Własności i klasyfikacja łodzi

 Własności i klasyfikacja łodzi

---

Poruszanie się po powierzchni wody jest zadaniem trudnym, unikanym najczęściej przez naturę. Obiekt poruszający się w warstwie powierzchniowej wytwarza fale, które są źródłem oporu rosnącego bardzo szybko wraz ze wzrostem prędkości. Inteligencja człowieka pozwala mu godzić wiele sprzecznych wymagań stawianych projektowi łodzi. Należy jednak pamiętać, że każda konstrukcja jest kompromisem, w którym dominują pewne cechy kosztem innych. Decydującym kryterium dla tego kompromisu będzie planowane zastosowanie. Tak więc można stwierdzić, że podstawowa klasyfikacja kajaków wynika z ich przeznaczenia.

Własności nautyczne i użytkowe

Wśród cech nautycznych statku pływającego należy wymienić:

Objętość konstrukcji statku -- w normalnych warunkach jest to maksymalna ilość wody, którą wypiera statek całkowicie (ale nie całkiem całkowicie -- tak, żeby nie zatonął) zanurzony w wodzie. Od niej zależy wyporność -- maksymalny ciężar ładunku (i załogi), który może bezpiecznie przewozić dana łódź.
W wodach o turbulentnym przepływie istotna jest nie tylko wielkość siły wyporu, ale i jej rozkład -- decyduje on o zachowaniu się łodzi w wypadku zanurzenia całego kadłuba w wodzie (np. w odwoju lub po przepłynięciu progu).


Osie łodzi

Stateczność poprzeczna -- lub stabilność to zdolność łodzi do powracania do stanu równowagi po przechyle bocznym. O stabilności decyduje kształt przekroju poprzecznego dna statku, a dokładnie wzajemne położenie środka ciężkości i środka wyporu. Środek ciężkości to punkt, w którym można ,,zaczepić'' siłę grawitacji; środek wyporu to punkt, w którym można umiejscowić siłę wyporu. Z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że stabilność jest duża, jeśli łódź jest szeroka i płaska, a jej przekrój poprzeczny zbliżony do wielokątnego. Łodzie wąskie i o przekroju poprzecznym zbliżonym do półkola lub trójkąta mają stosunkowo małą stateczność poprzeczną -- potocznie mówimy, że są wywrotne.

Przekroje łodzi a stabilność poprzeczna

Zależność stabilności od kształtu dna (a) i wysokości burt (b)
sc - środek ciężkości, sw - środek wyporu

Stateczność (stabilność) podłużna -- jest to zdolność statku do utrzymania równowagi względem poziomej osi poprzecznej. Decyduje ona o zachowaniu się łodzi na sfalowanej wodzie. Jest ona tym większa, im dalej od centrum łodzi rozłożona jest wyporność i im bardziej skupiony jest ciężar ładunku/załogi. Dużą stateczność podłużną mają np. kajaki morskie -- zabezbiecza to je przed ,,nurkowaniem'' w fale. Przykładem łodzi o małej stateczności podłużnej jest slalomowy kajak górski. Koncentracja wyporności w centralnej części łodzi, tam gdzie siedzi załoga, ma oczywiście na celu zwiększenie zwrotności. Jednak ubocznym (i niekoniecznie niechcianym) skutkiem takiej konstrukcji jest łatwość zatopienia rufy i ,,postawienia'' kajaka niemal w pionie -- jest to jedna z technik szybkiego zakręcania w bramkach. Jeszcze lepszym przykładem będzie kajak do squirtu -- akrobacji kajakowej, którego konstrukcja ułatwia wykonywanie ewolucji właśnie dzięki redukcji stateczności podłużnej.

