IN \TOLDOENDE MATE AANVAARDEN
VOORDRACHT GEHOIJDEN BIJ DE AANVAARDING VAN HET AMBT VAN LECTOR IN DE SCHEEPSBOUWKUNDE AAN HET KONINKLIJK INSTITUUT VOOR DE MARINE TE DEN HELDER OP VRIJDAG 25 APRIL 1969 DOOR
Ir. A.J.W. LAP
Mzjne Heren Curatoren,
Mjne Heren Viag- en Opperofficieren,
Mjne Heren leden van de Raad van Viagofficier en Assessoren, Mjne Heren militaire en civiele Docenten en Leden van de
Wetenschappelijke Staf, Mzjne Heren Officieren-student,
Mjne Heren Adelborsten en voorts gj allen, die door Uw aanweigheid van Uw belangsteiling bijk geeft,
?eer geachte toehoorders,
Het mogen houden van een openbare les op de dag, waarop de
stichting van bet Koninklijk Instituut voor de Marine, nu 114 jaar ge-leden, wordt herdacht, noodt tot het houden van bespiegelingen met een historische inslag. Historische bespiegelingen, niet zo zeer met betrekking tot dit instituut, als we! met betrekking tot de
scheepshy-drodynamica, bet yak dat het overgrote deel van mijn aandacht za!
vragen, zowel bij het onderwijs als bij bet meer direct beoefenen van de wetenschap.
Men mag wel stellen dat nu ongeveer 100 jaar geleden een aanvang gemaakt werd met bet op physisch verantwoorde wijze beoefenen van de scheepshydrodynamica. Reeds in de 1 7de eeuw had Isaac Newton
op grond van de naar hem genoemde algemene betrekking tussen
kracht, massa en versnelling het verband afgeleid, dat bestaat tussen op overeenkomstige massadeeltjes werkende traagheidskrachten in
geome-trisch en kinematisch gelijkvormige stromingsvelden, waarin geen andere dan traagheidskrachten en hun reacties werkzaam zijn. Pas ongeveer 150 jaar later was het de Fransman Reech, die inzag, dat
indien andere dan massatraagheidskrachten een rol spelen in het op schaal te reproduceren stromingsveld, deze krachten voor het model in dezelfde verhouding gereduceerd moesten worden als de massatraag-heidskrachten, wilde ook in dit geval dynamische gelijkvormigheid tussen model en ware grootte kunnen bestaan. Met name formuleerde Reech de hieruit voortvloeiende eis van gelijkheid voor model en ware grootte van het soms naar hem, maar meestal naar de Engelse geleerde William Froude genoemde kental, voor het geval dater behalve massa-traagheidskrachten ook nog zwaartekrachten in het spel zijn.
In principe was hiermede de grondslag gelegd voor het uitvoeren van modeiproeven van verschijnselen, die onder invloed van zwaarte-kracht en massatraagheid tot stand komen, zoals de golfvorming rond een varend schip. Het is dit soort proeven, waarop, naast metingen aan boord van schepen, de beoefening van de sterk experimenteel georien-teerde scheepshydrodynamica ook beden ten dage nog in belangrijke mate berust. Toch heeft Reech zich, voorzover bekend, nooit met der-gelijke experimenten bezig gehouden.
4
Eerst 35 jaar later kwam in Engeland de reeds eerder genoemde
William Froude, vermoedelijk geheel onafhankelijk, tot dezelfde
mo-delregel. Froude zag echter bovendien in, dat in het geval van het
schip behalve de hiervoor genoemde typen kracht ook visceuze
krach-ten een rol speelden, zodat toepassing van de door hem ontdekte
modelregel niet zonder meer voldoende was voor het optreden van ge-lijkvormigheid van het gehele krachtenspel op model en schip. De
mo-delregel voor experimenten waarbij naast massatraagheidskrachten ook visceuze krachten een rol spelen zou eerst in 1883 door Osborne Reynolds worden gepubliceerd en het zou nog duren tot Prandtl's be-roemde voordracht in Heidelberg in 1906 eer men eenjuist inzicht zou krijgen in de verschijnselen, die optreden wanneer een vloeistof van geringe viscositeit, zoals water, langs een vaste wand stroomt.
