thumb|300px|Met CFD berekende druk van het stromingsveld rond de boeg van de DDG-51 met en zonder bulbsteven, bij 20 knopen Scheepsweerstand is de weerstand die een schip ondervindt zodra het vaart. Bij lagere snelheid wordt deze weerstand voornamelijk veroorzaakt door de druk- of vormweerstand en wrijvingsweerstand van het nat oppervlak van het schip, het oppervlak van de carène. Bij hogere snelheid wordt de golfweerstand groter.
De hydrodynamische weerstand bestaat uit meerdere, vaak samenhangende, componenten. Naast de hydrodynamische weerstand is er de luchtweerstand. De hydrodynamische weerstand RT wordt vaak onderverdeeld in wrijvingsweerstand en restweerstand. De restweerstand omvat de druk- of vormweerstand en de golfweerstand. Dit is de vlakwaterweerstand. Wind en golven zorgen voor een toegevoegde weerstand, net als manoeuvreren.
De totale scheepsweerstand wordt wel benaderd door de schroefwet. In deze benadering neemt met de hoge reynoldsgetallen van schepen de weerstand kwadratisch toe met de snelheid. Aangezien het benodigde vermogen om deze weerstand te overwinnen, toeneemt met de snelheid, neemt het vermogen toe met de derde macht. SchroefwetDit voorbeeld gaat uit van een voortstuwingsverbruik van 200 ton per dag bij 25 knopen en een relatief hoog hotelverbruik van 20 ton per dag. Bij een reis van 10.000 zeemijl duurt de reis dan een kleine 17 dagen waarbij een kleine 3700 ton is verstookt Verbruik per dag Verbruik reis Reisduur
Totale weerstand
De totale weerstand RT is gedefinieerd als de sleepweerstand van de romp zonder schroef. Door de schroef-romp-interactie is deze niet gelijk aan de benodigde stuwkracht T. De werking van de schroef veroorzaakt ter plaatse een hogere snelheid, wat zorgt voor een hogere wrijvingsweerstand en drukverlaging bij het achterschip. Deze weerstandsverhoging ΔR ten opzichte van de stuwkracht en de scheepsweerstand is het zoggetal t:
De totale weerstandscoëfficiënt is:
Wrijvingsweerstand +Grenslaag222pxLaminaire grenslaag Overgang Laminaire of viskeuze sublaag Loslatingspunt Losgelaten grenslaag Turbulente grenslaag Wrijvingsweerstand RF is de kracht die de scheepshuid ondervindt door het langs stromende water. Dat komt doordat het water vlak tegen de scheepshuid stilstaat ten opzichte van die huid. Als water beschouwd wordt als een newtoniaanse vloeistof, dan is de schuifspanning rechtevenredig aan de gradiënt van de stroomsnelheid loodrecht op het schuifvlak:
waarbij:
de schuifspanning op de stof is, deze ontstaat door de weerstand van de stof tegen het stromen, de vloeiweerstand; , waarvoor ook wel voor wordt gebruikt, is de dynamische viscositeit van de stof, deze is bij een newtoniaanse vloeistof een constante; is de gradiënt (verandering) van de stroomsnelheid loodrecht op het schuifvlak. Het schuifvlak is het vlak waarover schuif plaatsvindt.
De wrijvingskracht is afhankelijk van het wrijvingsoppervlak, het nat oppervlak, waarbij alleen de component die evenwijdig is aan de relatieve beweging meetelt:
Getal van Reynolds Bij stroming ontstaat een grenslaag, waarbij de relatieve snelheid direct aan de scheepshuid nul is en op toenemende afstand groter wordt tot uiteindelijk de ongestoorde snelheid. De grenslaag is deels laminair en deels turbulent. Waar bij het voorschip sprake is van laminaire stroming, ontstaat verder naar achteren een turbulente stroming. Daar is na een overgang nog sprake van een zeer dunne laminaire of viskeuze sublaag. Bij grote ruwheid of door de scheepsvorm kan loslating optreden, wat leidt tot een toename van de weerstand. Achter het loslatingspunt is sprake van een tegengestelde stroming.
De invloed van de ruwheid is:
Het ITTC heeft in 1957 de wrijvingsweerstandscoëfficiënt CF voor de correlatie tussen model en schip bepaald als:
Getal van Froude Zoals het getal van Reynolds bepaald wordt door de viscositeit van het medium (doorgaans water), staat het getal van Froude in functie van de traagheid en de gravitatie.
