درک اصول بدنهای شناور آب: شناور و ثبات توضیح داده شده است

1. اصل شناور
شناوری نیروی رو به بالا است که بر روی یک شیء در یک مایع اعمال می شود. بزرگی این نیرو با وزن مایع جابجا شده توسط جسم تعیین می شود. این اصل ، که توسط دانشمند باستان یونانی Archimedes کشف شده و به عنوان اصل Archimedes شناخته می شود ، بیان می کند:
هر شیئی که در یک مایع غوطه ور می شود ، یک نیروی شناور به سمت بالا برابر با وزن مایع جابجا شده توسط جسم را تجربه می کند.
تأثیر شناور:
وقتی الف بدن شناور آب شیء در آب غوطه ور است ، آب نیروی رو به بالا را روی جسم اعمال می کند و باعث شناور شدن آن می شود. هنگامی که شناور شیء موجود در آب برابر با وزن آن است ، جسم روی سطح باقی می ماند.
رابطه بین چگالی شیء شناور و چگالی آب تعیین می کند که آیا جسم می تواند شناور باشد. اگر چگالی جسم از آب بیشتر باشد ، شناور برای حمایت از وزن شیء کافی نیست و جسم غرق می شود. برعکس ، اگر چگالی جسم کمتر از آب باشد ، شناور برای پشتیبانی از جسم کافی است و جسم شناور خواهد شد.
رابطه بین شناوری و حجم یک شی:
هرچه حجم یک جسم بزرگتر باشد ، آب بیشتری را جابجا می کند و در نتیجه شناختی آن بیشتر می شود. به عنوان مثال ، یک کشتی بزرگ ، حتی اگر بسیار سنگین باشد ، می تواند شناور شود زیرا حجم آن مقدار کافی آب را جابجا می کند.

رابطه بین شناور و چگالی مایع:
چگالی آب به طور معمول 1000 کیلوگرم در متر مربع است. آب نمکی یا آب دریا چگالی بالاتری دارد ، به این معنی که اشیاء موجود در آب نمک به احتمال زیاد شناور هستند. مایعات متراکم باعث ایجاد شناور بیشتر می شوند.

2. ثبات
ثبات یک شیء شناور به توانایی آن در حفظ تعادل در سطح آب اشاره دارد. بر خلاف اشیاء ثابت ، اشیاء شناور نیز باید با اختلالات خارجی مانند امواج و باد کنار بیایند.

ثبات اولیه:
مرکز ثقل: مرکز ثقل یک شیء نقطه ای است که تمام نیروهای گرانش همگرا می شوند. پایداری یک شیء شناور از نزدیک با محل مرکز ثقل آن ارتباط نزدیکی دارد.
مرکز شناور: مرکز شناوری نقطه ای است که آب نیروی شناور خود را بر روی جسم شناور اعمال می کند. هنگامی که یک شیء شناور در آب غوطه ور می شود ، شناور آب به طور مساوی توزیع می شود ، و مرکز شناوری مرکز ثقل است که در آن آب نیروی شناور خود را بر روی جسم شناور اعمال می کند.

رابطه بین مرکز ثقل و مرکز شناور: برای اطمینان از پایداری یک شیء شناور ، مرکز شناور باید مستقیماً زیر مرکز ثقل باشد. هنگامی که یک شیء شناور کج می شود ، گشتاور بین مرکز شناوری و مرکز ثقل آن ایجاد می شود و باعث می شود که به حالت تعادل اصلی خود بازگردد.

ثبات پس از شیب:
هنگامی که یک شیء شناور کج می شود ، شناور و گرانش هنوز روی آن عمل می کنند. با توجه به موقعیت های مختلف مرکز شناور و مرکز ثقل ، گشتاور بازیابی ایجاد می شود که باعث می شود جسم به موقعیت افقی خود بازگردد.

بازگرداندن گشتاور: اگر مرکز شناور از مرکز ثقل بالاتر باشد ، زاویه شیب افزایش می یابد. اگر مرکز شناور پایین تر از مرکز ثقل باشد ، گشتاور بازیابی شیء را به حالت تعادل خود باز می گرداند.

ثبات پویا:
برای اشیاء شناور پویا مانند کشتی ها و سیستم عامل های شناور ، اختلالات خارجی (مانند امواج و باد) می تواند باعث شود که شیء به صورت پویا شیب کند. در این حالت ، گشتاور بازیابی و مقاومت در برابر آب به طور مشترک بر ثبات شی تأثیر می گذارد.

تأثیر امواج بر ثبات: ارتفاع موج ، دوره و جهت همه بر پایداری پویا یک شیء شناور تأثیر می گذارد. طرح های پلت فرم شناور به طور معمول این عوامل را برای اطمینان از ثبات در شرایط مختلف دریا در نظر می گیرند.

