Onderwerp: Uitleg over statische stabiliteit

JotM schreef : Wat ik heb proberen te bereiken met dit draadje is het zo veel mogelijk versimpelen van een toch wel behoorlijk gecompliceerd onderwerp. Daarbij heb ik het hier proberen te beperken tot STATISCHE stabiliteit, maar om de een of andere reden gaat de hele discussie om alles wat dynamisch is en dus feitelijk buiten het onderwerp van dit artikeltje valt. In theorie heb je natuurlijk volkomen gelijk dat stampgedrag veroorzaakt word door een langsverschuiving van het drukkingspunt, maar dat vergt meer theoretisch inzicht om te doorgronden, dus vandaar dat ik zulke dingen probeer er niet bij te halen en jargon zoveel mogelijk weglaat. Dat is vergelijkbaar als ik les geef in astronavigatie, om zaken makkelijker over te dragen gaan we er in de gesprekken vanuit dat de aarde het middelpunt van het heelal is en dat de rest van de hemellichamen er omheen draaid. We weten allemaal dat dit niet correct is, maar de materie word er veel makkelijker door te begrijpen.
Het is me even onduidelijk wat ik hier verkeerd doe?
Wederom heb je hier natuurlijk gelijk, maar als je het zo op schrijft in een artikel wat bedoeld is om een complexe materie uit te leggen aan mensen die geen wetenschappelijke achtergrond hebben dan word er al snel niets meer van begrepen. Daarnaast is voor deze materie op niet-wetenschappelijk niveau het fenomeen gewicht en massa natuurlijk gewoon hetzelfde. Echter heb jij het over stampfrequentie, maar dat moet amplitude zijn. De frequentie word bepaald door de interval waarmee de golven onder de boot doorkomen, de massatraagheid van de boot zelf bepaald dan de stamp amplitude.
Die vraag is niet te beantwoorden (en dat weet jij natuurlijk ook). Positief hangt af van eht doel van het vaartuig, wil je er inshore wedstrijden mee winnen, wil je er offshore wedstrijden mee winnen, worden die wedstrijden voornamelijk aan de wind of ruime wind gevaren, wat zijn de te verwachten golf omstandigheden gedurende tocht. Aan de andere kant van het spectrum heb je de toerzeilers welke comfortabel van A naar B willen en wie het weinig kan schelen of ze er nu een uurtje of een dagje langer over doen. Ook daar weer maak je onderscheid tussen de te verwachten weersomstandigheden, vaarwater. Waar je bij een wedstrijdboot weinig waarde hecht aan de acceleraties (g-krachten) in diverse lokaties van de boot is dat bij toerzeiljachten natuurlijk wel het geval. Dus zoals alles met een ontwerpen en gebruiken is het antwoord: "hangt er vanaf".
Uiteraard heb ik dat bedacht, het is immers mijn werk. Maar zoals jij ook weet heeft een kiel meer als 1 functie, het is een drift beperker, het is een boot rechtophouder en het is een zeildragend vermogen generator. Zeileigenschappen worden voor een flink deel bepaald door verhoudingen tussen zeildragendvermogen, natoppervlak en gewicht van de boot. je kunt er dus een zo licht mogelijke of een zo ondiep mogelijke kiel onder hangen om het stampgedrag te verminderen, maar een boot die nauwlijks vooruit komt omdat er bijna geen zeil op kan door gebrek aan zeildragend vermogen stampt natuurlijk nog veel meer. Een massa welke in beweging is stampt natuurlijk veel moeilijker als een massa welke stillicht. Dit fenomeen is makkelijk te testen door met redelijke golfslag precies dwars op de golvente gaan motoren. De boot zal flink rollen, maar als je stil gaat liggen in dezelfde orientatie tov de golven dan rol je nog aanzienlijk meer. Een boot is een gigantisc en bijna onbevatbaar complex geheel tussen natuurkundige fenomenen die allemaal tegelijk aan de boot aan het trekken zijn. Oplossingen die goed zijn om de effecten van het ene fenomeen te verminderen zijn contra productief op andere fenomenen. Dus als je een beter zeilende boot wilt hebben (in de zin van snelheid, hoogte aan de wind, minder gewicht etc.) dan hang je er een diepere kiel onder en dat dit een negatieve invloed heft op het stampgedrag neem je dan voor lief. Puur afhankelijk van de effecten op de snelheid van de boot zou het stampgedrag zelfs minder kunnen worden omdat de massatraagheid van de beweging van de boot een enorm dempend effect heeft op de stamp amplitude.

