तरंग-निर्माण प्रतिरोध

एमएस वाइकिंग ग्रेस कम गति से शांत पानी में तरंगे उत्पन्न कर रहा है।

तरंग-निर्माण प्रतिरोध संकर्षण का एक रूप है जो सतह के जलयान जैसे नावों और जहाजों को प्रभावित करता है। यह पानी को नावों या जहाजों के मार्ग से बाहर निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा को दर्शाता है। जिसको ऊर्जा तरंग बनाने में प्रयोग किया जाता है।

भौतिकी

1.34 की गति-लंबाई अनुपात पर चिन्ह के साथ विस्थापन हल्स के लिए ऊर्जा व गति का ग्राफ।

छोटे विस्थापन पतवार या जलपोत के लिए जैसे कि सेलबोट्स (पालनाव) या रोएबोट्स (धनुनाव) तरंग बनाने का प्रतिरोध समुद्री पोत संकर्षण का प्रमुख स्रोत है।

जल तरंगों का एक प्रमुख गुण प्रसार है अर्थात तरंगदैर्घ्य जितनी अधिक होती है प्रसार उतनी ही तीव्र गति से होता है। जहाज द्वारा उत्पन्न तरंगें उसकी ज्यामिति और गति से प्रभावित होती हैं और तरंगे बनाने के लिए जहाज द्वारा दी गई अधिकांश ऊर्जा जहाज के कठोर भागों के माध्यम से पानी में स्थानांतरित हो जाती है। साधारण शब्दों में कहें तो ये दो तरंग प्रणालियां अर्थात, जहाज का कठोर भाग और जटिल तरंगें दोनों एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करती हैं। और परिणामी तरंगें प्रतिरोध के लिए उत्तरदायी होती हैं। यदि परिणामी तरंग बड़ी होती है, तो यह जहाज से बहुत ऊर्जा दूर ले जाती है, इसे किनारे तक अभिगम्य करती है या जहां भी तरंग समाप्त होती है या इसे पानी में प्रसारित करती है और उस ऊर्जा की आपूर्ति जहाज के प्रणोदन (या संवेग) द्वारा की जाती है। ताकि जहाज इसे संकर्षण के रूप में अनुभव कर सके। इसके विपरीत यदि परिणामी तरंग छोटी होती है तो अनुभव किया गया संकर्षण भी छोटा होता है।

हस्तक्षेप की राशि और दिशा (योगात्मक या घटाव) जहाज के कठोर भाग और जटिल तरंगों (जिनकी तरंग दैर्ध्य और फेज़ गति समान होती है।) के बीच फेज़ (चरण) अंतर पर निर्भर करती है और यह जलरेखा पर जहाज की लंबाई का एक कार्य है। किसी दिए गए जहाज की गति के लिए धनु तरंग और जटिल तरंग के बीच का फेज़ अंतर जलरेखा पर जहाज की लंबाई के समानुपाती होता है। उदाहरण के लिए, यदि जहाज को अपनी लंबाई की यात्रा करने में तीन सेकंड लगते हैं तो किसी बिंदु पर जहाज गुजरता है तो धनु तरंग के तीन सेकंड बाद एक जटिल तरंग प्रारम्भ होती है। जिसका अर्थ उन दो तरंगों के बीच एक विशिष्ट फेज़ अंतर होता है। इस प्रकार जहाज की जलरेखा की लंबाई तरंग-निर्माण प्रतिरोध के परिमाण को प्रत्यक्ष रूप से प्रभावित करती है।

दी गई जलरेखा की लंबाई के लिए फेज़ अंतर तरंगों की फेज़ गति और तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। यदि वे सीधे जहाज की गति पर निर्भर करते हैं। एक गहरे पानी की तरंग के लिए, फेज़ गति प्रसार गति के समान होता है और तरंग दैर्ध्य के वर्गमूल के समानुपाती होता है। यह तरंग दैर्ध्य जहाज की गति पर निर्भर करती है।

इस प्रकार तरंग-निर्माण प्रतिरोध का परिमाण जलरेखा पर इसकी लंबाई के संबंध में जहाज की गति का एक कार्य है।

तरंग-निर्माण प्रतिरोध पर विचार करने का एक सरल तरीका पतवार को धनु और जटिल तरंगों के संबंध में देखना है। यदि किसी जहाज की लंबाई उत्पन्न तरंगों की लंबाई के आधी है, तो निरस्तीकरण के कारण परिणामी तरंग बहुत छोटी होती है और यदि लंबाई तरंग दैर्ध्य के समान है तो तरंग वृद्धि के कारण तरंग बड़ी होती है।

फेज़ गति $c$ तरंगों की संख्या निम्न सूत्र द्वारा दी गई है:

$c={\sqrt {{\frac {g}{2\pi }}l}}$

जहाँ $l$ तरंग की लंबाई है और $g$ गुरुत्वीय त्वरण है। $g$ के लिए उपयुक्त मान में प्रतिस्थापित करने पर समीकरण प्राप्त होता है:

${\mbox{c in knots}}\approx 1.341\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}\approx {\frac {4}{3}}\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}$

या मेट्रिक इकाई इकाइयों में:

${\mbox{c in knots}}\approx 2.429\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}\approx {\sqrt {6\times {\mbox{length in m}}}}\approx 2.5\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}$

ये मान, 1.34, 2.5 और बहुत आसान 6, प्रायः पतवार गति के नियम में उपयोग किए जाते हैं, जिसका उपयोग विस्थापन हल्स की संभावित गति की तुलना करने के लिए किया जाता है। और यह संबंध फ्राउड संख्या के लिए भी मौलिक है। जिसका उपयोग जलयान के विभिन्न पैमानों की तुलना में किया जाता है। .

