Kjøre båten sidelengs med thruster og to motorer. Hvordan regne ut resulterene kraft på båten?

[dennrick]

Er på båtferie og diskuterte dette temaet med mannskapet igår kveld. Har tegnet opp vedlagte modell der båten er representert med en omvendt «T» og kreftene er antatt å være like. Synsingen går ut på at båten vil flytte seg mot styrbord... Har faktisk ikke forsøkt dette i praksis.

 

Det er noen år siden jeg lukket igjen fysikk bøkene, men dette er vel en forholdsvis grei modell å sette opp og regne på for å finne ut retningen på den resulterende kraften?

 

Er det noen som fortsatt husker hvordan dette regnes ut og kunne satt opp en modell?

 

 

[Hulda]

Det er vel bare å slenge opp et vektordiagram og måle resultanten. Må innrømme at jeg gidder ikke. Dog, det fungerer helt greit. Hulda går sidelengs med baugpropell og en motor.

[millisivert]

Det enkleste er bare å tegne opp kraftvektorene fra hver propell og så bare måle resultantvektoren med linjal. Vil du gjøre det vanskelig er det ingen grenser: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801815002644

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667016312022

http://folk.ntnu.no/torarnj/FuelOptimalThrustAllocation.pdf

 

:)

Redigert 29.Juli.2018 av millisivert (see edit history)

[Grand Banks jr]

Hulda skrev for 1 time siden:

Hulda går sidelengs med baugpropell og en motor.

 

Hvordan gjør du det? Mye veksling mellom forover og akterover samt roret i retning mot brygge?

 

I dag pleier jeg å lage et sig mot brygge først, så stoppe fart forover og bare kontrollere båtens linje parallelt med bryggen med baupropellen. Men det siget stopper jo til slutt.

[Hulda]

Fra brygge, SB mot brygga:

SB ror. Baugpropell vipper baugen klar. Gir forover. Hulda går sidelengs fra kai. Justerer med baugpropell.

[Stradivarius]

Figuren er forsåvidt riktig, i hvert fall før båten har begynt å bevege seg, men ligningen som er satt opp er ikke nødvendigvis riktig, dersom målet er at båten skal bevege seg sidelengs uten å dreie. I den figuren som vises, er det bare én kraft som virker sideveis, så båten vil begynne å bevege seg mot styrbord. Men båten vil sannsynligvis også begynne å rotere, slik at "mot styrbord" hele tiden vil endre retning. Så snart båten har begynt å bevege seg, vil det virke krefter på den fra vannet som i utgangspunktet ligger i ro (antar ingen strøm).

 

For at båten skal bevege seg sideveis uten å rotere, må summen av (kraft)momentene være 0. En thruster i baugen vil ikke bare påvirke båten med en kraft sideveis, den vil også sette opp et moment som dreier båten. Prinsippet som illustreres på figuren er at man kan motvirke dette momentet ved å kjøre én motor forover og én motor i revers og dette er helt riktig tegnet. Men det er ikke nødvendigvis slik at F_Bbd = F_Stb = F_Thruster.

 

Man kan riktig nok sette opp ligningen F_Bbd = F_Stb, så lenge man snakker om absoluttverdier, men F_Thruster blir antakelig en god del mindre. Matematisk sett ville det vel vært mer korrekt å si at F_Bbd = - F_Stb, hvor minus-tegnet indikerer at kreftene virker i motsatte retninger. Dermed fremgår det tydelig at denne båten ikke vil bevege seg fremover eller bakover.

 

For å finne et uttrykk for F_Thruster må man vite hvordan båten påvirkes av det omkringliggende vannet og så kan man tegne inn en vektor mot venstre på tegningen som representerer vannmotstanden. Plasseringen av denne vektoren må være i det såkalte dragsenteret, som avhenger av båtens utforming. På en seilbåt med kjøl vil dragsenteret typisk plasseres der kjølen befinner seg. En motorbåt med to motorer stikker vel gjerne ikke så dypt helt foran, så dragsenteret er kanskje litt aktenfor senter. Hvis det er 12 meter fra propellene bak og frem til baugthrusteren, så vil jeg tro at dragsenteret er omtrent midt imellom. For eksempelets del, la oss si at dragsenteret er 7 meter bak thrusteren.