Stateczności podłużna: a -- wpływ kształtu dzioba na siłę wyporu, b -- efekt ,,nurkowania'' kajaka na fali, c -- wpływ rozmieszczenia załogi

Stateczność kierunku -- to zdolność kajaka do utrzymania kierunku płynięcia bez pomocy dodatkowych urządzeń. Zależy od kształtu kadłuba, a dokładniej linii wodnej, oraz od długości łodzi. Jest generalnie cechą korzystną, choć często poświęca się ją dla poprawienia zwrotności. Ma decydujące znaczenie w przypadku łodzi pływających po wodach otwartych (np. kajakarstwo morskie i regatowe).

Zwrotność -- to łatwość kajaka do wykonywania zakrętów. Jest tym większa, im krótsza jest linia wodna, im bardziej skupiona jest wyporność i masa. Jest też większa, gdy łódź jest lżejsza.

Szybkość -- a dokładniej mówiąc zdolność do rozwijania jak największej prędkości, jest jedną z najważniejszych cech każdej łodzi. Szybkość umożliwia z jednej strony efektywne pokonywanie odległości (np. kajak morski), a z drugiej jest podstawą do wykonywania wszelkiego rodzaju manewrów na płynącej wodzie (kajak slalomowy lub turystyczny kajak górski). Szybkość łodzi zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to kształt, długość, gładkość i sztywność kadłuba. Dla dalszych rozważań nie ma potrzeby przedstawiania tu praw mechaniki płynów -- wystarczy stwierdzić, że o prędkości łodzi decyduje opór hydrodynamiczny (zwykle pomijalne są opory powietrza, o których wspomnę przy omawianiu wioseł), który można podzielić na opór tarcia i opór kształtu.
Można powiedzieć, że źródłem oporu tarcia jest tarcie cząsteczek wody o powierzchnię kadłuba statku. Na skutek sił lepkości płynący (sytuację można oczywiście odwrócić rozpatrując wodę opływającą nieruchomą łódź) kajak ,,ciągnie'' za sobą pewną warstewkę wody. Jej zewnętrzna powierzchnia pozostaje w spoczynku, natomiast wewnętrzna porusza się z taką prędkością jak kajak. Siły tarcia działają właśnie w tej warstewce wody tak, aby spowolnić kajak. Molekuły wody w warstewce przylegającej do kajaka mogą poruszać się na dwa sposoby: laminarnie lub turbulentnie.

Opływ kajaka (w/g BCU Kayaking Handbook)

Z pewnym przybliżeniem można podzielić kadłub na dwie części. W pierwszej z nich, położonej z przodu (względem kierunku ruchu), opływ wody jest laminarny tzn. strugi wody są wzajemnie równoległe i ,,spokojne''. Od pewnego miejsca (zależnego od wielu czynników, z których decydującym jest relacja kształtu kadłuba i prędkości łodzi) strugi wody odrywają się nieco od kadłuba i wpadają w turbulencje. Turbulencji tych nie należy mylić ze stosunkowo dużymi wirami widocznymi jeszcze dalej, w strefie kilwateru. Straty tarcia w cienkiej (około 0.1 mm grubości) warstewce opływu laminarnego są stosunkowo małe. Warstwa opływu turbulentnego może osiągać grubość kilku centymetrów i oczywiście powoduje znacznie większe spowolnienie łodzi. Aby uzyskać małe opory tarcia należy więc: zapewnić gładką powierzchnię kadłuba (niejednorodności powierzchni powinny być mniejsze niż 0.1 mm -- grubość ludzkiego włosa) i odpowiednio ukształtowa -- dziób szybkiego kajaka (np. regatówki) oglądany z góry jest ostry, natomiast jeśli patrzymy z boku, to widzimy kształt zbliżony do trapezu. Zaostrzenie dzioba w obu płaszczyznach (np. w kajaku slalomowym) poprawia zwrotność, ale pogarsza szybkość -- dziób kajaka. Problem wpływu kształtu kadłuba na wielkość oporów tarcia każdy uświadamia sobie lepiej lub gorzej intuicyjnie, mówiąc o mniej lub bardziej ,,opływowym'' kształcie łodzi, czy jakiegokolwiek innego przedmiotu.