जब पोत 0.94 के "गति-लंबाई अनुपात" (समुद्री मील में लंबाई के वर्गमूल से विभाजित गति) से अधिक हो जाता है, तो यह अपनी अधिकांश धनु तरंग से बाहर निकलना प्रारम्भ कर देता है। पतवार वास्तव में पानी में अपेक्षाकृत रूप से स्थित हो जाता है क्योंकि यह अब केवल दो तरंग शीर्षों द्वारा समर्थित जैसा कि पोत 1.34 की गति-लंबाई अनुपात से अधिक है। तरंग दैर्ध्य अब पतवार से अधिक है और जटिल तरंग अब वृद्धि तरंग द्वारा समर्थित नहीं है। जिससे जटिल तरंग अधिक हो जाती है और जहाज के आगे का भाग ऊपर उठ जाता है। पतवार अब धनु तरंग ऊपर उठना प्रारम्भ हो जाती है और प्रतिरोध बहुत अधिक दर से बढ़ने लगता है। जबकि 1.34 के गति-लंबाई अनुपात की तुलना में विस्थापन पतवार को तीव्र से चलाना संभव है। ऐसा करना निषेधात्मक रूप से कीमती है। अधिकांश बड़े पोत 1.0 से नीचे के गति-लंबाई अनुपात पर उस स्तर से अपेक्षाकृत नीचे की गति-लंबाई अनुपात पर कार्य करते हैं।

तरंग-निर्माण प्रतिरोध को कम करने के प्रकार

चूँकि तरंग-निर्माण प्रतिरोध पानी को पतवार के मार्ग से बाहर निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा पर आधारित होता है, ऐसे कई प्रकार हैं जिनसे इसे अपेक्षाकृत कम किया जा सकता है।

लघु विस्थापन

अतिरिक्त भार को हटाकर विस्थापन को कम करना, तरंग बनाने वाले संकर्षण को कम करने का सबसे प्रत्यक्ष तरीका है। दूसरा तरीका पतवार को आकार देना है ताकि उत्थापन उत्पन्न हो सके क्योंकि यह पानी के माध्यम से चलती है। लघु-विस्थापन हल्स और समतलन हल्स ऐसा करते हैं और वे हल्स गति अवरोध के माध्यम से विभाजित करने में सक्षम होते हैं और एक ऐसे क्षेत्र में संक्रमण करते हैं जहां संकर्षण बहुत कम दर से बढ़ता है। इसका नुकसान यह है कि उच्च ऊर्जा से भार अनुपात के साथ छोटे जहाजों पर ही योजना बनाना व्यावहारिक है। जिसमें मोटर नाव जैसे उच्च ऊर्जा से भार अनुपात होते हैं। विशाल तेल वाहक पोत जैसे बड़े पोत के लिए यह एक व्यावहारिक समाधान नहीं होता है।

उम्दा प्रवेश

कुंठित धनु तरंग के साथ एक पतवार से पानी को बहुत तीव्र गति से दूर हटाना होता है और इस उच्च त्वरण के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। अपेक्षाकृत तुच्छ धनु का उपयोग करके तीव्र कोण के साथ जो पानी को धीरे-धीरे बाहर निकलता है। जिससे पानी को विस्थापित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा कम हो सकती है। एक आधुनिक भिन्नता तरंग रूपी प्रारूप है। गतिमान पतवार द्वारा विस्थापित होने वाले पानी की कुल मात्रा और इस प्रकार तरंग-निर्माण संकर्षण पतवार का अनुप्रस्थ काट क्षेत्र है, जो पतवार की दूरी से यात्रा करता है और समान lwl, समान विस्थापन और समान गति के लिए प्रिज्मीय गुणांक बढ़ने पर समान नहीं रहता है।

बल्बनुमा धनु

एक विशेष प्रकार का धनु, जिसे बल्बनुमा धनु कहा जाता है प्रायः तरंग बनाने वाले संकर्षण को कम करने के लिए बड़े विद्युत के जहाजों पर प्रयोग किया जाता है। धनु के आगे दाब वितरण को परिवर्तित कर बल्ब पतवार द्वारा उत्पन्न तरंगों को परिवर्तित कर देता है। धनु तरंग के साथ इसके विनाशकारी हस्तक्षेप की प्रकृति के कारण, पोत की गति की एक सीमित सीमा होती है, जिस पर यह प्रभावी होता है। गति की एक विशेष श्रेणी पर किसी विशेष पतवार के तरंग-निर्माण प्रतिरोध को कम करने के लिए एक बल्बनुमा धनु को ठीक से डिज़ाइन किया जाना चाहिए। एक बल्ब जो पोत के पतवार के आकार और गति की सीमा के लिए कार्य करता है। एक अलग पतवार के आकार या अलग गति सीमा के लिए हानिकारक हो सकता है। बल्बनुमा धनु को डिजाइन करते समय जहाज की इच्छित परिचालन गति और स्थितियों की उपयुक्त डिजाइन और ज्ञान की आवश्यकता होती है।