Maar William Froude realiseerde zich op meesterlijke wijze dat
zinvolle scheepsmodelproeven op basis van zijn modelregel toch moge-lijk zouden zijn, indien men in staat zou zijn de visceuze weerstand van model en schip te berekenen en indien men verder zou mogen aan-nemen, dat het visceuze weerstandsdeel het niet-visceuze niet zou be-invloeden. Alleen het niet-visceuze deel van de scheepsweerstand zou dan tijdens de proef op schaal gereproduceerd worden.
Nadat hij in 1868 een daartoe strekkend voorstel had ingediend bij de Britse Marine kreeg Froude in 1870 toestemming met Admirali-teitsgelden een bassin te gaan bouwen voor het uitvoeren van sleep-proeven met scheepsmodellen. In deze eerste sleeptank ter wereld, die in 1872 te Torquay gereed kwam, slaagde Froude er binnen korte tijd in de juistheid van het door hem ontdekte beginsel aan te tonen en de
onsterfelijke naar hem genoemde methode voor het uitvoeren van
scheepsmodelproeven verder te ontwikkelen.
De woorden waarmee hij in datzelfde jaar het scheepsmodelonder-zoek presenteert en verdedigt hebben 100 jaar later weinig van hun algemene geldigheid verloren. 0m deze reden citeer ik ze hier gaarne.
,,Ik ben van oordeel", aldus William Froude, ,,dat vrijwel iedere
proefneming met betrekking tot de vaareigenschappen of het slingeren van een groot schip, indien orn te beginnen uitgevoerd op een groot
schip, verspilling van geld betekent. De bouwkosten van een groot
schip als instrument van onderzoek zijn enorm; en als het wordt be-proefd met het oog op de toepassing van een nieuw beginsel, bestaat het risico, dat de proefneming tot op zekere hoogte zal mislukken. Een
experiment, orn de eenvoudige reden dat het een experiment is, houdt in dat het anders kan uitkomen dan men verwacht en een inislukking
met een zo kostbaar apparaat als een nieuw compleet schip is
on-vermijdelijk een zeer kostbare mislukking. Voor zover het mogelijk is tot een behoorlijk inzicht in dergelijke vraagstukken te komen door proefnemingen op verkleinde schaal, is het economisch gezien van het allergrootste belang een dusdanige methode van onderzoek te aanvaar-den; enik benvan niening dat zij niet in voldoende mate is aanvaard."
Zo volkomen was bet succes van Froude's methode, dat nu, 100 jaar later, instituten van wereldfaam deze nog vrijwel ongewijzigd toepas-sen. Zeifs de door Froude langs experimentele weg bepaalde
coëfficien-ten ter berekening van de wrijvingsweerstand zijn nog hier en daar in gebruik. Dit niettegenstaande het feit, dat door het werk van Telfer en vele anderen de berekening van de wrijvingsweerstand in de eerste decennia van deze eeuw werd aangepast aan de eisen, die de modeire-gel van Reynolds stelt; eisen, waarmee bij het bepalen van de coeffi-cienten in Froude's tijd wegens onbekendheid met deze modeiregel nog geen rekening kon worden gehouden.
Uit het werk van Telfer vloeide een bijzonder elegante methode
voort tot het onderling vergelijken van proeven met series geometrisch gelijkvormige modellen van verschillende grootte, zogenaamde model-families. Van Telfer is naar aanleiding van dit werk de uitspraak af-komstig, dat men niet moet proberen uit een modeiproef het gedrag van een schip te voorspellen zolang men niet uit een proef met een klein model het gedrag van een groot model kan voorspellen. Sinds Telfers eerste publicaties is de modelfamilie dan ook gebruikt als bet
gereedschap bij uitstek ter beoordeling van de juistheid van bij het
modelonderzoek toegepaste werkwijzen. Slecbts wanneer een methode geschikt bevonden wordt orn bet onderling verband weer te geven tus-sen experimentele resultaten verkregen met modellen op verschillende schaal, mag onder zekere voorwaarden getracht worden zo'n methode ook toe te passen voor extrapolatie buiten het door de modelfamilie be-streken gebied. Op deze wijze kwam de uitdrukking extrapoleren in gebruik voor bet herleiden van modeiproefresultaten tot de overeen-komstige waarden voor het schip.
In 1932 analyseerde Schoenherr de tot op dat tijdstip bekende re-sultaten van experimentele bepalingen van de wrijvirigsweerstand van viakke rechthoekige platen. Voor deze analyse gebruikte hij voor de eerste maal resultaten van theoretische beschouwingen over de
snel-heidsverdeling in turbulente grenslagen door von Kárnián. Het re-sultaat was een semi-theoretische uitdrukking voor de
wrijvings-coefficienten voor zulke platen. Het was toen Telfers methode van de modelfamilie, die in de ioop der tijd onomstotelijk aantoonde, dat der-gelijke coëfficienten eigenlijk niet gebruikt konden worden ter bereke-ning van het visceuze deel van de weerstand van scheepsvorrnen. Noch het beschikbaar komen van meer en nauwkeuriger informatie over de wrijvingsweerstand van viakke platen noch verbeteringen in de tech-niek van bet uitvoeren van proeven met grote modelfamilies hebben sindsdien aanleiding gegeven tot wijziging van deze conclusie.
Wel bleek steeds duidelijker, dat de visceuze weerstand afhankelijk is
van de scheepsvorm, en zo deden zogenaamde drie-dimensionale extrapolatiemethoden hun intrede, die met dit verschijnsel rekening houden. Het verband tussen scheepsvorm en visceuze weerstand is ech-ter nog enigszins onduidelijk en een definitieve oplossing voor de
bere-kening van de visceuze weerstand is voorlopig niet in zicht. Welke berekeningswijze men ook toepast, het fundamentele
uit-gangspunt van Froude, volgens hetwelk de totale weerstand wordt
ge-meten en de visceuze weerstand berekend, leidt ertoe dat de
weer-standsproef in feite wordt uitgevoerd ter bepaling van het niet-visceuze deel van de weerstand. Dit deel, de golfweerstand, is het deel van de
weerstand, dat het scheepsgolfsysteem doet onstaan en het wordt
door de scheepsvorrn ondervonden als een verandering in de drukver-deling over het onderwateropperviak. In het golfsysteem is de met de ondervonden golfweerstand overeenkomende energie terug te vinden.
Het zou rnij niet moeilijk vallen de rest van de tijd, die mij vanmor-gen is toegemeten, te vullen met een bonte nj practische successen en teleurstellingen op het gebied van de scheepshydrodynamica. Under-vindingen, die mogelijk werden op grond van de tot hiertoe beschreven ontwikkelingen, vooral ook toen de voortstuwing meer en meer in bet modeionderzoek werd betrokken. Met slechts één enkele uitzondering wil ik me daarvan onthouden. Deze uitzondering betreft bet werk van Bruno Johannes Tideman (1834-1883), hoofdingenieur-adviseur bij
de Koninklijke Marine in Froude's tijd, een groot man, die in staat
blijkt de mogelijkheden van zijn tijd te herkennnen en te benutten en dus, orn in de termen van Froude te spreken, ,,deze in voldoende mate
te aanvaarden". Op zijn initiatief komt in 1873 in bet marinedok te
Amsterdam de tweede sleeptank ter wereld tot stand, slechts één jaar na die van Froude. Reeds in 1875 en 1876 worden door Tideman uit-gebreide series weerstandsproeven uitgevoerd, maar ook proeven met zichzeif voortstuwende modellen, onder andere ten behoeve van de in aanbouw zijnde kruiser le klasse ,,Atjeb".