Dunne planken In 1870 stelde William Froude empirisch vast dat dunne planken die over water werden voortgetrokken een wrijvingsweerstand ondervonden.
Daarin is het soortelijk gewicht van water de wrijvingscoëfficiënt afhankelijk van ruwheid het ondergedompelde oppervlak de sleepsnelheid een ruwheidscoëfficiënt
Schepen De vorige formule geldt alleen voor dunne planken. Voor schepen wordt de formule als volgt:
waarin: de lengte van het schip is en het ondergedompelde oppervlak, met , de breedte van het schip de diepgang van het schip het volume van de kuip
Correcties Er moet met een aantal factoren rekening worden gehouden, zoals: temperatuur, de viscositeit van water verandert met de temperatuur. Een hogere temperatuur betekent een lagere viscositeit. Zo is , en ruwheid, door gebruik, maar vooral door stilliggen, wordt de huid minder glad. Dit komt onder meer door algengroei , met
vorm, voor snelle schepen is deze factor minder belangrijk, voor zware tankers kan de vormfactor waarden tot 0,2 halen
,
met de vormfactor.
Aangepaste formule De toevoeging van de correctiefactoren aan de oorspronkelijke formule voor geeft de volgende uitkomst:
(eenheid kgf)
Restweerstand De restweerstand RR wordt bepaald door de wrijvingsweerstand af te trekken van de tijdens sleepproeven gevonden totale weerstand. De restweerstandscoëfficiënt is:
waarin de vormfactor is.
Drukweerstand +Verhouding druk- en wrijvingsweerstandLichaamDruk-weerstandWrijvings-weerstand94px0%100%94px~10%~90%94px~90%~10%94px100%0%
Drukweerstand RP ontstaat door inwendige wrijving van een vloeistof bij het omstromen van een lichaam. Hoewel in een onsamendrukbare en niet-viskeuze vloeistof er volgens de paradox van d’Alembert geen drukweerstand zou zijn, omdat de druk voor het lichaam gelijk is aan die achter het lichaam, gaat er door interne wrijving stromingsenergie verloren, zodat de constante van Bernoulli afneemt. Hierdoor neemt de druk verder naar achteren af, zodat er een drukverschil ontstaat tussen de voor- en achterkant.
Uit het bovenstaande volgt dat drukweerstand slechts afhankelijk is van de dwarsdoorsnede van het lichaam dat dwars op de stroomrichting staat:
De drukweerstand is afhankelijk van de vorm — vormweerstand — en van de loslating van de grenslaag — wervelweerstand.
Golfweerstand Golfweerstand treedt op zodra een lichaam zich beweegt in het scheidingsvlak tussen twee stoffen met verschillende dichtheden, zoals water en lucht, of waterlagen met verschillende temperatuur of zoutgehalte. Een varend schip veroorzaakt een drukverstoring die golven opwekt. Deze worden bepaald door het evenwicht tussen drukkrachten, traagheidskrachten en de zwaartekracht. Als de massa van de bovenste vloeistof verwaarloosbaar is ten opzichte van de onderliggende, zoals bij lucht en water, geldt het Froudegetal Fr:
Het Froudegetal bij waterdiepte is:
Daarin is:
de snelheid de zwaartekracht de karakteristieke lengte (bijvoorbeeld lengte van een schip) de diepte van het stromende water
De publicatie The wave resistance of a ship van John Henry Michell is van groot belang geweest voor de bepaling van de golfweerstand, hoewel hierbij wordt uitgegaan van slanke schepen, zodat voor afwijkende scheepsvormen de resultaten te veel afwijken en voor de meeste scheepsontwerpen niet bruikbaar zijn.
Michell drukte de golfweerstand van een slank schip uit als:
Zeegangweerstand Naast de vlakwaterweerstand ontstaan er bij wind en golven extra weerstandverhogende effecten. Deze kunnen het gevolg zijn van:Toegevoegde weerstand ten gevolge van golven, Schip & Werf de Zee, juni 1998 golven; de opgewekte trim, slagzij en drifthoek; de dynamische werking van de aanhangsels zoals roer, asbroeken, kimkielen, vinnen, koelwaterinlaatopeningen; de invloed van de bodem; de weerstand ten gevolge van wind; sterk fluctuerende of overbelasting van de schroef.
