Patrycja Jursza
Inżynieria Mechaniczno- Medyczna
Semestr III grupa 1
Dobór materiałów konstrukcyjnych dla jednostki przeznaczonej do regat
śródlądowych  jacht typu slup, klasy OMEGA.
Przedmiotem moich rozważań będzie dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych dla
jednostki pływającej przeznaczonej do regatowego ścigania. W dobie XXI wieku współczesne sporty
wodne opierają się głównie na nowoczesnych materiałach, umożliwiających uzyskiwanie przewagi
nad rywalami. Niejednokrotnie nie umiejętności, czy warunki pogodowe decydują o tryumfie w
zawodach, a dobrze dobrane materiały z których wykonane są poszczególne podzespoły, nadające
konstrukcji odpowiednią stateczność, wytrzymałość ale przede wszystkim lekkość i szybkość.
Rozpocznę od wyjaśnienia oraz charakterystyki jachtu typu slup, klasy OMEGA.
Ten enigmatyczny, jak na pierwszy rzut oka termin slup określa typ jednostka pływająca
o napędzie żaglowym, posiadająca jeden maszt - grotmaszt. Jej podstawowym
ożaglowaniem jest grot (większy żagiel po lewej stronie masztu) oraz podnoszony na
sztagu fok (mniejszy żagiel po prawej stronie masztu). Ożaglowanie typu
bermudzkiego (rodzaj ożaglowania skośnego z trójkątnym żaglem przymocowanym
do masztu i bomu).
Poniższe dane ilustrują aspekty techniczne jednostki klasy OMEGA:
WYMIARY POWIERZCHNIA OŻEGLOWANIA
dÅ‚ugość caÅ‚kowita: 6,20 m caÅ‚kowita: 15 m²
szerokość caÅ‚kowita: 1,80 m grot: 9 m²
zanurzenie: 0,16 m fok: 6 m²
zanurzenie z mieczem: 0,96 m spinaker: ok. 18 m²
wysokość masztu: 8,30 m
masa całkowita: 320 kg (minimalna 250 kg)
rodzaj stateczności: typu mieczowe
załoga: w czasie oficjalnych regat 3
Przejdę teraz do treści właściwej mojej pracy, czyli do doboru konkretnych materiałów oraz
technologii do odpowiednich podzespołów jednostki pływającej. Niewątpliwie jedynym czynnikiem
ograniczającym twórczość konstruktora, czyli moją skromna osobę, jest całkowity koszt
przedsięwzięcia. Jednak nie od dzisiaj wiadomo, iż tak drogi sport jakim jest żeglarstwo nie miałby
racji bytu, gdyby nie grono sponsorów, fanatyków oraz miłośników sportów wodnych. Dlatego przy
doborze materiałów konstrukcyjnych przedstawię materiały najwyższej klasy, ale także niekiedy
wygórowanych cenowo.
Kadłub to serce jednostki pływającej, to konstrukcja stanowiąca całkowite rusztowanie oraz
element główny jachtu. Musi posiadać kilka fundamentalnych cech, sprawiających, iż w ogóle
jednostka mogła się poruszać po akwenie wodnym. Z pośród wszystkich rodzajów i podtypów
kadłubów, ja do mojej jednostki wybrałam kadłub pojedynczy. To konstrukcja składająca się z
usztywnień wykonanych z kształtowników i jednej warstwy poszycia. Całość poszycia wykonana jest z
laminatu uformowanego w odpowiedniej formie wykonanej z drewna sosnowego  kopyta. O
następujących parametrach:
przekrój poprzeczny kadłuba: okrągłodenne
kształt dziobu (przód): łyżkowy
kształt rufy(tył): szpicgat
Dlaczego właśnie laminat i co to w ogóle jest?
