裸工程-建模受损船舶

Meera -本周在Naked Engineering, Dave和我坚持航运的主题，但我们将研究一些基础知识，看看船只实际上是如何漂浮的，以及当它们在海上时，是什么力作用在它们身上。戴夫，首先，船是怎么浮起来的?

戴夫:井水很沉。它的重量大约是每升一公斤或每立方米一吨。这意味着潜得越深，压强就越高。所以，船底的水压要比船顶高得多，这意味着总的来说，有一个合力把它推上去，你就得到了这个向上的力，把船撑起来。

米拉:那么在海上的船会怎么样呢?什么样的力作用在它上面，怎样克服这种力使它浮在水面上?

戴夫:有两种主要的力量。这是上冲和重力。重力把它往下拉，飞船的一些部分比其他部分重，所以它们会有更大的重力。其他地方的上推力比重量更大，所以它们就像被举起来一样。这艘船的实际结构设计就是将力从上推力传递到所有重量所在的地方，以支撑一切，保持良好稳定。即使船只是停在平静的海面上，它也会承受很大的压力，一个地方有很重的引擎，而且船的船头和船尾也会向下下沉，这被称为横冲直撞。

Meera -理解这些力量显然很重要，尤其是在一艘受损的船上，看看如果一艘船在海上受损会发生什么。为了进一步了解这个问题，我们来到伦敦大学学院的流体实验室，拜访了丹尼尔·福恩，他正在研究这个问题。

丹尼尔:我正在调查受损船只，更具体地说，是在海浪中受损的船只。大多数研究都是在静水中的船上进行的。

戴夫:我想海浪会给船只带来很大的压力，如果你的船损坏了，你最担心的时候就是你在大风暴中间的时候。

丹尼尔-没错，当一艘船受损时，它承受压力的结构就会变少。

米拉:我们来到你的实验室，看看你在哪里进行研究。我们面前有一个巨大的水箱。它长20米，宽2.5米。里面装满了水，大约一米深，中间漂浮着一个船的模型。

丹尼尔-这个坦克有两个功能。首先，它的一端有一个造波器，可以产生非常精确的深水波浪;其次，它有一个拖轨，可以扩大水箱的长度。我们可以给它附加模型。

米拉:所以，在这个水箱的中间有一个2米长的船模型，但它是拼凑在一起的。这是怎么回事?你在这艘船上到底在调查什么?

丹尼尔:所以我们把这个实验叫做“铰链船实验”。我们做了一个两米长的模型，把它完全切成两半，然后把两半铰接在一起。我们还放置了测压元件，这是一种小装置，可以测量波浪通过模型所产生的力。一艘船最关键的模型，即使它没有损坏，也是当它纵向弯曲的时候。就像戴夫之前提到的，一艘船会沿着它的长度弯曲所以如果浮力较小，船头和船尾会浸入水中或者它们会比中间更多地露出水面，所以你会看到船的弯曲效果。这就是我们实验的主要目的我们想知道损害的影响;它的位置，洞的大小，对力的影响。

米拉:那你到底想造成什么样的伤害呢?

丹尼尔:这个模型是由PVC和胶合板制成的，这样做的好处是我们可以很容易地在它的底部钻洞，然后修补它们，这样我们就可以随意移动损坏的地方。这个实验建立的方式是，我们观察对称的损伤，模型的中线对称这是一个很好的简单的代表一艘船搁浅。如果你想一下当一艘船或一艘船受损时需要考虑的变量的数量:损伤的大小，洞的形状，洞的粗糙度，它在船的长度上的位置，它是在一侧的水线上还是在底部;受损的隔间，是装满了设备和机器，还是一个空的货舱?所有这些都对由于破坏而产生的力量有相当大的影响。

米拉-我们面前有一个巨大的水箱。我们能看到它的实际应用吗?

丹尼尔-当然。所以我要做各种不同的波长，我们这里有一个屏幕，它会给我们读数的力量在船的中间，以及前部和尾部的运动。在这种情况下，我们已经指示造波器产生所谓的规则波，本质上是正弦波。

戴夫:所以你得到了一串波长约为一米的波。

米拉:现在，看着屏幕上所有作用在飞船上的力，飞船模型发生了什么?

丹尼尔:所以这个模型是被这些经过的波激发的，我们在前面和后面安装了传感器来测量位移。我们也有我们之前说过的测压元件，给出一个力的读数，我们有一系列的波探头，测量水的位移，无论它们安装在哪里。所以这个模型显示出弯曲，从屏幕上可以看到。相对于模型，当波浪经过时，它也明显上下移动，内部的水也上下移动。

Dave -我一直在看屏幕，它似乎使用了相当任意的力单位，但目前，力的峰值似乎是0.3个单位。

米拉:好的，丹，你现在在改变波长，让它稍微长一点。

丹尼尔-所以我现在已经降低了波的频率。也就是说波长会变长，我们会看到当波长和船长完全一致时会发生什么。

Meera -在实际的图形屏幕上，力量似乎都改变了…

丹尼尔-现在通过模型的波的长度等于模型的长度。在经典的船舶理论中，这是已知的最坏的船舶弯曲情况。这些波浪，如果你在它们经过模型的时候把它们冻结，你会发现，因为它们和船一样长，你会在两端有一个高峰，中间有一个低谷。

米拉-也就是说中间没有支撑。

丹尼尔:没错。中间没有浮力，但两端都有最大浮力，所以模型会弯曲。

米拉:好的，我们已经看到，当不同波长的不同因素影响一艘船时，会有明显的差异。到目前为止，你找到了什么，丹尼尔?

丹尼尔:嗯，现在有很多软件用来模拟受损的船只，通常不会考虑到船上有一个洞的事实。他们把一罐水装满，但上面没有任何洞。我们用我们的模型模拟了相同的场景，然后我们将其与同一隔间中有一个洞的情况进行了比较，我们发现模型中流体的行为是非常不同的。没有洞的情况下，洪水运动非常剧烈，而同样有洞的情况下，洪水运动非常正常。实际上这里有一个洞，这有一种阻尼作用。

Meera -当船长在海上带着一艘受损的船时，这些怎么能被用来帮助船长呢?

丹尼尔:我们和南安普顿大学正在开发一系列计算机工具，可以模拟在海浪中受损的船只。这些实验主要是为了验证他们和我们的软件产生的任何结果。我们希望这个软件将来能够帮助船长在海上遇到紧急情况时报告发生了什么样的损害。我们希望我们的软件能够告诉船长，在天气预报的情况下，他是否应该呆在原地，他是否可以靠自己的力量回到安全的避风港，他是否需要被拖着，是否完全跳船，离开那里，因为船要裂成两半了。