 

Så båten vil begynne å bevege seg mot styrbord. Den vil akselerere sideveis inntil den har oppnådd en hastighet som gir et drag som er lik baugthrusterkraften.

 

Vi har da ligningene:

 

Krav om konstant fart (0 akselerasjon)

Ligning 1: F_Drag = - F_Thruster

Ligning 2: F_Bbd = - F_Stb

 

Krav om ingen rotasjon (O moment)

Ligning 3: F_Bbd * 0.5 m - F_Stb * 0.5 m + F_Thruster * 7 m = 0

 

Kombinerer vi ligning 2 og 3, kan vi skrive:

 

F_Stb * 1 m + F_Thruster * 7 m = 0

 

Ligningen som trådstarter har satt opp kan da skrives slik:

 

- F_Bbd = F_Stb = 7 * F_Thruster

 

Generelt, dersom dragsenteret ikke er 7 meter bak thrusteren, men en eller annen avstand s, kan vi skrive:

- F_Bbd = F_Stb = s/d * F_Thruster

 

Her er avstanden mellom propellene bak (på figuren var d = 1 m).

[Stradivarius]

49 minutes ago, Hulda said:

Fra brygge, SB mot brygga:

SB ror. Baugpropell vipper baugen klar. Gir forover. Hulda går sidelengs fra kai. Justerer med baugpropell.

 

Da går vel båten diagonalt ut fra brygga. Den beveger seg vel litt i lengderetningen også, ikke rett sideveis antar jeg?

[Hulda]

Greit nok for meg. Venstregående propell. Hadde jeg hatt vridbar, ville det funka. Nå funker det med litt motvind. Forøvrig imponert over ligningssettet.

Redigert 29.Juli.2018 av Hulda (see edit history)

[Grand Banks jr]

Stradivarius skrev 1 time siden:

 

Da går vel båten diagonalt ut fra brygga. Den beveger seg vel litt i lengderetningen også, ikke rett sideveis antar jeg?

Er off topic mtp TSs spørsmål.

 

Men testet nå med min halvplaner. Singel motor. SB side inntil brygge. Har høyregående propell. La over til hardt styrbord. Gikk da diagonalt ut i kombinasjon med baupropell. Hadde ungene om bord så testet ikke mer ( vil ut og bade), men regner med at jeg kan ennå mer rent sidelengs ved å sjalte mellom forover og akterover.

[Faxen]

På min gamle Storebro RC 31 fot, kunne jeg gå sidelengs uten baugprop.

Det var bare å veksle spakene frem og tilbake, til man lå ved kai. Det var minimal bevegelse forover eller bakover.

[Havarita]

Har aldri prøvd 2 motorer. Men gleder med til jeg blir stor nok?.

 

Man bruker vel ror også slik at man får sideveis kraft av propellstømmen fra motoren som går forover. 

 

Baugthrusteren blir da om man treffer perfekt med turtall på begge motorer nesten overflødig. (Men litt enklere å kontrollere)

 

Ift ligningen blir det nå flere ukjente...

[trulsant]

Må vel tenke på kraften babord propell gir dekomponert i lengderetning, og hva som går over roret 90˚ til siden. Den som går 90˚ på lengderetning blir like stor som baugthruster. Stbd propell må holde igjen med like mye kraft som babord propell har i lengderetning. 

Har en ett særdeles effektivt ror, kan denne være ganske nærme 0...men neppe slik på en fritidsbåt. 

Således vil det i teorien trengs mindre kraft i vannet fra stbd propell, men siden propeller normalt er mindre effektv bakover, så kan det godt hende turtall på denne må være vel så høyt.