3. عوامل مؤثر بر ثبات شیء شناور
ثبات یک شیء شناور نه تنها توسط قوانین فیزیک اداره می شود بلکه تحت تأثیر عوامل متعدد قرار می گیرد:
تأثیر شکل:
شکل هندسی یک شیء شناور به طور مستقیم بر جریان آب و توزیع شناور تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، یک بدنه بلند و برجسته مستعد نورد است ، در حالی که یک شیء شناور گسترده به احتمال زیاد تعادل را حفظ می کند.
طراحی ساده: برای اشیاء شناور با سرعت بالا (مانند کشتی ها و زیر دریایی) ، طراحی ساده به کاهش مقاومت در برابر آب ، بهبود ثبات و کارآیی کمک می کند.
چگالی مواد:
چگالی ماده یک شیء شناور برای شناور بودن آن بسیار مهم است. مواد سبک وزن (مانند چوب ، پلاستیک و آلیاژهای آلومینیوم) از تراکم کمتری برخوردار هستند و شناور تر هستند.
اگر چگالی یک ماده از آب (مانند آهن یا فولاد) بیشتر باشد ، جسم حتی اگر بزرگ باشد ، غرق می شود. بنابراین ، ساختارهای توخالی یا مواد سبک وزن اغلب در طرح های شیء شناور برای اطمینان از شناور استفاده می شوند.
چگالی آب:
چگالی آب تحت تأثیر دما ، شوری و فشار قرار می گیرد. به عنوان مثال ، چگالی آب دریا (تقریباً 1025 کیلوگرم در متر مربع) بالاتر از آب شیرین (تقریباً 1000 کیلوگرم در متر مربع) است. بنابراین ، طرح هایی برای سازه های شناور در اقیانوس به طور کلی نیاز به توجه بیشتر به شناور و ثبات نسبت به طرح های آب شیرین دارد.

دما: آب گرم چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد ، بنابراین سازه های شناور در آبهای گرم دارای شناور کمتری هستند.

4. طراحی و کاربرد سازه های شناور
هنگام طراحی یک ساختار شناور ، لازم است تعادل شناور ، ثبات و الزامات کاربردی عملی باشد. برنامه های مختلف به ساختارهای مختلف شناور نیاز دارند.

سیستم عامل های کشتی و شناور:
طراحی کشتی: طراحی بدنه باید نه تنها شناور و ثبات ، بلکه عواملی مانند مانور و سرعت را نیز در نظر بگیرد. مرکز ثقل کشتی باید برای جلوگیری از کپسوله کردن کم نگه داشته شود. طرح های HULL به طور معمول شامل چندین محفظه ضد آب برای افزایش شناور و مقاومت در برابر کپسول است.

سکوهای شناور ، مانند توربین های بادی شناور و نیروگاه های خورشیدی شناور ، باید طراحی شوند تا اطمینان حاصل شود که این سکو می تواند در برابر بارهای پویا (باد ، امواج و غیره) مقاومت کند و از مقاومت کافی در باد و موج برخوردار باشد. ساختارهای شناور و توسعه زیست محیطی:
قدرت باد شناور: با افزایش قدرت باد دریایی ، سکوهای بادی شناور به یک منطقه گرم تبدیل شده اند. به دلیل محدودیت عمق آب ، بسیاری از توربین های بادی نیاز به شناور روی سطح دارند. این سیستم عامل ها باید برای حفظ ثبات در طول زمان تحت تأثیر امواج و باد طراحی شوند.
انرژی خورشیدی شناور: سیستم های پانل خورشیدی شناور به طور معمول بر روی سطح دریاچه ها ، رودخانه ها یا اقیانوس ها مستقر می شوند و از اثر خنک کننده آب برای بهبود راندمان سلول استفاده می کنند. چنین طرح هایی مستلزم آن است که سیستم شناور بتواند در برابر تأثیر عوامل طبیعی مانند امواج و بادهای قوی مقاومت کند.

5. نمونه های کاربردی
سکوهای خارج از کشور: مانند سکوهای حفاری نفتی خارج از کشور برای پایداری در بادها و امواج قوی نیاز به توجه ویژه ای در طراحی خود دارند. سیستم عامل های شناور باید بتوانند تعادل را در شرایط مختلف دریا حفظ کنند.
پل ها و سیستم عامل های شناور: پل های شناور سازه هایی هستند که برای اتصال مناطق مختلف روی آب طراحی شده اند که اغلب برای نجات اضطراری و حمل و نقل کوتاه مدت استفاده می شوند. آنها باید از ثبات تحت نوسانات جزر و مدی و اثرات موج اطمینان حاصل کنند.
تجهیزات ورزشی آبی: تجهیزات مانند قایقهای بادبانی و تخته های بیداری باید نه تنها برای شناور بلکه برای حرکت و ثبات ساده نیز طراحی شوند. بادبان ، مرکز پیکربندی گرانش و سیستم های کنترل نیز عوامل اصلی مؤثر بر پایداری یک ساختار شناور هستند.

6. آزمایش و شبیه سازی
آزمایش فیزیکی: آزمایشات اندازه گیری عملکرد یک ساختار شناور در شرایط مختلف آب ، داده های دنیای واقعی را برای طراحی فراهم می کند. این آزمایشات به طور معمول در یک مخزن یا محیط شبیه سازی شده اقیانوس برای آزمایش قابلیت شناور ، ثبات و قابلیت های دریایی انجام می شود.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
شبیه سازی های CFD نیروهای شناور ، کشیدن و موج را که بر روی یک ساختار شناور در آب عمل می کنند شبیه سازی می کنند. با استفاده از روشهای عددی ، شبیه سازی CFD می تواند رفتار یک ساختار شناور را در شرایط پیچیده آب تجزیه و تحلیل و پیش بینی کند.
این شبیه سازی ها به مهندسان کمک می کند تا نقص های بالقوه طراحی را از قبل شناسایی کرده و شکل و ساختار ساختار شناور را برای بهبود ثبات و ایمنی کلی بهینه کنند. $ $