statkiem żaglowym w warunkach, gdy istnieje poważne ryzyko silnych szkwałów, a szczególnie w ciemnościach, wymaga zwiększenia zapasu bezpieczeństwa, czyli zmniejszenia maksymalnego stałego kąta przechyłu przez wcześniejszą redukcję ożaglowania.
  • Na wykresie jest także zaznaczony – linią poziomą – maksymalny stały kąt przechyłu, ostrzegający nas przed ryzykiem rozpoczęcia nabierania wody w przypadku porywu wiatru.
  • Należy jak najszybciej zorientować się, w jakiej strefie znajduje się przecięcie obu linii: bezpiecznej, czy też niebezpiecznej – i wtedy podjąć prawidłową decyzję, co robić z żaglami.
  • Każda z krzywych dla poszczególnych prędkości wiatru w szkwale (jak wspomniałem wyżej: zwyczajowo kreśli się dla 30 węzłów, 45 węzłów i 60 węzłów) dzieli obszar na część bezpieczną (poniżej krzywej, z jej prawej strony, nazwaną po angielsku: Not vulnerable to downflooding In this region) i niebezpieczną (powyżej krzywej, z jej lewej strony, nazwaną na brytyjskim wykresie: Vulnerable to squalls in this region). W części niebezpiecznej możliwy jest przechył (pod wpływem szkwału) powyżej kąta zalewania wnętrza jachtu. Jacht – który przy danej stałej sile wiatru żegluje ze stałym przechyłem większym niż dla tej siły wiatru, którą wskazuje krzywa na wykresie (powyżej krzywej odpowiadającej prognozowanej prędkości możliwego szkwału) – powinien zredukować ożaglowanie tak, aby zmniejszyć stały przechył do bezpiecznego poziomu. Wyboru krzywej dokonuje się biorąc pod uwagę prognozę pogody i sytuację meteorologiczną oraz sposób żeglugi.

 

Wykres krzywych maksymalnych kątów przechyłu, aby uniknąć zalania statku w szkwałach – dla poniższych przykładów:

 

Przykład A. Jacht żegluje półwiatrem przy stałej prędkości wiatru 16 węzłów. Średni kąt przechyłu wynosi 15°. Prognoza pogody oraz widoczne chmury typu cumulonimbus sugerują, że w każdej chwili może uderzyć szkwał. Na przecięciu wartości stałego kąta przechyłu i prędkości wiatru pozornego znajdujemy punkt A. Wskazuje on, że statek przechyli się w szkwale o prędkości wiatru 30 węzłów do kąta zalewania jednostki, czyli będzie niebezpieczeństwo zalania wodą.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo i nie zalać statku przy szkwałach o prędkościach wiatru do 45 węzłów – żagle należy zarefować, lub część ich sprzątnąć tak, aby średni kąt stałego przechyłu osiągnął 7°, lub nawet mniej (punkt A’).

Przykład B. Ten sam jacht żegluje bejdewindem (ostro na wiatr) w warunkach przy wietrze porywistym. Prędkości wiatru pozornego jest 30 węzłów, a średni kąt przechyłu wynosi 20°. Nie ma oznak szkwalistej pogody. Przechył jednostki jest znacznie mniejszy niż kąt 27° (czyli od największego dozwolonego kąta przechyłu dla tego jachtu), w związku z tym istnieje duży zapas bezpieczeństwa wobec zalaniu statku w silnym szkwale.

Przecięcie wartości prędkości wiatru oraz kąta stałego przechyłu (punkt B) także wskazuje, że jacht – przechylając się przy szkwałach osiągających 50 węzłów – nie będzie narażony na zalewanie. Nie ma powodu do redukcji niesionych żagli.

Wykres krzywych maksymalnego stałego kąta przechyłu w przypadku szkwału. Sektory niebezpieczne zaznaczono na czerwono, a bezpieczne na zielono

 

Jak samemu zrobić w MS Excel wykresy maksymalnych stałych kątów przechyłu dla konkretnego jachtu, żeglując przy wietrze porywistym i szkwalistym – w następnym odcinku.

 

/Korekta redakcyjna: Kazimierz Robak/

2020-05-16