Laminat to rodzaj kompozytów - tworzywa powstające z połączenia dwóch materiałów o
różnych właściwościach mechanicznych, fizycznych i technologicznych, w których składnik
wzmacniający jest układany w postaci warstw, między którymi znajduje się wypełnienie, spełniające
rolę lepiszcza. Warstwy wzmocnienia mogą być w postaci włókien ciągłych ułożonych
jednokierunkowo Laminat, ze względu na swoją strukturę, ma dobrą wytrzymałość w kierunku
włókien, ale bardzo słabą wytrzymałość w kierunku prostopadłym do warstw. Poniże właściwości
opowiadają się za słuszności dobór właśnie takiego materiału:
·ð wysoka wytrzymaÅ‚ość mechaniczna
·ð wysoka odporność na warunki atmosferyczne
·ð wysoka twardość powierzchni
·ð odporność na zabrudzenia
·ð odporność na Å›rodki chemiczne
·ð produkt naturalnego pochodzenia
Mój laminat składa się z polimerów termoutwardzalnych, mianowicie poliestrów
wzmocnionych włóknami węglowymi w osnowie żywicy epoksydowej, nadającymi konstrukcji
lekkość, przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości i sztywności konstrukcji. Całość wykonana została
przy użyciu technologii laminowania próżniowego, polegającego na tym, iż zbrojenie - w moim
wypadku jest to włókno węglowe - układa się w formie ówcześnie pokrytej środkiem
antyadhezyjnym a następnie całość pokrywa się żywicą. Na laminat nakłada się następujące
warstwy:
1. antyadhezyjnÄ… foliÄ™ porowatÄ…, (przez malutkie otworki znajdujÄ…ce siÄ™ w tej folii nadmiar
żywicy znajdujący się w laminacie przepływa do kolejnej warstwy  tkaniny chłonnej),
2. tkaninę chłonną ("oddychającą ), pochłaniającą nadmiar żywicy,
3. folię (tzw. worek próżniowy) odporny na wysokie temperatury umocowaną do brzegu
formy za pomocÄ… uszczelki silikonowej.
Opcjonalnie pomiędzy laminat a folię porowatą można zastosować specjalną tkaninę zwaną
delaminarzem. Przez otwór w folii wprowadzona jest rurka podłączona do pompy próżniowej.
Zarówno część podwodna nazywana czasami kadłubem żywym jak i pas zmiennego zanurzenia 
cześć kadłuba, która ze względu na zmieniające się środowisko pracy jest najbardziej narażona na
korozję - zostanie pokryta następującymi warstwami ochronnymi w podanej kolejności:
1. Pigmentem blaszkowym z aluminium tworzÄ…cym barierÄ™ antykorozyjnÄ… wysokiej
skuteczności.
2. Farba Podkładowa czyli preparat wodorozcieńczalny na bazie dyspersji kopolimeru
akrylowego, zawierający środki pomocnicze, wypełniacze mineralne, pigmenty organiczne -
butylodiglikol oraz wodÄ™.
3. Farba antyporostowa czyli pigment na bazie teflonu wzbogaconego fazami tlenku miedzi.
Natomiast część nadwodna we wstępnym etapie formowania zostanie pokryta żywicą z bielą
tytanową - żelkotem. Warstwa ta jest nanoszona zaraz po woskach umożliwiających póz
niejsze
wyjęcie formy, jako pierwsza w kopycie.
Kiedy mamy już gotowy kadłub należy przejść do tzw. okucia czyli wykonania masztu, want,
salingów, zbieraczy, sztagów, topenant czy chociażby innego rodzaju mocowań masztu. Z racji faktu,
iż maszt musi być sztywny i wytrzymały stawiać opór niesprzyjającym warunkom pogodowym (wiatr,
woda), a jednocześnie bardzo lekki, zdecydowałam się na wybór włókna węglowego w opozycji z
żywicą epoksydową. Przymocowany do pokładu zostanie za pomocą metalowego okucia z domieszką
tytanu. Wszelkiego rodzaju omasztowanie, czyli metalowe linki utrzymujÄ…ce maszt w pozycji
pionowej powinny zostać wykonane ze stalowych lin nierdzewnych zawierających następujący skład
procentowy pierwiastków:
C Si Mn P S Cr Ni Mo
0,07 % 1 % 2% 0,04 % 0,015% 16 -18 % 10-13 % 2-3 %
Ożaglowanie to główny motor napędowy łódki. W jachcie klasy Omega występują 3 rodzaje żagli
mianowicie: największy grot umieszczony na bomie (wykonany z takiego samego materiału co maszt)
oraz zamiennie stosowany żagiel przedni fok lub spinaker w zależności od kierunku wiatru.