Górski kajak zjazdowy (u góry) i kajak regatowy -- widok z boku

Opór tarcia jest w przybliżeniu wprost proporcjonalny do kwadratu prędkości łodzi. Przy prędkości nie większej niż 3 km/h stanowi on około 90 oporów ruchu. Powyżej tej prędkości wzrasta gwałtownie ...
opór kształtu. Kajak płynący z prędkością około 3 km/h zaczyna generować na wodzie charakterystyczny wzorzec, zwany śladem torowym lub kilwaterem. Zwykle zwracamy uwagę na jego zewnętrzny obrys, rozchodzący się od dzioba w kształcie litery V, rozwartej pod kątem ok. 39 stopni.

Kilwater: kajak o długości 5m, przy prędkości ok. 7.8 km/h (w/g BCU Kayaking Handbook)

Dla oporów ruchu decydujące są jednak poprzeczne fale tworzące się w obszarze kilwateru. Pomijamy tu opory wynikające z powstawania dużych zawirowań wody bezpośrednio za rufą kajaka. Zjawisko to jest zbyt złożone, aby przedstawiać je tu dokładnie, a nie wpływa znacząco na wielkość oporu. Amplituda (wysokość) i długość tych fal są zależne od prędkości łodzi i kształtu jej dzioba (a dokładniej mówiąc od kształtu przekroju poprzecznego kadłuba). Długość fal rośnie kwadratowo ze wzrostem prędkości. Kajak płynący z prędkością 4.5 km/h generuje fale o długości około 1 m. Przy prędkości 9 km/h długość fal wzrośnie czterokrotnie, a to oznacza, że kajak będzie ,,siedział'' w dolinie generowanej przez siebie fali. Przy większej prędkości fala wydłuży się jeszcze bardziej i kajakarz będzie nie tylko musiał przezwyciężyć rosnące opory związane z wytworzeniem fali, ale dosłownie będzie się starał ,,wspiąć'' na uciekającą przed nim falę. Opór kształtu stanowi przy tej prędkości ponad 60 Należy jeszcze dodać, że wszystko to jest prawdą na dostatecznie głębokiej wodzie. ,,Dostatecznie głębokiej'' to znaczy głębszej niż połowa długości fali generowanej przez kajak. Jeżeli woda jest płytsza, to fala porusza się z prędkością proporcjonalną nie do swojej długości, a do głębokości. Innymi słowy kajak ,,czuje dno'' i zwalnia gdy woda staje się płytsza -- jest to jednak raczej przedmiotem rozważań locji kajakowej.

Oczywiście wszystkie wymienione powyżej cechy można określić jako wzajemnie zależne -- np. ogólna stateczność łodzi zależy np. także od wyporności. Dla celów klasyfikacji wygodnie jest jednak takie cechy wyidealizować, aby móc porównywać, jak określone cechy konstrukcji łodzi (kształt, wielkość, technologia wykonania) wpływają na jej zachowanie na wodzie.
Na projekt kajaka wpływają także cechy użytkowe, które, choć nie są najbardziej istotne w czasie płynięcia, to są często decydujące dla oceny przydatności danej łodzi dla określonych potrzeb -- np. turystyki. Te cechy to:

Masa -- jej wielkość decyduje nie tylko o właściwościach nautycznych (prędkość, zwrotność), ale także o łatwości transportu czy pokonywania przeszkód na trasie spływu.

Sztywność konstrukcji -- podobnie jak poprzednio jest to cecha istotna dla uzyskania dużej szybkości łodzi, ale jeszcze ważniejsza przy transporcie i przenoskach.

Odporność, wytrzymałość konstrukcji -- znaczenie tych cech jest oczywiste.

Trwałość -- a dokładniej odporność materiału i konstrukcji na starzenie się jest bardzo istotna, szczególnie w połączeniu z ostatnią cechą, którą jest:

Cena.