 

Truls

[Stradivarius]

Jeg kan jo legge til at jeg i min betraktning over antar at figuren til trådstarter stemmer. Jeg går ut ifra at båten det er snakk om er dennricks Bavaria 39 Sport (som det står i signaturen hans), og denne har vel drev og ikke ror. I så fall vil rorutslag (dvs. rattutslag) ikke ha noe for seg, bortsett fra at det reduserer momentet fra motorene, jo mer rattutslag man gir. Hvis man tenker seg at begge drevene snus 90 grader, vil både momentbidraget og kraftbidraget bli 0, siden propellene vil stå på samme akse og virke rett mot hverandre. Hvis man snur drevene 60 grader, vil momentbidraget bli halvparten av hva det blir om drevene peker i båtens lengderetning. Jeg vet ikke hvor mange grader man kan snu drevene, men det er vel neppe så mye som 60 grader.

 

En båt med strake aksler og ror vil oppføre seg annerledes fordi det da ikke lenger er symmetri i kreftene fra motorene. Den motoren som går fremover vil sende vann over roret som gjør at man får en sideveis kraftkomponent fra dette roret, mens det andre roret ikke vil gi noen nevneverdig sideveis kraft så lenge båten bare beveger seg sidelengs.

 

Nyere båter blir vel i dag ofte utstyrt med drev som kan beveges uavhengig av hverandre, på samme måte som Volvos IPS-system. Da kan man, ved å dreie det ene drevet til styrbord og det andre drevet mot babord og kjøre den ene motoren fremover og den andre akterover, oppnå en resultantkraft i en hvilken som helst retning, mens man hele tiden har et netto kraftmoment lik null. Det jeg ikke helt har forstått er hvorfor båter som er utstyrt med slike systemer (som gjerne opereres ved hjelp av en joystick), også ofte har baugthruster. Jeg ville tro at det da var helt overflødig med thruster i tillegg.

[dennrick]

Takk for innspillene, og spesielt utledningen din, @Stradivarius. Det er moro med likninger?.

 

At kreftene i mitt «Free body diagram» var satt til å være like er en antakelse jeg har tatt, og jeg har også ignorert alt av andre krefter som virker på båten. Er mest ute etter hvordan dette regnes ut, dersom F settes til f.eks 10 Newton.

 

Jeg husker fra studietiden i fysikken at vi tok for oss slike eksempler og regnet ut den resulterende kraften og retningen. I dette tilfellet er det to som genererer en rotasjon, mens den tredje som er 12 m unna genererer en styrbord kraft, og på en måte en rotasjon. Vektorregning fra matematikken er også en bjelle som ringer i bakgrunnen her, og ser at flere her er inne på dette.

 

Så... det er det jeg er ute etter, gitt modellen med alle sine mangler, der de tre kreftene er antatt like, er hvor den faktiske kraftpila peker, og fra hvor i T`n?

[dennrick]

Stemmer Stradivarius. Vi får til å «lukeparkere» med thruster og «riktig motor i riktig retning med riktig utslag på roret/drevet». Men det er med en motor av gangen. Vri rattet, i gir, dytte eller trekke hekken, så thruster, og så motstatt etc.

 

Har aldri forsøkt med to motorer samtidig i lukeparkeringsmodus, så derfor denne teoretiske øvelsen?

[Stradivarius]

1 minute ago, dennrick said:

Takk for innspillene, og spesielt utledningen din, @Stradivarius. Det er moro med likninger?.

 

At kreftene i mitt «Free body diagram» var satt til å være like er en antakelse jeg har tatt, og jeg har også ignorert alt av andre krefter som virker på båten. Er mest ute etter hvordan dette regnes ut, dersom F settes til f.eks 10 Newton.

 

Jeg husker fra studietiden i fysikken at vi tok for oss slike eksempler og regnet ut den resulterende kraften og retningen. I dette tilfellet er det to som genererer en rotasjon, mens den tredje som er 12 m unna genererer en styrbord kraft, og på en måte en rotasjon. Vektorregning fra matematikken er også en bjelle som ringer i bakgrunnen her, og ser at flere her er inne på dette.

 

Så... det er det jeg er ute etter, gitt modellen med alle sine mangler, der de tre kreftene er antatt like, er hvor den faktiske kraftpila peker, og fra hvor i T`n?