Optymalnym, lecz równie nowoczesnym rozwiązaniem materiału z którego będą wykonane żagle, jaki
zaproponuje będzie Kevlar. Jest to polimer z grupy poliamidów, a dokładniej aramidów, z którego
przędzie się włókna sztuczne o bardzo wysokiej odporności mechanicznej na rozciąganie. Nie
rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych. Jest około 5 i pół razy lżejszy od stali - jego gęstość
wynosi 1,44 g/cmł. Kevlar zawdzięcza swoją wytrzymałość głównie sposobowi przędzenia włókien.
Włókna te wyciąga się ze stopionego kevlaru, który generuje w stopie fazę ciekłokrystaliczną. Dzięki
temu, wyciągane włókno wykazuje bardzo wysoki stopień organizacji cząsteczek, nieosiągalny w
przypadku przędzenia włókien ze zwykłego poliamidu. Uporządkowanie ciekłokrystaliczne jest
"zamrażane" w stanie stałym dzięki występowaniu licznych wiązań wodorowych, które powstają w
trakcie krzepnięcia włókien spontanicznie pomiędzy polarnymi grupami amidowymi (-CO-NH-).
Sposób połączenia żagli z masztem i sztagiem nastąpi za pomocą dwóch mechanizmów. Grot
zostanie przymocowany do masztu przy pomocy szyny montowanej za pomocą pełzaczy do likszpary.
Likszpara to specjalny rowek w powierzchni specjalnego elementu osprzętu żaglowego, ciągnący się
w linii całej długości masztu, posiadający węższą szczelinę i szersze wnętrze. Natomiast fok i spinaker
zostaną umocowane na sztagach przy pomocy pełzaczy. Są to w wózki wykonane ze wzmacnianego
plastiku, zabezpieczonego przed działaniem promieni UV, posiadają ślizgi z materiału poliksymetylen,
które gwarantują redukcję tarcia. Wózki wysokowytrzymałe wykonane są z głęboko anodowanego
aluminium oraz posiadają ślizgi z poliksymetlenu.
Olinowanie to wszelkiego rodzaju liny drobniejsze i masywniejsze służące do obsługi przede
wszystkim ożaglowania jednostki. Z racji faktu, iż moja łódka posiada charakter sportowy a
eksploatacja lin w ferworze walki jest prawie 1000 krotnie większa, aniżeli w przypadku łodzi
turystycznych, dlatego materiał z którego zostaną wykonane liny musi odznaczać się wysoką
odpornością na ścieranie. Dokładnie dobrana długość i średnica liny jest elementem niezbędnym do
uzyskiwania optymalnych ustawień poszczególnych podzespołów takich jak np. żagle, miecz itp.
Optymalnym zestawieniem do łódki klasy OMEGA są:
·ð szoty (linki sÅ‚użące do prowadzenia żagli) majÄ…ce Å›rednicÄ™ 10 milimetrów, skÅ‚adajÄ…ce siÄ™ z
trzonu wykonanego z poliestru o wysokiej odporności oraz pokrycia z poliestru o wysokiej
odporności, plecione w stosunku 2:2 o wytrzymałości 3000kg i rozciągliwości roboczej <5%.
·ð faÅ‚y (linki sÅ‚użące do instalacji jak i dezinstalacji żagli) powinny mieć Å›rednicÄ™ 8 milimetrów.
Składające się z trzonu wykonanego z polietylenu o ultra wysokiej masie cząsteczkowej i
dodatkowym splotem, oraz pokrycia z poliestru o wytrzymałości 2000kg i rozciągliwości
roboczej <3%.
·ð Lina cumownicza wykonana z polipropylenu i poliestru. Poliester ma duże znaczenie dla
udz
wigu, jak również rozciągliwości włókien oraz odporności na ścieranie. Liny z polipropylenu
cechują się: nie wchłanianiem wody oraz pływalnością. Średnica 12 milimetrów.
·ð Inne olinowanie to liny budowÄ… i strukturÄ… identyczne do szotów jednak o mniejszej Å›rednicy od 5 -7
milimetrów.
Urządzenia służące do sterowania jednostką tj: ster, płetwa sterowa oraz płetwa mieczowa.
·ð PÅ‚etwa mieczowa  w przypadku łódek regatowych jest to typ obrotowy z racji najszybszej i
najwygodniejszej obsługi odbywającej się za pomocą rąk. Płetwa mieczowa, tak jak i płetwa
sterowa musi być odporna na uszkodzenia mechaniczne oraz czynniki środowiska w którym
pracuje. Wykonana jest z takiego samego materiału co laminat kadłuba i dodatkowo pokryta
warstwami ochronnymi takimi, jak jego część podwodna.