Zo lezen wij dan in dejaargang 1877-1878 van bet Jaarboek van de Koninklijke Nederlandsche Zeemagt:
,,De Atjeh, de eerste van ons nieuwe type grote kruisers behaalde op den proeftocht bet bepaalde aantal van 2750 indicateur paardekrach-ten en de voorgestelde vaart van 14 miji, terwijl de machines
werk-ten met een matig koienverbruik en uitmunwerk-tend voldeden". Achter deze simpele mededeling van een voor die tijd verbazingwekkend resultaat vermoeden wij bet werk van Tideman, aihoewel dit niet
expliciet genoemd wordt.
In de eeuw die voigt vindt een geleidelijke ontwikkeling plaats,
waarbij men zich in hoofdzaak blijft beperken tot bet onderzoek van ai dan niet zichzeif voortstuwende scheepsmodellen onder ideale orn-standigheden, d.w.z. gladde modellen in viak water. Invloeden van het weer, de zeegang, de huidruwbeid en vele andere storende factoren worden in rekening gebracht door bet toepassen van aan praktijk en ervaring aangepaste toeslagen op de verkregen resultaten; toeslagen, die een onuitputtelijke bron vormen van grapjes over de nauwkeurig-heid van bet scheepsmodeionderzoek.
hydro-dynamica verschillende nieuwe richtingen af te tekenen. Tengevolge van nogal stormachtige ontwikkelingen op electronisch gebied wordt het veel gemakkelijker ook niet-stationnaire verschijnselen in de model proeven te betrekken. Het meten van scheepsbewegingen, maar ook van allerlei andere soms zeer snel met de tijd veranderlijke groothe-den, zoals plaatselijke drukken, krachten, snelhegroothe-den, versnellingen of schuifspanningen, kan ineens worden teruggebracht tot hetrekkelijk een-voudige routineprocedures. Na deze doorbraak op meettechnisch ge-bied ziet men in het modelonderzoek twee nieuwe lijnen ontstaan, die ik gaarne even aan een nadere beschouwing wil onderwerpen.
De eerste lijn is duidelijk gericht op de praktijk en streeft er naar de nieuwe hulpmiddelen te benutten voor het op meer volmaakte wijze nabootsen van de werkelijkheid. Overal ter wereld ziet men in deze tijd nieuwe laboratoria verrijzen met een zodanige uitrusting, dat het mogelijk wordt de invloed van golven, wind of stroming en soms zeifs een combinatie van alle drie, op het gedrag van de modellen te onder-zoeken. Het Nederlands Scheepsbouwkundig Proefstation is een goed voorbeeld van een proefstation met een duidelijk commerciële inslag, dat zich sterk in deze richting heeft ontwikkeld.
Naarmate men meer verschijnselen bij de proeven betrekt wordt het in het algemeen moeilijker de afzonderlijke verschijnselen aan een ge-detailleerd onderzoek te onderwerpen. Temeer klemt dit, waar met het aantal tijdens de proef te reproduceren verschijnselen vaak het aantal modeiregels, waaraan moet worden voldaan, toeneemt. Een eenvoudig voorbeeld moge dit illustreren. Tij dens een weerstandsproef wordt de visceuze weerstand, d.w.z. in de regel 70 tot 90% van de totale
weer-stand niet op schaal gereproduceerd. Men zegt dan, dat er in de
visceuze weerstand een schaaleffect optreedt.