Luchtweerstand Luchtweerstand is een weerstand die toeneemt naarmate er een hogere snelheid is, de hoeveelheid weerstand is afhankelijk van de snelheid en de aerodynamica van het schip.
Geïnduceerde weerstand thumb|Geïnduceerde weerstand Geïnduceerde weerstand treedt op zodra een stroming afgebogen wordt. Dwars op de aanstromingsrichting ontstaat een kracht die door de afbuiging een helling krijgt. Deze is te ontbinden in liftkracht en geïnduceerde weerstand. De weerstand is dus noodzakelijk om lift te verkrijgen. Bij schepen treedt deze weerstand op bij roeren, voortstuwers en stabilisatievinnen. Tijdens het manoeuvreren ontstaat er ook een geïnduceerde weerstand op de romp als deze schuin wordt aangestroomd. Verder treedt de weerstand op bij draagvleugelboten en planerende schepen die lift nodig hebben om zich uit het water te verheffen en bij zeilschepen.
Verminderen weerstand Er zijn verschillende methoden om de scheepsweerstand te verminderen.
Bulbsteven Een bekende is de bulbsteven die de stroming rond de boeg beïnvloedt. Hierdoor wordt, afhankelijk van de snelheid, de golfweerstand van het schip verminderd. Bij een conventionele voorsteven ontstaat er een boeggolf net voor de boeg. Als er net onder het wateroppervlak een bulb wordt geplaatst, net voor deze golf, dan moet het water eerst hierover stromen. Als het hierdoor veroorzaakte golfdal samenvalt met de boeggolf, dan heffen deze elkaar gedeeltelijk op - zogenaamde destructieve interferentie - waardoor het zog aanzienlijk afneemt.
Hoewel het opwekken van een golf energie onttrekt aan het schip, zorgt het opheffen van de boeggolf voor een verandering in de drukverdeling over de romp, waardoor de golfweerstand afneemt. Het effect dat de drukverdeling heeft op een oppervlakte heet vormweerstand.
Ondanks de voordelen, hebben bulbstevens alleen een maximaal effect in een smal snelheidsbereik, bij minimaal 6 knopen. Bij andere snelheden kan een bulbsteven zelfs een tegengesteld effect hebben. Het effect manifesteert zich het sterkst bij grote schepen.
Vertrimmen Sommige schepen, vooral containerschepen, worden voorover getrimd, zodat de bulbsteven goed onder water zit — in verband met de aanstroming — en het achterschip uit het water komt, zodat het nat oppervlak en daarmee de weerstand afneemt, wat de snelheid ten goede komt.
Draagvleugels Door gebruik te maken van draagvleugels kan de romp van een draagvleugelboot bij het toenemen van de vaarsnelheid uit het water komen, waardoor de weerstand afneemt en het kan het sneller dan de rompsnelheid varen.
Luchtsmering Een andere techniek die gebruikt wordt om de weerstand te verminderen is luchtsmering.
Theorievorming Voorlopers Aristoteles hield zich al bezig met de weerstand die lichamen die zich voortbewegen door een vloeistof ondervinden, hoewel zijn oplossing niet de juiste was. Galileo zorgde daarna voor hernieuwde belangstelling. Toepassingen in de ballistiek en hydraulische machines zoals wind- en watermolens en pompen, maar ook scheepsweerstand en zeilvoortstuwing zorgden ervoor dat dit een prestigieus onderwerp werd van de vroege moderne wetenschap.
Christiaan Huygens en Edme Mariotte — beiden leden van de Académie des Sciences — werkten op dit gebied enige tijd samen. Huygens voerde in 1669 sleepproeven uit met eenvoudige scheepsvormen die voortbewogen werden door een valgewicht. Hij stelde vast dat de weerstand zich proportioneel verhoudt tot snelheid in het kwadraat. Zijn resultaten werden niet wijd verspreid en pas na zijn dood uitgegeven in 1698.Aantekeningen van Huygens over zijn proeven werden gepubliceerd door Jean-Baptiste du Hamel in Regiae Scientiarum Academiae Historia Parisiis
Mariotte voerde proeven uit met voorwerpen in rust die ondergedompeld waren in een voortbewegende vloeistof. Hij mat de weerstand met een balans en kwam tot dezelfde conclusie als Huygens. Daarnaast deed hij zijn waarnemingen in lucht en stelde vast dat de weerstand zich proportioneel verhoudt tot de dichtheid van de vloeistof: