Scheepsbouw

Scheepsbouw

Opdracht 1: Scheepsvormen

Het bovendek van een schip is een houten balk. Lengte= 50 cm. Breedte= 10 cm. Dikte=1 cm.Voor de massieve houten romp, met een lengte van 50 cm, zijn 4 dwarsdoorsneden mogelijk.

Vierkant (10 cm). Gelijkzijdige driehoek (zijde 10 cm). Trapezium (hoogte 10 cm, boven 10 cm, onder 5 cm). Omgekeerde u, catamaran (Vierkant (10 cm)– Vierkant (6 cm)).

Dit resulteert in de schepen A, B, C en D.

• a: Maak voor elk schip een ruimtelijke tekening en bouw deze schepen.

De weerstand van een bewegend schip is o.a. afhankelijk van de scheepsvorm en de snelheid. Met een sleeptank kan het gedrag van schepen op schaal (A,B,C en D) onderzocht worden.

In de lengterichting van het schip wordt via een horizontale kabeleen kracht F op het schip uitgeoefend. Het aangrijpingspunt (boven of onder het wateroppervlak) van deze kracht is zodanig, dat het bovendek horizontaal blijft. De horizontale kabel gaat via een katrol omhoog en via een tweede katrol weer naar beneden. Aan het eind bevindt zich een massa die naar beneden valt en de kracht F veroorzaakt.De kracht zorgt dat het schip eerst gaat versnellen en daarna met een constante snelheid v verder gaat.

• b: Ontwerp en bouw deze opstelling.
• c: Bepaal voor verschillende waarden van F de bijbehorende snelheid v voor elk van de schepen A, B, C en D.
• d: Welk verband bestaat er tussen F en v voor elk schip?

De weerstand kan verkleind worden door het aanbrengen van een steven.

• e: Onderzoek welke stevens er mogelijk zijn voor de schepen A, B, C en D.
• f: Maak deze stevens, breng ze op het schip aan en beantwoord de vragen c, d en e.

De schepen worden gebruikt voor vrachtvervoer. Op elk schip worden 2 houten kubussen (ribbe=8 cm) gezet.
De diepgang van het schip wordt daardoor vergroot. Dit betekent ook een grotere weerstand. Vanuit stilstand moet elk schip een afstand van 4 meter afleggen.

• g: Onderzoek voor elk schip, voor verschillende waarden van F, de reistijd.
• h: Welk schip zou je kiezen als je let op minimale reistijd?

Op een schip werkt een opwaartse kracht die naar boven gericht is. Als een schip roteert om zijn langsas verschuift het aangrijpingspunt van de opwaartse kracht. Afhankelijk van de plaats van het zwaartepunt van het schip kan het schip in een stabiele of instabiele toestand komen. Formeel is er ook nog een indifferent evenwicht.

• i: Leg uit wanneer er sprake is van instabiliteit.

Roteer de schepen A, B, C en D over een bepaalde hoek om de langs-as.

• j: Bepaal voor elk schip bij welke hoeken er sprake is van instabiliteit.
• k: Welk schip is het minst stabiel?
• l: Hoe kun je schepen stabieler maken?

Roteer de schepen A, B, C en D over een bepaalde hoek om de langs-as, waarbij er sprake is van stabiliteit. Na het loslaten gaat het schip roteren, waarbij de rotatiehoek gemeten wordt.

• Bepaal voor elk schip de grafiek van de rotatiehoek als functie van de tijd.
• Is er sprake van een periodiek verschijnsel?
• Bepaal de formules van de bijbehorende functies.

Opdracht 2: Voortstuwing door wind

Een Flettner-rotor bestaat uit verticaal staande draaiende cilinders, waarbij invallende wind aan één zijde van de rotor versnelt en aan de andere zijde vertraagt. Daardoor wordt de invallende wind afgebogen, ontstaat er lage druk op de plaats waar de invallende wind versnelt en een hogere druk aan de zijde waar de invallende wind vertraagt. Dat drukverschil resulteert in een voortstuwende kracht. Het verschijnsel staat bekend als het Magnus-effect. We gebruiken de catamaran (schip D) om dit verschijnsel te onderzoeken. Op het schip zijn twee rotoren aanwezig (midden en achter). Hoogte 15 cm en diameter 4 cm. De rotatie wordt verkregen door de torsieveer met de hand te spannen en daarna los te laten. De wind wordt verkregen door een ventilator te gebruiken, waarbij het toerental en dus de windsnelheid te regelen is. De wind staat horizontaal en loodrecht op de lengterichting van de boot. De boot bevindt zich in een waterbak.

• a: Bouw de opstelling, waarbij de rotoren zich op het midden van het bovendek bevinden.
• b: Hoeveel cm legt de boot af bij verschillende toerentallen van de ventilator als de veer voor de helft voorgespannen is?
• c: Hoeveel cm legt de boot af bij verschillende toerentallen van de ventilator als de veer helemaal gespannen is?