Klasyfikacja łodzi

Jak już wspomniano wyżej, konkretny rodzaj łodzi jest kompromisem pomiędzy cechami nautycznymi i cechami użytkowymi. Kompromis ten dotyczy zarówno projektanta czy wytwórcy, jak i użytkownika, który powinien umieć wybrać rodzaj kajaka odpowiedni dla swoich potrzeb.

Wymiary łodzi: sportowych -- zgodnie z wymaganiami ICF, turystycznych -- przybliżone

Oznaczenia

W literaturze fachowej często spotyka się symboliczne oznaczenia różnych rodzajów łodzi. W literaturze międzynarodowej powszechnie używa się wielkiej litery K na oznaczenie kajaków i wielkiej litery C dla oznaczenia kanadyjek. Liczba następująca po tej literze oznacza liczbę osób załogi -- np. K1 to kajak jednoosobowy a C7 to kanadyjka siedmioosobowa. Te oznaczenia są zatwierdzone przez ICF (International Canoe Federation) i używane w zasadzie do oznaczania kajaków (i konkurencji) sportowych.
W niektórych, starszych źródłach używa się też litery F dla oznaczenia kajaków składanych (ang. folding boat lub faltboat, niem. Faltboot) oraz litery R dla oznaczenia kajaków wykonanych z laminatu. Wielką literą K oznacza się tam kajaki drewniane.

Podstawowa klasyfikacja łodzi

Z punktu widzenia zastosowań możemy wprowadzić następującą klasyfikację kajaków i kanadyjek:

• łodzie sportowe:
  • łodzie regatowe do sprintu:
    • kajaki: K1, K2, K4;
    • kanadyjki: C1, C2, C4, C7;
  • łodzie regatowe do maratonu: K1, K2, C1, C2;
  • sportowe łodzie górskie:
    • kajaki:
      • slalomowe K1;
      • zjazdowe K1;
    • kanadyjki:
      • slalomowe: C1, C2;
      • zjazdowe: C1, C2;
  • łodzie żaglowe -- jednoosobowe łodzie wyposażone w żagiel o powierzchni 10 m$^2$ (oznaczane IC -- ang. International 10 sq metre Sailing Canoe)
• łodzie turystyczne i rekreacyjne:
  • kajaki morskie: K1, K2;
  • kajaki do turystki nizinnej: K1, K2;
  • kanadyjki do turystki nizinnej: C1, C2 (C3, C4 itd.);
  • kajaki górskie: K1, (K2):
    • o dużej wyporności (ang. high volume lub expedition boats);
    • ogólnego przeznaczenia (ang. general purpose lub allround boats);
    • krótkie (o długości mniejszej niż 3 m, ale ta granica skraca się coraz bardziej);
    • kajaki do rodeo (długość ok. 2.5 m, mała wyporność);
  • kanadyjki górskie zakryte: C1, C2;
  • kanadyjki górskie otwarte: C1, C2;
  • kajaki do canoe polo (piłki kajakowej);
  • kajaki do squirtu;
  • kajaki do surfowania;
  • wave ski: K1 ski (skrzyżowanie kajaka i deski surfingowej -- bezpokładowy kajak, a raczej deska z siodełkiem i uchwytami na stopy, przeznaczona do zabawy na fali przybojowej);

Dodatkowym, często bardzo istotnym kryterium klasyfikacji jest materiał i technologia wykonania łodzi. Wydaje mi się jednak, że wprowadzenie dodatkowych, często bardzo subtelnych, rozróżnień do powyższego zestawienia spowodowałoby jedynie jego zaciemnienie. Z punktu widzenia użytkownika decydujące jest przede wszystkim przeznaczenie, a dopiero później rodzaj materiału z którego wykonany jest kajak. Wybierając się kajakiem na Bornholm i mając do dyspozycji tradycyjną łódź eskimoską i nowoczesne, wykonane z polietylenu Topolino (długość 220 cm, wyporność około 260 litrów), wybrałbym raczej tę pierwszą.