·ð Ster czyli pÅ‚etwa sterowa, rumpel i przedÅ‚użka. PÅ‚etwa sterowa zostaÅ‚a opisana wyżej
natomiast rumpel i przedłużka to elementy pracujące na powierzchni mające nieustanny
kontakt z ręką sternika, wykonane są z materiału lekkiego, odpornego na zbędne czynniki
zewnętrzne środowiska, w tym odporne na korozję oraz wilgoć. Wykonane są zazwyczaj z
drewna tikowego impregnowanego specjalnym środkiem zawierającym: aminy alifatyczne,
pochodne alkoholi, związki miedzi oraz propikonazol. Natomiast przedłużka wykonana jest z
rurki aluminiowej o średnicy 16 milimetrów, masie 178 gram, anodowanej na czarno w celu
zapobieganiu korozji. Antypoślizgowy uchwyt z gumowej pianki nie wchłania wody,
zapewniając doskonały chwyt. Jednocześnie pozwala na dobre wyczucie steru niezbędne do
odpowiedniego dobrania żagli, rozłożenia balastu i kontroli kąta przechyłu.
Drobny osprzęt ułatwia obsługę żagli oraz całej jednostki pływającej. Załoga, która posiada
najnowocześniejsze rozwiązania techniczne wygrywa regaty. Dlatego zastosowanie najnowszych
materiałów umożliwia usprawnienie całokształtu poczynań załogi.
Głównymi przyrządem jest łożyskowany roler , który pozwala zmniejszyć opory w powietrzu i
uzyskać wolną przestrzeń na dziobie, ułatwiając cumowanie i kotwiczenie. Dzięki zastosowaniu rolera
można również zachować optymalny kształt i wydajność żagla. Dzięki niemal wodoszczelnemu
przegubowi kulowemu w punkcie przejścia przez pokład bęben zawsze pozostaje w jednej linii ze
sztagiem. Pozwala na refowanie(skracania) żagla.
Kolejnym elementem ułatwiającym prowadzenie żagli są kabestany. Moje kabestany regatowe
posiadają wysoką moc przy jak najmniejszej wadze. Kabestany posiadają łożyska rolkowe wykonane z
polieteroeteroketonu o wysokiej wytrzymałość mechaniczna i sztywności. Odznaczają się również
doskonałą odpornością chemiczną. Są także odporne na korozję. Mają również bardzo wysoką
odporność na ścieranie oraz posiadają niski współczynnik tarcia. Ponadto nie wymagają smarowania.
Całość umieszczona jest w szerokich bębnach o podstawach aluminiowych.
Bloczki, prowadnice, karabińczyki, szekle, knagi, pieski, kluzy, kipy, ściągacze roler foka, wózki,
wszelkiego rodzaju śrubki, zatyczki, itp. Powinny zostać wykonane ze stali nierdzewnej, czyli
mieszanina żelaza z węglem i zawartością chromu przekraczającą 13 %, celem zapobieganiu korozji,
spowodowanym działaniem środowiska zewnętrznego.
Tak piękna dziedzina sportu wyczynowego, jakim jest niewątpliwie żeglarstwo posiada
wieloletnią tradycje. Jednak nawet najstarsi żeglarze wiedzą o tym, iż trzeba iść z duchem czasu. Nie
można uparcie trzymać się wciąż tych samych rozwiązań. Każdy kapitan traktuję swoja jednostkę, jak
pływające dzieło sztuki i pragnie, ażeby to właśnie ona była najbardziej zaawansowana technicznie, a
jednocześnie posiadała nutkę oryginalności. Tak samo jest z doborem materiałów konstrukcyjnych,
gdyż jak głosi stara prawda żeglarska:  Nauka jest jak okręt na burzliwym oceanie, wie z którego
portu płynie, ale nigdy nie wie dokąd zmierza . Dlatego tylko od inwencji twórczej projektantów
zależy jaka grupa materiałów w danej chwili, stanie się najodpowiedniejszym materiałem dla danego
projektu&
BIBLIOGRAFIA:
Ashaby Michael  Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim
Adamiec Piotr, Dziubiński Jerzy  Wybrane zagadnienia materiałów konstrukcyjnych i technologii
wytwarzania pojazdów