हल्स फ़िल्टरिंग विधि

यदि पतवार को पतवार की गति से अपेक्षाकृत कम गति पर संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो एक गति पर तरंग प्रतिरोध को कम करने के लिए इसकी लंबाई के साथ पतवार के आकार को परिष्कृत करना संभव है। यह केवल वहीं उपयोगी होता है जहां हल्स के ब्लॉक गुणांक का कोई महत्वपूर्ण कारण नहीं है।

अर्ध-विस्थापन और हल्स की योजना

File:Speed-length vs weight-resistance.gif

विस्थापन, अर्ध-विस्थापन और हल्स की योजना के लिए गति-लंबाई अनुपात के कार्य के रूप में प्रतिरोध-भार अनुपात दिखाने वाला ग्राफ।

चूंकि अर्ध-विस्थापन और योजना हल्स संचालन में महत्वपूर्ण मात्रा में उत्थापक बल होता हैं, वे तरंग प्रसार गति की बाधा को विभाजित में सक्षम होते हैं और बहुत कम संकर्षण की सीमा में कार्य करते हैं, लेकिन ऐसा करने के लिए उन्हें पहले पीछे से प्रेरित गति में सक्षम होना चाहिए, जिसके लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस अवस्था को संक्रमण अवस्था कहा जाता है और इस अवस्था में तरंग-निर्माण प्रतिरोध की दर सबसे अधिक होती है। एक बार पतवार धनु की तरंग के जहाज के मुख्य भाग ऊपर आ जाती है, तो तरंग के संप्रेषण की दर में अपेक्षाकृत कमी हो जाती है।^[1] हल्स की योजना के अनुसार पतवार पानी से अपनी तरंग को विस्थापित करके ऊपर उठेगी और इसका विस्थापन अधिक हो सकता है। योजना व्यवस्था के समय योजना पतवार के पानी के नीचे का भाग अपेक्षाकृत छोटा हो सकता है।^[2]

तरंग प्रतिरोध की योजना की गुणात्मक व्याख्या यह है कि विस्थापन पतवार तरंग के साथ प्रतिध्वनित करता है जिसके धनु के पास एक शीर्ष होता है और उसके मुख्य भाग के पास एक गर्त होता है, क्योंकि पानी को धनु से दूर कर दिया जाता है और मुख्य भाग पर वापस संप्रेषित किया जाता है। एक योजना पतवार को इसके नीचे के पानी पर प्रेरित किया जाता है। इसलिए यह एक तरंग के साथ प्रतिध्वनित करती है जिसके नीचे एक गर्त होता है। यदि इसकी लंबाई लगभग दोगुनी है तो इसका केवल वर्गमूल 2 या 1.4 गुना गति मे होता है। अधिकांश हल्स योजना सामान्यतः उससे कहीं अधिक तीव्र होती हैं। पतवार की गति से चार गुना तरंग दैर्ध्य पहले से ही पतवार से 16 गुना अधिक होती है।

यह भी देखें

जहाज का प्रतिरोध और प्रणोदन
हल्स का वर्गीकरण
नाव की गति

संदर्भ

↑ Squire, H. B (1957). "पानी की सतह के साथ एक साधारण कील की गति". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 243 (1232): 48–64. Bibcode:1957RSPSA.243...48S. doi:10.1098/rspa.1957.0202. JSTOR 100279. S2CID 121875606.
↑ Sukas, Omer Faruk; Kinaci, Omer Kemal; Cakici, Ferdi; Gokce, Metin Kemal (2017-04-01). "ओवरसेट ग्रिड का उपयोग करके हल्स की योजना का हाइड्रोडायनामिक मूल्यांकन". Applied Ocean Research. 65: 35–46. doi:10.1016/j.apor.2017.03.015. ISSN 0141-1187.

On the subject of high speed monohulls, Daniel Savitsky, Professor Emeritus, Davidson Laboratory, Stevens Institute of Technology

[1] Squire, H. B (1957). "पानी की सतह के साथ एक साधारण कील की गति". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 243 (1232): 48–64. Bibcode:1957RSPSA.243...48S. doi:10.1098/rspa.1957.0202. JSTOR 100279. S2CID 121875606.

[2] Sukas, Omer Faruk; Kinaci, Omer Kemal; Cakici, Ferdi; Gokce, Metin Kemal (2017-04-01). "ओवरसेट ग्रिड का उपयोग करके हल्स की योजना का हाइड्रोडायनामिक मूल्यांकन". Applied Ocean Research. 65: 35–46. doi:10.1016/j.apor.2017.03.015. ISSN 0141-1187.

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