 

Ok. Rent teoretisk (dvs. hypotetisk), om man ser bort fra vannmotstanden, vil resultantkraften, altså summen av alle kreftene som virker på båten, peke i samme retning som kraften fra baugthrusteren. Kreftene fra styrbord motor og babord motor vil kansellere hverandre om man bare seg på kraftsummen. Imidlertid vil denne kraften, som virker rett mot styrbord, mest sannsynlig være forskjøvet en del fra båtens massesenter. og forårsake at båten roterer. Båten vil da rotere fortere og fortere så lenge kreftene virker på båten, men dette er som sagt rent hypotetisk, ettersom vi ser bort fra vannmotstanden som i praksis vil gjøre seg gjeldende i meget stor grad.

 

For å kunne svare på spørsmålet om hvor i T-en du kan tegne inn kraftpilen i dette teoretiske tilfellet, må vi først tegne inn båtens massesenter, eller tyngdepunkt om du vil. Det spiller ingen rolle hvor man tegner kraftpilen dersom tyngdepunktet ikke er definert. Jeg vil tro at massesenteret befinner seg en del nærmere akterenden enn baugen. Man får vel et godt inntrykk ved å se på en båt som løftes. Da må massesenteret være mellom løftestroppene, ideelt sett midt mellom. La oss si at massesenteret er 4 meter foran akterenden på båten. Hvis alle kreftene da settes til 10 N, får du et moment på 80 Nm fra thrusteren. Så får du et moment i motsatt retning fra motorene på 10 Nm. Da kan du tegne inn pilen 1 meter bak thrusteren. Men dette gjelder som sagt bare for den nevnte plasseringen av massesenteret og bare for så langsomme bevegelser i båten at vannmotstanden ikke gjør seg gjeldende (altså ubetydelige bevegelser).

 

Dersom du er interessert i hvordan båten vil oppføre seg i praksis, er imidlertid ikke massesenteret så interessant lenger, men vannmotstanden og da spesielt plasseringen av dragsenteret vil ha stor betydning. Jeg vil tro at en enkel måte å teste konseptet på, om man ikke har prøvd det før er å operere motorene og thrusteren i korte pulser. En liten dytt sideveis med thrusteren vil gjøre at båten beveger seg litt sidelengs og i tillegg begynner å dreie. En liten puls med motorene henholdvis fremover og akterover vil dreie båten tilbake, men ikke gi noen sideveis translasjon. Et annet interessant eksperiment kan jo være å finne seg et rolig område med god plass og sette den ene motoren i gir fremover og den andre akterover slik at båten begynner å rotere. Så kan man prøve å motvirke/stanse denne rotasjonen ved hjelp av baugthrusteren. Da vil båten bevege seg sidelengs. Imidlertid er vel propellene mer effektive fremover enn akterover, så man må vel ha litt høyere turtall på motoren som står i revers. Dersom thrusteren ikke er sterk nok til å stanse rotasjonen som forårsakes av motorene, kan du prøve det samme med maksimalt rattutslag. Da vil momentet bli mindre enn om propellene står i båtens lengderetning.

 

Det vil overraske meg om ikke det er noen her som har prøvd dette og som kan si noe mer om praktiske erfaringer.

[andersm]

Med fare for at mine fysikkkunnskaper er gått ut på dato. Hvis vi antar alle forenklinger som er i figuren til trådstarter, dvs. se bort fra rorutslag og propelldrag, i tillegg til flere andre faktorer. Da blir vel dette en enkel vektstang? St og bb motor genererer et moment rundt en akse, for at ikke båten skal rotere genererer baugpropell akkurat nok kraft til at kraft * arm fra baugpropell utligner momentet fra motorene rundt denne aksen. Resultatet et da at absolutt ingenting skjer. Kreftene utligner hverandre og alt er i balanse. Men, hvis vi hensyntar rorutslag, vridning av drev eller propell drag. Og, dersom dette resulterer i en kraft som fører hekken av båten styrbord oppnår vi to ting. (1) hekken beveger seg styrbord rundt denne dreieaksen, samtidig om båten ikke skal rotere må da (2) baugpropell også generere en kraft for å hindre at båten roterer. Denne kraften vil også aksellerere båten mot styrbord. Resultatet blir da dersom baugpropellens kraft skal hindre rotasjon at båten beveger seg styrbord med lik fart i hekk og baug, dette uten rotasjon eller bevegelse langs lengeaksen. Fysikken bak dette blir så komplisert at prøve/feile blir best. Alternativt kan skarpe ingeniører bygger inn elektronikk for millioner i en joystick.

