DE2003854A1

DE2003854A1 - Sich selbsttaetig aufrichtender Schwimmkoerper

Info

Publication number: DE2003854A1
Application number: DE19702003854
Authority: DE
Inventors: Head Victor Page
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-01-28
Filing date: 1970-01-28
Publication date: 1970-07-30
Also published as: US3585952A; JPS4913200B1; GB1294401A; FR2029563A1

Description

200385A

6908-69; Dr.Sd/Bru
RCA 60,796
U.S.Ser.No. 79*1,588
filed: January 28, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y.(V.St.A.)

Sich selbsttätig aufrichtender Schwimmkörper (Boje)

ι Die Erfindung lieg im Gebiet der sich selbsttätig aufrichtenden Schwimmkörper (Bojen).

Alle Bojen und auch alle Wasserfahrzeuge erfahren unter dem Einfluss des Windes oder unter dem Einfluss von Wellen ge- _: wisse Kippmomente, d.h. sind Kräften ausgesetzt, welche den

Schwimmkörper schräg zu stellen bestrebt sind. Diese Kippmomente stellen insbesondere ein Problem bei Segelschiffen dar, da sich das Segel, das sich ja oberhalb der Wasseroberfläche befindet, ; so geformt sein muss, daß das betreffende Wasserfahrzeug vom Wind

angetrieben wird. Das Kippmoment kann in nahezu jeder Richtung, ! bezogen auf die Portbewegungsrichtung des Wasserfahrzeuge,wirken. Die Stabilität des Fahrzeugs wird in an sich bekannter Weise durch Benutzung eines Gegengewichts unterhalb dem Körper des Fahrzeugs verbessert und ausserdem noch dadurch, daß dieser Fahrzeugkörper oder Schiffskörper so geformt ist, daß der Mittelpunkt der Auftriebskräfte (d.h. der Massenmittelpunkt des verdrängten Wassers) schon bei einer geringen Neigung oder Schrägstellung des Fahrzeugs sehr stark in horizontaler Richtung auswandert.Der Schwerpunkt des Fahrzeugs und der Mittelpunkt der Auftriebskräfte wirken zusammen als ein Ivräftepaar, welches das Fahrzeug aufrichtet, uei allen praktisch vorkommenden Schiffsformen ist die Stabilität des Schiffes auf verhältnismässig kleine Kippwinkel oder Neigungswinkel beschränkt. Oberhalb eines bestimmten Kippwinkels oder Vorschwenkungswinkels wirkt die Schwerkraft durch den

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: Schwerpunkt des schrägstehenden Fahrzeugs und die Auftriebskraft durch den Massenmittelpunkt des verdrängten V/assers zusammen als ein Kräftepaar, welches das Fahrzeug zum Kentern bringen kann. Das Fahrzeug bleibt indessen schwimmfähig, auch wenn es gekentert ist, sofern mit Luft gefüllte Fehwimmtanks vorhanden sind. Wenn es sich jedoch um ein unbemann es Fahrzeug handelt, welches meteorologische Instrumente trägt, fallen diese Instrumente praktisch aus, obgleich das Fahrzeug noch schwimmfähig ist.

uer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwimmt körper anzugeben, der sich selbsttätig aufrichtet, und zwar unabhängig davon, wie stark uer Schwimmkörper schräg gestellt worden ist.

Wie im folgenden beschrieben wird, ist ein zum Angriff , von Windkräften geeigneter Körper auf dem Deck eines Wasserfahrzeugs befestigt, so daß dieser Körper sich normalerweise oberhalb der Wasseroberfläche befindet. Vorzugsweise soll ein Gegengewicht am Boden des Fahrzeugs befestigt sein. Der Schiffskörper mit dem ; darauf befestigten zum Antrieb von Windkräften geeigneten Körper

und der Schwerpunkt des beladenen Fahrzeugs sowie das Gegenge- ; wicht sind so gelagert und bemessen, daß das Fahrzeug sich unter allen Umständen aus einer Schräglage wieder aufrichtet. Wenn das Fahrzeug ein Segelboot ist, können der Aufrichtkörper und die Segel mit Vorteil kombiniert werden. Für kleine Neigungswinkel, wie sie im normalen Betrieb vorkommen, können bekannte Stabilisierungsmittel benutzt werden, beispielsweise eine Schiffskörperform, welche eine starke Verschiebung des Mittelpunkts der Auftriebskräfte bei einer geringen Neigung des Schiffskörpers hervorrufen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Figur 1 ist eine Vorderansicht eines Fahrzeugs, welches eine Ausführungsform der Erfindung darstellt.