Erikdejong schreef : Voor mij - en als het goed is voor iedereen die op de middelbare school natuurkunde heeft gehad - is massa een mate van traagheid (hoeveelheid materie) en gewicht een kracht. Een astronaut, maar ook iemand die het voordek "onder zich weg voelt zakken", kan gewichtloosheid ervaren, maar geen massaloosheid.
Het kan natuurlijk voor mensen die geen natuurkunde hebben gehad verwarrend zijn dat een weegschaal je gewicht meet en vervolgens je massa [kg] weergeeft. Dat leidt er in de volksmond inderdaad toe dat mensen hun gewicht in kg uitdrukken, zonder er nog bij stil te staan dat ze daarmee eigenlijk op de oude eenheid kgf duiden.
Maar de meeste mensen die zich in een draadje als deze interesseren kennen denk ik het "F = m · a" van Newton wel. En vaak de versie "F_z = m · g" , waarbij gewicht F_z door de zwaartekrachtversnelling g aan massa m wordt gekoppeld ook.

Wat mij betreft zou je er beter aan doen het verschil tussen massa en kracht uit leggen (als dat nodig zou zijn, wat ik eigenlijk niet verwacht), dan ze op één hoop te gooien.

Maar ik bedoel eigenlijk de eigenfrequentie van dit roterende massa-veersysteem. Zoals jij wel weet krijg je de door Boarderbas aangehaalde opslingering als de frequentie waarmee "de golven onder de boot doorkomen" daarbij in de buurt komt. Maar dan wordt het verhaal voor velen op ZF echt wat te wetenschappelijk.
Wat bedoel je met het onderstreepte stukje?

JotM schreef :
Als ik t mag zeggen gaat t vooral om een balansering van prioriteiten.

Als allereerste moet je boot zeil kunnen dragen. Dus een bepaalde massa op een bepaalde afstand. Statische stabilitieit.

Als tweede moet hij niet zomaar omgegooid kunnen worden. Daarvoor heb je massatraagheid tegen rollen nodig.

Pas daarna is het handig als je boot de golven een beetje leuk volgt. Daarvoor moet de massatraagheid tegen rollen niet te groot zijn.

Dat zijn 3 totaal verschillende eigenschappen die elkaar deels tegenspreken.

Dus.

Dat t verwarrend is en contradicties lijkt te hebben, klopt. Het heeft contradicties.

Zo ook rompvorm: smal geeft weinig grip voor een golf, maar kent weinig demping tegen rollen. Vanaf dat moment wordt eigenfrequentie belangrijk. Het gaat mis als die in de buurt van de golffrequentie ligt.

Voor duiken geldt ook zoiets. Veel overhang dempt de beweging. Maar kost waterlijnlengte, dus snelheid.

JotM schreef : Een boot welke zich met 10 knopen voortbeweegt heeft veel minder neiging tot stampen dan een boot met gelijke massatraagheid welke maar 3 knopen loopt. Ik denk dat we allemaal dat gevoel wel kennen als de boot een keer stil gevallen is door een flinke golf op een aandewindsrak en dan weer op gang moet komen. Gedurende het op gang komen ligt de boot vaak te bokken als een wild paard en pas als er weer wat snelheid in de boot komt dan komt de boot ook weer wat tot rust.
Zie het als iets in je hand houden wat heel snel ronddraaid (gyro tol) en dan je arm bewegen, dan voel je het massatraagheidseffect van iets wat snel beweegt.

Erikdejong schreef :
Uhm... Dat is echt een ander effect en geldt alleen voor dingen die hard draaien. Iets wat een voorwaartse snelheid heeft reageert precies eender als iets stilstaands op krachten.

Wat wel kan, is dat, doordat bij hoge (romp-) snelheid er een kuil ontstaat, midscheeps, je boot in duikrichting langer en dus stabieler wordt. Ook kan ik me voorstellen dat er een of andere zuiging uitgaat van de stroming langs de romp.

Joop66 schreef : ... voor een gegeven boxmaat.

