Wpływ falowania i wiatru na statek

    Łączne oddziaływanie wiatru i fali na statek sprowadza się do zmiany jego prędkości w stosunku do tej, jaką statek uzyskuje przy danych obrotach śruby (obrotach i kącie natarcia płatów śruby w przypadku śruby nastawnej) na spokojnej wodzie w warunkach bezwietrznych. Parcie wiatru na nadwodną powierzchnię statku wytwarza dodatkowe siły działające na statek. Falowanie powoduje powstanie oporów falowych. Z tej przyczyny oddziaływanie wiatru i fali na statek silnie uzależnione są od prędkości i kąta kursowego wiatru oraz wysokości fali i jej kąta kursowego. Z drugiej strony łączne odziaływanie wiatru i fali silnie uzależnione jest od cech konstrukcyjnych statku - jego powierzchni nawiewu, kształtu kadłuba i wyporności. Z tego względu brak jest ogólnych formuł, opisujących straty prędkości statków w zależności od panujących warunków hydrometeorologicznych. Zależności takie można określić dla konkretnego typu statku; dokonuje się tego na drodze badań modelowych, lub częściej - poprzez badania empiryczne (w warunkach naturalnych). Trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że dla konkretnego typu statku przy tych samych warunkach hydrometeorologicznych straty prędkości zmieniać się będą również w funkcji zanurzenia (stanu załadowania) [ 1 ].
    Istnieją ogólne formuły pozwalające oszacować straty prędkości w zależności od prędkości i kąta kursowego wiatru oraz wysokości fali i jej kąta kursowego, lecz ich wiarygodność jest raczej niska, służyć mogą co najwyżej do orientacyjnego oszacowania strat prędkości. Jedną z takich "uniwersalnych" formuł jest wzór przytoczony w kompendium Gordienki i Dremljuga (1989); ma on postać:

V_uh = V₀ - (0.74·h - 0.25·h·q_h) · (1 - 1.35·10^-6·D_w·V₀);

gdzie:
V_uh - prędkość statku przy wietrze o prędkości u i fali o wysokości h, węzły
V₀ - prędkość statku w warunkach bezwietrznych, na spokojnej wodzie, węzły
h - wysokość fali, metry,
q_h - kąt kursowy fali, radiany (!),
D_w - aktualna wyporność, tony.

Konstrukcja formuły zakłada, że parametry fali (wysokość fali) odpowiadają prędkości wiatru, a kierunek nadchodzącego wiatru i falowania pokrywają się. Wiatr w tej formułe występuje w postaci niejawnej, jako funkcja wysokości fali. Z tej przyczyny formuła ta jest nieprzydatna dla szacowania strat prędkości przy występowaniu fali martwej (fali rozkołysu), a jej przydatność do szacowania strat prędkości na morzu w momencie wystąpienia falowania kombinowanego, jeśli udział swellu w falowaniu trówymiarowym jest poważny, staje się problematyczna.
    Istnieją również bardziej skomplikowane formuły wychodzące z ogólnego bilansu energii i liczące osobno straty wiatrowe, osobno straty falowe prędkości statku, poczem straty te sumuje się.  Formuły te, może i piękne z fizycznego czy matematycznego punktu widzenia, wymagają do zastosowania pewnego drobiazgu - znajomości wartości kilku do kilkunastu stałych (współczynników), charakterystycznych dla danego statku, określanych empirycznie. Te są nieznane, w związku z czym formuły te mają jedynie znaczenie "estetyczne" lub magiczne.
    W określonych warunkach, niezależnie od strat prędkości spowodowanych przez falowanie i wiatr, zachodzi potrzeba zmniejszenia prędkości statku (w niektórych przypadkach również zmiany kursu). Takie obniżenie prędkości określa się najczęściej mianem "wymuszonego obniżenia prędkości statku". Sytuacja taka występuje najczęściej wtedy, gdy trzeba zlikwidowaćlub ograniczyć częstość występującego slemingu, zalewanie statku, ograniczyć przechyły, dobrać okres przechyłow wyraźnie odmienny od zakresu okresu rezonansowego, etc. Szczegółowo kwestie zachowania się statku i prowadzenia statku w trudnych i bardzo trudnych warunkach hydrometeorologicznych omówione są w stronie "Sztormowanie" (materiał dla zaawanasownych). Oczywiste jest, że również i wymuszone obniżenie prędkości statku stanowi rezultat  działania warunków hydrometeorologicznych.
    Chcąc określić w prosty, choć przybliżony sposób wielkość strat prędkości na konkretnym statku należy notować średnią prędkość statku co 4 godziny (na koniec każdej wachty) oraz kierunek i średnią prędkość wiatru rzeczywistego . Dysponując co najmniej kilkunastoma takimi pomiarami, jesli warunki meteorologiczne wykazywały w takim cyklu pomiarowym wyraźną zmienność, można przystąpić do analizy.
Najprostsza analiza polega na założeniu, że głównym czynnikiem obniżającym prędkość statku jest wiatr - poprzez jego kompleksowe działanie na powierzchnię morza (falowanie) oraz statek. W pierwszym przybliżeniu, po obejrzeniu wykresu rozrzutu (jeśli można przyjąć założenie o liniowej zależności), można estymować parametry równania Vs = a +b·Vw; gdzie Vs - prędkość statku, Vw - prędkość wiatru. Zazwyczaj sama prędkość wiatru objaśnia od około 25 do około 50% całkowitej zmienności prędkości statku.
    Przykładowo, dla statku "British Serenity" (produktowiec, ok. 45 000 t), idącego z pełnym ładunkiem w grudniu przez N Atlantyk na W, uzyskano równanie wiążące straty prędkości z  prędkością wiatru:

Vs (węzły) = 15.61 (±1.34) - 0.16(±0.05)·Vw (węzły),

istotne statystycznie (p < 0.005; R = 0.56), które objaśnia około 30% obserwowanej zmienności prędkości statku w tym rejsie. Oznacza to, że wzrost prędkości wiatru o 1 węzeł obniża średnią prędkość statku o 0.16(±0.05) w.

Trzeba tu jednak wyjaśnić, że średnia prędkość wiatru w czasie tego rejsu była raczej wysoka (27.4 w) i oszacowane straty prędkości dotyczą prędkości wiatru w przedziale 11 - 36 węzłów. Nie powinno się takich zależności stosować dla szacunków strat prędkości, które występują przy wiatrach o innym przedziale zmienności.
    Można również dokonać analizy dwuwymiarowej, a przynajmniej obejrzeć wykres 3D, taki, jak poniżej. Analiza takich wykresów pozwala się łatwo zorientować, jaki jest wpływ poszczególnych czynników (tu oddzielnie prędkość, oddzielnie kierunek wiatru) na straty prędkości statku. Cały czas należy jednak pamiętać, że takie wykresy mają walor względny - odnoszą się do konkretnej sytuacji. Dla pełnej charakterystyki wpływu warunków hydrometeorologicznych na straty prędkości powinniśmy wykorzystać dane charakteryzujące nadchodzenie fali i wiatru ze wszystkich kątów kursowych, a zakres zmian prędkości wiatru i wysokości fal powinien być odpowiednio duży.

Zmiany prędkości m/v "British Serenity" w funkcji prędkości (Vw) i kąta kursowego wiatru (Kq). Grudzień 2007 roku (trasa Bishop Rock - Long Island;
kurs statku ~250°)

Patrząc na wykres nie trudno zauważyć, że wraz ze zmniejszaniem się prędkości wiatru (Vw, węzły) prędkość statku rośnie nieliniowo i osiąga przy Vw ~15 w i mniejszej, normalną prędkość eksploatacyjną (~14-15 w). Zauważyć również można, że duży wpływ na zmniejszenie prędkości ma kierunek wiatru - szczególnie z sektora dziobowego do obu trawersów. Jednak w przypadku bardzo dużych prędkości wiatru wpływ kąta kursowego wiatru na spadek prędkości statku maleje. Przyczyną takiego stanu rzeczy było wymuszone zmniejszenia prędkości. Trzeba tu dodać, że w czasie tego rejsu kierunki wiatru nie rozkładały się równomiernie, lecz dominowały wiatry z sektora 270-030°. Wiatry z tego sektora miały po pierwsze największą prędkość, po wtóre dawały falę wiatrową nadchodzącą od 45 do trawersu PB, co wymuszało zmniejszenie prędkości.

Odnośniki
[ 1 ] W przypadku zmniejszenia zanurzenia (statek pod balastem lub z niewielką partią ładunku) gwałtownie rośnie powierzchnia wynurzonej części kadłuba, maleją natomiast opory części podwodnej (zanurzonej). Powoduje to, że statek pod balastem zaczyna znacznie silniej podlegać działaniu wiatru, niż statek głębiej zanurzony. W ostatnich latach zapominanie o tej niezmiernie prostej zależności przez st. oficerów i/lub kapitanów dużych statków stało się przyczyną poważnych wypadków morskich, do całkowitej utraty statku włacznie.  Duże masowce, dla oszczedności paliwa balastowano minimalnie, w związku z czym śruba i ster nie były odpowiednio zanurzone. Przy gwałtownym wzroście prędkości wiatru, gdy wzrosło parcie wiatru na wunurzony kadłub, okazywało się, że sprawność napędu i steru jest zbyt mała dla pełnej kontroli ruchu statku. W kilku przypadkach, gdy statek znajdował się blisko brzegu, zabrakło czasu na odpowiednie zabalastowanie statku i zakończyło się to wejściem na płycizny przybrzeżne lub rozbiciem statku na przybrzeżnych skałach [patrz strona o katastrofach w transporcie morskim i lotniczym Countryman &  McDaniel]

---