Om de manoeuvreerbaarheid van een schip met de draaiende cilinders te onderzoeken wordt de plaats veranderd. De eerste cilinder staat rechts voor aan de stuurboordzijde, de tweede cilinder staat links achter aan de bakboordzijde.

• d: Bouw de opstelling.
• e: Onderzoek hoe de boot naar bakboordzijde gedraaid kan worden.
• f: Onderzoek hoe de boot naar stuurboordzijde gedraaid kan worden.

Afbuiging van de wind, met de bijbehorende voortstuwende kracht, kan ook door een zeil gerealiseerd worden. We gebruiken de catamaran (schip D). De masthoogte is 20 cm. De mast wordt in het midden van het bovendek gezet. Het zeil is niet vervormbaar (rigid i.p.v. soft) en heeft de vorm van een rechthoek. Rechthoekzijden: 15 cm en 5 cm. De rechthoekzijde van 15 cm zit vast op een draaibare mast, die in stappen van 15 graden in 7 verschillende posities worden gezet. In positie 1 staat het zeil richting stuurboord en in positie 7 richting bakboord. We gebruiken de waterbak met de ventilator om bepaalde resultaten te krijgen.

• g: Bouw de opstelling.
• h: In welke posities kan je met de wind mee varen en is dit afhankelijk van de windsterkte?
• i: In welke posities kan je tegen de wind in varen en is dit afhankelijk van de windsterkte?

Opdracht 3: Voortstuwing door een schroef

Een motor (elektromotor, benzinemotor of dieselmotor) drijft de schroefas aan. Dit kan eventueel via een reductiekast. Op de schroefas bevindt zich de schroef. De draaiende schroef zorgt ervoor dat het water een kracht op de bladen uitoefent en voor de stuwkracht van het schip zorgt.

• a: Wat is het doel van een reductiekast?
• b: Welke vorm kan een blad hebben?

De weerstand die een schip ondervindt bestaat uit: wrijvingsweerstand, vormweerstand, golfmakende weerstand, weerstand door zeegang en deining, luchtweerstand. De stuwkracht moet deze weerstanden bij gelijke snelheid compenseren.

• c: Geef bij elke weerstand een uitleg.

Opdracht 4: Besturing

Om een schip te sturen kan een roer gebruikt worden. De remmende werking van het roer dient minimaal te zijn.

• a: Welk type roeren zijn er?
• b: Op welke wijzen kan een roer bestuurd worden?

Sturen kan ook met een straalbuis, waarbij gebruik wordt gemaakt van lucht. Op de achterzijde van een modelschip worden twee buizen gezet die voor een gedeelte in het water steken. Op de andere zijden wordt een opgeblazen ballon vastgemaakt. Bij het vastmaken zorgen dat de ballon opgeblazen blijft: uiteinde dicht knijpen. Als de lucht uit de ballon via de buis het water bereikt ontstaat er een voortstuwende kracht op de boot. Gebruik voor het schip de catamaran.

• c: Bouw het schip (gebruik als uitgangpunt schip A,B,C of D).
• d: Blaas de ballonnen zodanig op zodat het schip volgens een rechte lijn beweegt.
• e: Blaas de ballonnen zodanig op zodat het schip volgens een deel van een cirkel beweegt.

Voor de besturing wordt gebruik gemaakt van een roer en voor de voortstuwing van een straalbuis met ballon. De stand van het roer moet zodanig zijn dat de boot een boei, die in water ligt, moet treffen. De afstand van startpunt tot boei is 5 m. De bijbehorende baan van het midden van de voorkant van het bovendek is cirkelvormig.

• f: Bouw het bijbehorende schip en probeer de boei te treffen.

Voor de voortstuwing gaan we een elektrische buitenboord motor gebruiken. De motor werkt op een batterij.

• g: Hoe werkt een elektrische buitenboordmotor en uit welke onderdelen bestaat de motor?
• h: Ontwerp en bouw het schip. Probeer de boei te treffen.

Als energiebron voor de motor gaan we zonne-energie gebruiken. Zonnecellen zetten zonlicht om in een elektrische stroom. Het zonlicht bestaat uit diverse kleuren; de bijbehorende fotonen zijn in staat om bij bepaalde materialen een elektron vrij te maken en zo voor een stroom te zorgen. De stroom wordt gebruikt voor direct gebruik of om een accu op te laden.

• i: Waarom is het zinvol om een zonnecel uit diverse materialen op te bouwen?
• j: Hoe kan terugkaatsing i.p.v. vangen van het zonlicht voorkomen worden?
• k: Ontwerp en bouw het schip. Probeer de boei te treffen.