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Figur 2 stellt einen Querschnitt Iäng3 der Schnittebene 2-2 in Figur 1 dar.

Figur 3 und 5 sind schematische Darstellungen zur Er läuterung der Wirkungsweise des Fahrzeuges nach Figur 1.

Figur i\ enthält Kurven, die zur Erklärung der Wirkungsweise des Fahrzeugs nach Figur 1 dienen.

Zunächst soll auf Figur 3 bezug genommen werden, welche ein Segelschiff mit bekannten Stabilisierungseinrichtungen enthält und welches einen floßartigen Schwimmkörper 10 besitzt, der sei nerseits einen luftdichten Schwimmtank 90 zwischen einem Deck 14 und einem Boden 18 enthält, sowie einen Mast 12 auf dem Deck I¹I. Ein gewöhnliches Segel 13 ist an dem Mast aufgehängt. Ein sowohl als Kiel wie als Steuerruder dienender Körper 16 ist an dem Boden 18 befestigt. An der Unterseite des Körpers 16 kann noch ein Gegengewicht 23 angebracht werden. Im Schwimmkörper 10 können ausser dem Schwimmtank 20 noch Nutzlasträume untergebracht sein. Der Schwimmtank 20 kann, sofern es sich um ein unbemanntes ferngesteuertes Fahrzeug handelt, ferner drahtlose Empfangseinrichtungen zur Verstellung des Segels und Steuerruders enthalten, so daß das Fahrzeug einen gewünschten Kurs einhalten kann.

Wenn das Fahrzeug nach Figur 3 sich in senkrechter Lage befindet, liegen die nach oben gerichtete Auftriebskraft durch den Mittelpunkt CB des verdrängten Wassers und die nach unten ge richtete Sohwerkraft durch den Schwerpunkt CG des Fahrzeugs in der gleichen senkrechten Ebene und es besteht kein Grund zur Schrägstellung des Fahrzeugs. Gemäss Figur 4 zeigt die Kurve 22 für den Schrägstellungswinkel 0° keine Richtkraft an.

Wenn das Fahrzeug jedoch um einen kleinen winkel nach rechts geneigt wird, wie es beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist, so wird wegen der floßartigen Gestalt des Schwimmkörpers oder Schiffskörpers 10 die von diesem Schwimmkörper auf der rechten Seite verdrängte Wassermasse grosser als die auf der linken

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Seite verdrängte Wassermasse und das Zentrum der Auftriebskräfte ' verschiebt sich in die Lage C'B'. Die nach oben wirkende Kraft und die im Schwerpunkt CU angreifende Kraft bilden nun ein Kräfte-f paar , welches eine aufrichtende Wirkung, d.h. ein im Sinne der ! Aufrichtung wirkendes Drehmoment ausübt, so daß rechts vom Punkte j 0 die Kurve ?2 in Figur k zunächst oberhalb der Nullinie verläuft. Wenn die Gchrägstellung grosser wird, ist dieses aufrichtende Moment zunächst proportional dem Schrägstellungswinkel. Dies gilt deshalb, weil bei Schrägstellung um kleine Winkel der