Erikdejong schreef : Nu gaan we vrees ik echt los van het (statische) onderwerp van dit draadje, maar dit wordt mijns inziens tenminste gedeeltelijk veroorzaakt door hydrodynamische demping: je kiel en roer gaan bij voldoende voorwaartse snelheid lift ontwikkelen tegen de rolbeweging in.

Des te meer snelheid des te meer wrijving, dus meer stabiliteit.

Zoals ik al eerder schreef: als je stil ligt val je om. Vergelijk het met fietsen door mul zand.

Ik weet dat de laatste posts niet over statische stabiliteit gaan, maar juist over dynamische. Dat vind ik eerlijk gezegd veel interessanter in de praktijk. Immers, echte situaties zijn altijd dynamisch. Bovendien is er al het nodige gezegd over hoe statische stabiliteit werkt, en snapt iedereen denk ik wel wat de stabiliteitskromme zegt, en de zinvolle aanvullingen hierop in de afgelopen posts. Het effect van snelheid op bijv stamp-gedrag vind ik bijv. zeer relevant, omdat het een issue is die je vaak zelf tegenkomt als je wel eens op zee zeilt. Ik ben geen natuurkundige, maar ik twijfel of het positieve effect van snelheid op stamp-gedrag vergelijkbaar is met het gyroscopisch effect van een fiets. Is het gyroscopisch effect niet afhankelijk van een ronddraaiende beweging? Die is er bij een boot op snelheid niet. Het effect van wrijving zou inderdaad ook een rol kunnen spelen...

En dan wordt het allemaal anders...

Is het denkbaar dat ooit wereldomzeilende toerzeilers als libellen boven de golven scheren? Niks stampen!

Ja. Dat kan met o.a. easyjet, Ryanair, etc.

Erikdejong schreef :
De frequentie waarmee het massa-veer systeem, wat de boot in dit geval is, aandrijft neemt toe. Het verschil tussen resonantie frequentie en initiërende frequentie wordt ongunstiger om een resonantie te veroorzaken. Hogere frequenties kunnen ook minder energie in zich hebben.
Dit draadje volgend had ik even de hoop dat vanuit het benaderen van de statische stabiliteit als integraal de stap gemaakt zou worden naar een drie dimensionaal dynamisch massa-veer systeem waarin een deel van de energie opgeslagen wordt en zo tot een gevaarlijke situatie kan leiden.

3Noreen schreef : Grappige gedachte. Een beetje als een slinger van Foucault die niet langer door de oorsprong komt, maar waarvan de baan van het "laagste punt" een cirkel rond de oorsprong maakt, met een langzaam toenemende straal bedoel je?
In bootjes vertaald: door een combinatie van stampen en slingeren is BG_min permanent een beetje groter geworden. Als BG_min groot genoeg wordt, wordt het zaakje vanzelf instabiel.
Dingetje voor "wereldomzeilende toerzeilers", die 2/3 van het jaar stil liggen, meest achter een anker?

Edit
Gedachtenspinsel: dan wil je het dus zo organiseren met stabiliteit (zowel transversaal als longitudinaal), massatraagheidsmomenten rond de x-as en y-as en demping, dat de eigenfrequenties van slingeren en stampen niet bij elkaar in de buurt komen, toch?

Joop66 schreef : Een golf is een massa waterdeeltjes wat rond draaid met een straal van de golf hoogte.Die zou ik nog een keer proberen te bestuderen als je in de kuip van je boot zit als het eens flink golft.

Erikdejong schreef : Maar we keken toch naar de stabiliteit van het schip, niet naar de stabiliteit van de golf? Ik denk dat je prima laat zien waarom een golf niet spontaan de hoek omgaat.
Over de cirkelvormige baan van waterdeeltjes in een golf: die versnellen dus permanent richting het middelpunt van die rotatie. Wat mooi laat zien waarom de statische stabiliteit van een schip op de top van een golf kleiner is dan in een golfdal. Ook als je in deining voor anker ligt.Joop66 doet mijns inziens niet anders dan refereren naar de Tweede wet van Newton. Heb jij waarnemingen uit de kuip die je doen vermoeden dat die niet klopt?

JotM schreef : Die twee zijn niet los van elkaar te zien.