[dennrick]

Dette er et supert og gjennomtenkt svar, Stradiavarius?

 

Men jeg er ute etter resultatet av barnetegningen min?

 

Kunnskap om vektorregning. Fra fysikk til matematikk der altså.

 

Anyone? Barnetegning til den som løser gåten? Du kan bruke alle hjelpemidler.

Redigert 29.Juli.2018 av dennrick (see edit history)

[Sequoia]

Stradivarius skrev 53 minutter siden:

Det vil overraske meg om ikke det er noen her som har prøvd dette og som kan si noe mer om praktiske erfaringer.

 

Fungerer bra i praksis dette. Men i en gitt situasjon hvor man står "lukeparkert" og det er kort avstand til båten foran og bak har man ikke alt for mye tid til å korrigere. Retning på strøm og ikke minst vind påvirker stort, og resultatet og hvor mye turtall man må ha på henholdsvis motor i fremover og bakover varierer. Er det også mye vind/strøm slik at man presses mot brygga må man godt opp i turtall for at drevene skal klare å presse baugen ut. Jeg har forsøkt dette og når jeg thrustet for å motvirke rotasjonen ender hekken med å bli presset tilbake til brygga. Gikk ut på spring i stedet.

 

Jeg har aldri gått inn i en luke med drev i motsatt gir og thruster da jeg synes det er mye enklere å utnytte fordelene man får med at drevene kan svinges og er plassert ut mot siden og med det gir forsterket virkning på sving/rotasjon.

[Ida Marie III]

Har forsøkt dette selv på min egen båt, og da uten baugpropell, men bare to motorer.. Det funker, en går sideveis, men en går nesten like mye forover...

Så bruke det for å komme inn i en trang luke ville jeg ikke..

Fins enklere måter...

[Stradivarius]

9 hours ago, andersm said:

Med fare for at mine fysikkkunnskaper er gått ut på dato. Hvis vi antar alle forenklinger som er i figuren til trådstarter, dvs. se bort fra rorutslag og propelldrag, i tillegg til flere andre faktorer. Da blir vel dette en enkel vektstang? St og bb motor genererer et moment rundt en akse, for at ikke båten skal rotere genererer baugpropell akkurat nok kraft til at kraft * arm fra baugpropell utligner momentet fra motorene rundt denne aksen. Resultatet et da at absolutt ingenting skjer. Kreftene utligner hverandre og alt er i balanse.

 

Dette er ikke riktig. Momentene vil riktig nok utligne hverandre, så båten vil ikke rotere (dette forutsetter at størrelsen på kreftene, dvs. lengden på vektorene er justert riktig). Men kreftene utligner ikke hverandre. På figuren er det en kraft som virker mot høyre og ingen av de to andre kreftene motvirker dette. Så båten vil bevege seg mot høyre.

[andersm]

Se der ja, dreieaksen er jo selvfølgelig ikke fast. Du har helt rett.

[Stradivarius]

10 hours ago, dennrick said:

Dette er et supert og gjennomtenkt svar, Stradiavarius?

 

Men jeg er ute etter resultatet av barnetegningen min?

 

Kunnskap om vektorregning. Fra fysikk til matematikk der altså.

 

Anyone? Barnetegning til den som løser gåten? Du kan bruke alle hjelpemidler.

 

[dennrick]

Vi prøvde litt i en del vind og med RIBen hengende på siden, men det latet til at thrusteren ikke var sprek nok (så kreftene er definitivt ikke like). Det var dog bare en antakelse ift den teoretiske modellen.

 

Nå har thrusteren imidlertid tatt kvelden. Helt død. Tror det er en annen tråd om det her, så jeg tar en tur dit...