k Mittelpunkt der Auftriebskraft der verdrängten Wassermasse in horizontaler Richtung vom Mittelpunkt der Auftriebskraft des aufrechter, i^il;ihrzeur? auswandert. Für kleine Schrägsteilungswinkel treffe;, sich uie vertikale Linie durch aas augenblickliche Zentrum CB' ",er _;iuftriebskraft und die schräge Linie durch den Schwerpunkt und ferner durch das Zentrum des Fahrzeugs in einem Punkte M , der· als Metazentrurn bezeichnet wird. Solange sich der Schwerpunkt ues Fahrzeugs erheblich unterhalb des Metazentrums befindet, ist das Fahrzeug Vür kleine Schrägstellungswinkel stabil und zwar unabhängig davon, ob die Lage des Mittelpunktes der Auftriebskraft (Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse) höher oder tiefer als der Schwerpunkt ües Fahrzeugs liegt. Bei grösserer. Neigungswinkeln erreicht jedoch das aufrichtende Moment

ψ ein Maximum und nimmt sodann wieder auf Ü ab, wenn nämlich das Zentrum der Auftriebskraft des verdrängten Wassers wieder in eine horizontale Richtung zurückkehrt. Es wird also bald ein Punkt erreicht, und zwar häufig bei Schrägstellungswinkeln von weniger als 90 , in welchen die Kraft die durch das augenblickliche Zentrum der Auftriebskraft verläuft und die Schwerkraft, welche durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs verläuft, ein Kräftepaar bilden, welches das Fahrzeug noch stärker schrägzustellen bestrebt ist, wie der in Figur H unterhalb der Nullinie verlaufende Teil der Kurve 22 veranschaulicht. Die Kurve 22 in Figur H wird erst wieder positiv bei etwa 18O°, d.h. daß ein Fahrzeug nach Figur 3 , welches einmal gekentert ist, sich nicht wieder aufrichtet. Bei Vergrüsserung des Gegengewichts 23 in Figur 3 gilt

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in Figur 4 die punktierte Kurve 26. Ein mit einem derartigen vergrösserten Gegengewicht ausgerüstetes Fahrzeug richtet sich also innerhalb eines grösseren Neigungswinkels selbsttätig wieder auf. Jedoch kann auch ein mit einem derartig vergrösserten Gegengewicht versehenes Fahrzeug bei einer genügend starken Neigung noch kentern, wie sich aus dem unterhalb der Nullinie verlaufenden Teil der Kurve 26 ergibt. Auch dieses letztere Fahrzeug richtet sich also nicht mehr selbsttätig auf.

Die Figur 1 veranschaulicht ein Fahrzeug, welches bei keinem noch so grossen Neigungswinkel kentern kann. Der Schiffskörper 10 mit dem Schwimmtank 20 besitzt das Deck 14, den Boden.18, und den kombinierten Kiel- und Steuerruderkörper l6 sowie das Gegengewicht 23 ebenso wie in Figur 3. In Figur 1 ist noch ein Ständer 28 dargestellt, der gegenüber dem Schiffskörper 10 drehbar sein kann und auf dem Deck 14 aufgebaut ist. Der Mittelpunkt einer Traverse 30 ist am oberen Ende des Ständers 28 befestigt. Die äusseren Enden der Traverse 30 sind schräg nach unten abgebogen und an ihnen sind die unteren Enden zweier zum Angriff von Windkräften geeigneter Körper 32, die ihrerseits starr ausgeführt sind, befestigt. Die oberen Enden dieser Körper 32 sind durch eine weitere Traverse 3^ miteinander verbunden. Die Körper 32 sind gekrümmte Körper, welche einander ihre konkaven Seiten zuwenden. Da in der dargestellten Ausführungsform die Körper 32 als Segel wirken, haben sie den in Figur 2 dargestellten Querschnitt erhalten, besitzen also einen stromlinienförmigen Querschnitt mit abgerundeten Vorderkanten und scharfen Rückkanten und sind symmetrisch um eine durch die Rückkante verlaufende (in Figur 2 senkrechte) Mittellinie geformt. Da die Körper 32 als Segel wirken, bewirkt eine Drehung des Ständers 28 auch eine Drehung der Segel, ohne ihre gegenseitige Lage und ihre Lage gegenüber dem Schiffskörper 10 zu ändern. Diese Drehung der Segel kann entweder von Hand oder von einem in der Zeichnung nicht mitdargestellten Motor innerhalb des Schwimmtanks 20 bewerkstelligt werden, wobei zur Verbindung dieses Motors mit dem drehbaren

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Ständer 28 übersetzungsgetriebe, die ebenfalls nicht mitdargestellt sind, dienen können.

