کاویتاسیون (به انگلیسی: cavitation)، یک پدیده عجیب و پیچیده در فیزیک است که میتواند آب – که معمولاً بهترین دوست یک کشتی است – را به دشمنی مخرب تبدیل کند. این پدیده معمولاً در اطراف پروانه کشتی رخ میدهد و قادر است فلز سخت را سوراخ کند، سرعت کشتی را کاهش دهد و در عین حال سر و صدای زیادی نیز تولید کند. اما برای درک کاویتاسیون، ابتدا باید بفهمیم که پروانه کشتی چگونه کار میکند.
پروانه با ایجاد اختلاف فشار در آب، کشتی را به جلو حرکت میدهد. سمت عقب پروانه فشار بالایی تولید میکند که آب را به عقب هل میدهد، در حالی که سمت جلویی آن ناحیهای با فشار پایین و مکش شدید ایجاد میکند. در واقع، حدود ۸۰ درصد نیروی رانش کل، از مکش پشت پروانه ناشی میشود.
اما در اینجاست که ماجرا جالب میشود: اگر پروانه با سرعت زیادی بچرخد، فشار در سمت مکش آنقدر پایین میآید که آب شروع به جوشیدن میکند – نه بهدلیل گرما، بلکه بهدلیل کاهش شدید فشار.
در واقع، آب همیشه نیاز ندارد که به ۱۰۰ درجه سانتیگراد برسد تا بخار شود. اگر فشار کافی پایین بیاید، این اتفاق در دمای بسیار پایینتری هم میافتد. در مورد کشتی، این امکان وجود دارد که آب در دمای فقط ۲۰ درجه سانتیگراد بخار شود، اگر فشار خیلی افت کند.
این فرآیند باعث شکلگیری حبابهای کوچک بخار میشود – درست مثل گازهایی که هنگام باز کردن بطری نوشابه میبینید. اما این حبابها فقط معلق نمیمانند. آنها توسط جریان آب به لبه تیغه پروانه کشیده میشوند، جایی که فشار دوباره بالا میرود. در این ناحیه، حبابها بهشدت فرو میریزند و باعث انفجارهای کوچکی میشوند. این انفجارها میتوانند فشارهایی تا صدها مگاپاسکال و دمایی تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد تولید کنند – دمایی که میتواند حتی ساختار فلز پروانه را تغییر دهد!
کاویتاسیون چگونه بر سرعت کشتی تاثیر میگذارد؟
اول از همه، پدیده کاویتاسیون عملکرد کشتی را پایین میآورد. لایهای از حبابها که روی تیغههای پروانه شکل میگیرند، عملاً آنها را «ضخیمتر» میکند و مقاومت هیدرودینامیکی را افزایش میدهد. این موضوع مستقیماً باعث کاهش سرعت میشود، چون پروانه دیگر نمیتواند همان میزان نیروی رانش مورد نظر را تولید کند. با بدتر شدن کاویتاسیون، دور موتور برای تولید قدرت مشخص افزایش مییابد، که نشاندهنده افت شدید راندمان است.
مشکل بعدی، آسیب فیزیکی است. فروریختن پیدرپی این حبابها مانند ضربههای میکروسکوپی عمل کرده و سطح تیغهها را بهشدت میفرساید. در مراحل اولیه، سطح فلز حالتی شبیه پوست پرتقال پیدا میکند، اما در موارد شدید، کاویتاسیون میتواند حتی سوراخی در فلز جامد ایجاد کند!
فراتر از افت عملکرد و فرسایش، کاویتاسیون باعث ایجاد لرزش و نویز زیادی هم میشود. حبابها لرزشهای شدیدی ایجاد میکنند که میتواند به قطعات گرانقیمتی مثل یاتاقانها و آببندها آسیب بزند. از نظر صدا، مؤسسه بینالمللی بازرسی دریایی، این صدا را به “ریختن شن با فشار زیاد روی بدنه زیرین کشتی” تشبیه کرده است.
چگونه میتوان از کاویتاسیون جلوگیری کرد؟
مهندسان راهحلهایی برای مقابله با کاویتاسیون در اختیار دارند. یکی از راهکارهای مهم، استفاده از پروانههایی با سطح بزرگتر یا تیغههای پهنتر است، تا نیروی رانش بهطور یکنواختتری توزیع شود. برای کشتیهایی که سرعت آنها زیر ۳۵ نات است – مانند کشتیهای کانتینری یا نفتکشهای عظیم که معمولاً با سرعت ۲۴ نات حرکت میکنند – از پروانههایی با پروفیل تخت و بار کمتر استفاده میشود تا اختلاف فشار کنترل شود.
علاوه بر این، انتخاب جنس مناسب برای تیغهها هم مهم است. آلیاژهای برنزی و فولاد ضدزنگ بهدلیل دوام بالا، گزینههای پرکاربردی هستند. حتی شکلدهی به بخش عقبی کشتی (استرن) میتواند باعث جریان یکنواختتر آب به سمت پروانه شده و از وقوع کاویتاسیون جلوگیری کند.
جالب اینکه برخی مهندسان تصمیم گرفتهاند بهجای مقابله با کاویتاسیون، از آن بهره ببرند! این ایده منجر به طراحی مفهومی به نام «ابرکاویتاسیون» (supercavitation) شد؛ در این روش، شدت کاویتاسیون آنقدر بالا میرود که یک حباب بخار بزرگ و پایدار در اطراف جسم ایجاد میشود. این حباب باعث کاهش شدید اصطکاک میشود و امکان دستیابی به سرعتهای بسیار بالا را فراهم میکند. البته اجرای این فناوری بسیار دشوار است و بیشتر در کشتیهای آزمایشی مانند شناور بدون سرنشین GHOST متعلق به شرکت General Dynamics مورد استفاده قرار گرفته است.