JotM schreef :
Je moet ook rekening houden met 1e en 2e harmonische. Veertig jaar geleden zou mijn hoofd weken lang mijn vol hebben kunnen zitten met het proberen te vinden van een analytische oplossing. Nu we beschikken over goedkope en krachtige computers zou ik meer geïnteresseerd zijn in een numerieke benadering. Vooral wat verschillende boottypes daarin doen. Hoe werkt een wave piercing boeg in het spel? Je stopt dan een hele hoop ervaringsdata in een systeem wat de achterliggende mechanismes zou kunnen vinden.
Maar helaas mijn kennis en kunde is ontoereikend om een mooi computer programma te maken waarin verschillende bootvormen op deze wijze numeriek benaderd kunnen worden. Het lijkt me ook iets wat een team zou vergen om te maken.

3Noreen schreef : Te beginnen met een door brambo, roozeboos en Zeilprutser obv Rpi in elkaar geknutseld "ZF-data-aquisitie-systeem"?
Gieren moeten we dan trouwens ook niet vergeten. Wel typisch een domein voor Langrangiaanse mechanica lijkt me trouwens.

JotM schreef :
Ik kan zo 2 dingen bedenken;
-lift (uit laterale vlakken, maar ook door de stroom langs de romp)
-Groter verschil in snelheid tussen water (golf) en romp, meer potentiële energie om de boeg door de golf te werken.

Erikdejong schreef : Ik zit op een wip, op het andere eind van de wip staat een grote tol. Waarom zou het evenwicht van de wip anders zijn dan wanneer er een stationaire massa aan het andere eind staat?

Je zit niet op de wip, je wilt rechtdoor lopen en die tol staat te tollen midden op de weg, daar moet je doorheen/omheen. Als je er langzaam tegenaan loopt dan slingert die tol jou met grote snelheid de berm in. Als je maar hard genoeg tegen die tol aan rent dan heb je een kans dat jij die tol de berm in kan duwen.

JotM schreef :
Zelf ben ik nooit verder gekomen dan 3 frequenties door middel van Fourier Transforms uit de beweging van mijn boot te halen t.b.v. verbeteren van mijn stuurautomaat.

Is de Langrangiaanse mechanica niet een typische analytisch wiskundige benadering ?
Edit; even zitten lezen. Toch wel degelijk een aanzet tot een numerieke benadering.

Erikdejong schreef : Als de tol in het midden van (rechte) weg staat en jij loopt precies over de middellijn van de weg dan gaat òf geen beiden de berm in, of beiden gaan de berm in (de ene links, de ander rechts). De snelheidscomponent waarmee beiden zich richting berm gaan bewegen verhoudt zich als v_tol·m_tol = -v_"jij"·m_"jij" . Het evenwicht van de "wip" verandert niet. (het zwaartepunt van de combinatie tol+"jij" blijft op de middellijn van de weg)


Edit:
Nog even terug naar analogie golf<>tol.
De tol (golf) draait en het gyroscopisch effect "verzet" zich tegen verandering van de oriëntatie van de rotatie-as. De tol gaat dus nog steeds goeddeels om de verticale as roterend richting berm. "Jij" roteerde niet, dus als de tol je niet "in het zwaartepunt raakt" zal je niet alleen opzij gegooid worden, maar ook gaan draaien. In meer detail: als de golf je boven resp onder je zwaartepunt raakt, ga je head-first de berm in resp worden je benen onder je weggeslagen en klap je met je gezicht op het asfalt. Hoe snel je voor de botsing ook rent. ("transleert")
Ik ken niet veel bootjes die onderweg continue snel om hun mast roteren, dus nee, hard varen levert in die zin geen extra stabiliteit op.

(toch bewondering voor Joop66, die het een stuk bondiger wist te verwoorden)

Edit2:
Als ik er nog eens over nadenk vraag ik me trouwens af of een golf "stabieler" kan worden agv "gyroscoopwerking", want volgens mij zijn watermoleculen toch meer een verzameling puntmassa's (die geen massatraagheidsmoment hebben), dan een star lichaam (die dat wel hebben).
Maar dat is misschien meer iets voor Steef Ton om wat over uit te wijden.

Ik probeer een parallel te trekken: geldt ook voor vliegtuigen dat ze moeilijker gieren en stampen naarmate ze sneller vliegen?

Natuurlijk, nooit gevlogen maar dat lijkt logisch:
nl.wikipedia.org/wiki/Luchtzak_(meteorologie)

Het lijkt me dat je bij harder vliegen de scherpe dalingshoek /stijgingshoek afvlakt.