Wenn das Fahrzeug nach Figur 1 schräggestellt wird, verläuft sein im Sinne der Aufrichtung wirken es Moment nach der Kurve 36 in Figur 4. Dieses Aufrichtmoment wird r. emals negativ, da nämlich die nach oben wirkende Auftriebskraft, die von der Kombination des Schiffskörpers 10 und der Körper 32 herrührt, wenn diese in das Wasser eintauchen, sich mit der nach abwärts wirkenden Schwerkraft durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs kombiniert und dabei ψ stets ein aufrichtendes Moment ergibt und zwar unabhängig von der Grosse des ochrägstellungswinkels. Bei einem Schrägstellungswinkel von l8O° nimmt die Kurve 36 in Figur 4 den Wullwert an, d.h. ciaß das Aufrichtmoment 0 geworden ist. Dies bedeutet, daß bei Drehung des Fahrzeugs um l80° in absolut ruhendem Wasser una ohne Windeinfluß das Fahrzeug sich nicht selbst wieder aufrichten würde. Jedoch ist die Auftriebskraft der Körper 32 mehr als ausreichend, um das ganze Fahrzeug zu tragen und es wird daher die kleinste Abweichung von der Lage l80° bereits wieder eine aufrichtende Kraft zur Folge haben.

Die Kurve 38 in Figur 4 gilt für den Fall eines etwas kleineren Gegengewichtes 22. Man sieht, daß mit einem kleineren * Gegengewicht 23 aas Fahrzeug sich auch noch selbsttätig aufrichten wird. Wenn jedoch aas Gegengewicht 23 zu klein gewählt wird, kann die Aufrichtkraft schon bei Schrägstellungswinkeln von etwa 90 null werden oaer sogar negativ werden. Daher muss das Gegengewicht 23 mit Rücksicht auf diese Verhältnisse geeignet gewählt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß das Fahrzeug, wenn es nicht genügend schwer ist, bei einer Schrägstellung von mehr als 90° noch stabil ist, wobei die Körper 32 mit dem Wasser in Berührung sind und das Gegengewicht 23 sich ausserhalb des Wasser befindet, wie in Figur 5 dargestellt. Diese Verhältnisse können bei einem zu grossem Auftrieb des Schiffskörpers 10 in Vergleich mit

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dem Fahrzeuggewicht eintreten. Es muss auch beachtet werden, daß der Auftrieb des Schiffskörpers so bemessen ist. daß wenn einer oder beide Körper 32 gerade die V.'asseroberf lache berühren, der Schwerpunkt C¹J ucs Fahrzeugs unterhalb des augenblicklichen Zentrums uer Auftriebskraft GB in der den Körpern 7? abgewandten Richtung liegt, um diese unerwünschte stabile Laro des Fahrzeugs zu vermeiden. Wenn der Schiffskörper 10 eine geringere Auftriebskraft besitzt, taucht er tiefer in das Wasser in Figur r _ej__{n unc}] der augenblickliche Hittelpunkt der Auftriebskraft· würae sich in Figur 5 nach rechts verschieben ₃ so dar α er .":.chwc-r-punkt links i (und nicht i.^ehr rechts) vom Zentrum der ^ufi riots kraft liegen wüi'de und die Kräfte, die von dem Gewicht (ir-. .".;-bv;erpunkt) und von der Schwimnwirkung (wirksam im Zentral.; der Auf ^.r^eb^kraft) herrühren, uns Fahrzeug aufrichten würde: .

Ls wurde gef armen, aa£ v;,s üiv-ap.V-;i,ewicht- Ues beladenen Fahrzeugs in uer ;,^:ähe des doppelten ".fer.oes > -ibo:· ..iieht kleiner als der doppelte Wert der gesamten Auf t:-i ibei-r cTt seir soll, welche das Fahrzeug zeigt, wenn es bis Mher :■!<?. ."".'.hοv.: seines Deckes eingetaucht ist. tfan kann eine zus^Jitr;iiche ^e^ehwoi-uür: ^ux' Erreichung dieses Gewichtes verwenden.

Ein sich selbsttätig aufrichtendes Fahrzeug nach Figur 1 i kann die folgenden Abmessungen besitzen:

Durchmesser des Schwimmkörpers 10 in Figur 1 Nutzlast

Wasserverdrängung

Gesamte Auftriebskraft des Schwimmkörpers unterhalb des Decks

Höhe des Segels oberhalb des Decks iiöhe des Decks über der V.'asserlii-ie Unterkante des Kiels 16 unterhalb des Decks

Tiefe des Schwerpunktes unterhalb dos Decks Segelhöhe oberhalb des Ständers 2c

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	2,	7 ii	m
ca	.2Γ.	t-	kg
ca	Ö7		kG
ca	• 7-^!i	O	kg
	6	1
	1	■Λ	c. CTi
	1		^;4 Π
		3t	,6 cm
	"\ C-	,6

-8-

Bogenlänge beider Segel Radius der gebogenen Segel Breite der Segel (Sehnenabmessung) Dicke der Segel Berechnete Wasserverdrängung der Segel

5,77 m 1,83 m 0,91 m

25,5 cm 504 kg

Um eine Stabilität des Fahrzeugs in der in Figur 5 dargestellten Lage zu vermeiden, kann ein Fahrzeug mit den oben angegebenen Abmessungen ein Nenngewicht von etwa 370 kg besitzen. Wenn das Fahrzeug einschließlich seiner Nutzlast weniger wiegt als 370 kg, so muss es zusätzlich bis zu der Erreichung dieses Gewichts belastet werden. Wenn man ein grösseres Gewicht unterbringen will, so muss ein grösseres Fahrzeug gewählt werden.

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Claims

Patentansprüche

ί l.))Sich selbsttätig aufrichtender Schwimmkörper (Boje mit einem anr Bojenboden befestigten Gegengewicht, gekennzeichnet durch einen auf dem Deck der Boje (10) angebrachten aufrechtstehenden und zum Angriff von Windkräften geeigneten Körper (32) und durch eine solche Bemessung des Auftriebs der Boje, des Windangriffskörpers und des Gegengewichts (23), daß sich der Schwimmkörper in praktisch jeder Lage im Wasser selbsttätig aufrichtet.
2.) Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zum Angriff von Windkräften geeignete Einrichtung in sich steif ausgebildet ist und eine solche Form besitzt, daß sie als Segel wirken kann.
3·) Schwimmkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadur ei gekennzeichnet , daß die zum Angriff von Windkräften geeignete Einrichtung mindestens einen langgestreckten Körper darstellt, der einen stromlinienförmigen Querschnitt besitzt.
4.) Schwimmkörper nach Anspruch 1,2 oder 3, d a durch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein zweier steifer Körper nach Anspruch 3 diese beiden Körper ihre konkaven Seiten einander zukehren.
5.) Sich selbsttätig aufrichtender Schwimmkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwimmkörper eine floßartige Gestalt fcesitzt, ein Deck, einen Boden und einen auf dem Deck befestigten Ständer aufweist, daß eine zum Angriff von Windkräften geeignete Einrichtung auf dem Ständer befestigt ist, daß ein Kiel- und Steuerruderkörper an dem Boden befestigt ist, daß an diesem letzteren Körper ein Gegengewicht angebracht ist und daß der Auftrieb des Schwimmkörpers (10) und die zum Angriff von Wind-

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kräften geeignete Einrichtung , sowie das Qegengewicht so bemea- , sen sind, daß das Fahrzeug sich praktisch in jeder Lage im Wasser selbsttätig aufrichten kann.

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