Tengevolge van dit schaaleffect is de visceuze weerstand van het
mo-del relatief te groot. Laat men nu zo'n momo-del zichzeif voortstuwen
zonder meer, dan zal de schroef tijdens de voortstuwingsproef een te grote stuwkracht moeten leyeren. Men corrigeert dit over het algemeen door op het model een sleepkracht aan te brengen, die er voor zorgt, dat de totale door de schroef te overwinnen tegenstand tot zijn juiste
proporties wordt teruggebracht. Het feit, dat de snelheidsverdeling ter plaatse van de schroef voorzover zij veroorzaakt wordt door
visceuze invloeden, niet met de werkelijkheid overeenkomt, blijft ech-ter bestaan. Voor de hierdoor ontstaande fout in de schroefwerking moet men dus toch nog correcties aanbrengen.
Laat men hetzelfde model zichzelfvoorstuwen in golven, dan kan de gewenste weerstandscorrectie in vele gevallen niet meer worden aange-bracht. Dientengevolge moet de schroef wel een te grote stuwkracht leyeren, waarmec het gedrag van de schroef zelf een minder nauwkeu-rige afspiegeling van de werkelijkheid is geworden. De snelheid van het water in de schroefstraal zal bijvoorbeeld rela tief anders zijn dan die in de werkelijkheid, in de eerste plaats vanwege het niet op schaal
repro-8
duceren van de wrijvingsweerstand van het model en de daardoor
veroorzaakte volgstroorn en in de tweede plaats tengevolge van het overbelasten van de rnodelschroef.
Een in de schroefstraal opgesteld roer zal zich achter het model
daarom in principe anders gedragen dan achter het schip. Poogt men dan ook met een dergelijk model bepaalde manoeuvres uit te voeren,
dan zal in de regel het totaalbeeld van de manoeuvre wel ongeveer
met de werkelijkheid kunnen overeenkomen, het beeld van de schroef-en roerwerking echter veelal niet.
Als gevoig hiervan zal men een proef in golven zelden gebruiken orn
de eigenschappen van de voortstuwer te bepalen, maar wel orn een
inzicht in de scheepsbewegingen te krijgen. Een manoeuvreerproef in golven zal men wel kunnen gebruiken ter bestudering van de scheeps-bewegingen en de beschreven baan, maar bij voorkeur niet voor het verkrijgen van informatie over roerhoeken, roerkrachten of eigenschap-pen van de voortstuwer. Het beoordelen van wat we! of niet zinvol is bij gecompliceerde experimenten behoort tot de moeilijkste problemen van de scheepshydrodynamicus.
In het algerneen kan men constateren, dat het beter nabootsen van de totale werkelijkheid grote belangstelling van de praktijk geniet en daarmee van grote comrnerciële betekenis is.
Het bestuderen, begrijpen en interpreteren van de optredende ver-schijnselen vereist echter een totaal andere experimentele benadering, waarbij het te onderzoeken verschijnsel zo veel mogelijk wordt
gelso-leerd en afzonderlijk gemeten. De tweede lijn, die men in het meer
recente verleden van het modelonderzoek kan herkennen, slaat dan ook duidelijk deze laatste richting in, waarbij de mogelijkheden van de
moderne meettechniek in dienst worden gesteld van fundamenteel
experimenteel onderzoek.
Vooral op het gebied van de scheepsweerstand zijn de ontwikke-lingen in deze richting tamelijk spectaculair geweest, mede ook door het verlengen van de mogelijke rneettijd door de proeven uit te voeren in strorningskanalen, waarin het model zich in rust in stromend water bevindt. Een stromingskanaal van behoorlijke afrnetingen wordt te-genwoordig beschouwd als een van de waardevolste hulpmiddelen bij fundamenteel onderzoek van de strorningsverschijnselen rond scheeps-vormen.
Zo is het tegenwoordig mogelijk met speciale opnemers de plaatse-lijke wrijvingsweerstand te meten. In principe is de elegantste manier
dit te doen door directe meting van de door het water uitgeoefende
plaatselijke schuifkrachtjes. Opnemers hiervoor bestaan wel, maar het is nog niet gelukt ze op bevredigende wijze aan te passen aan het ge-kromde opperviak van een scheepsvorm. Zeer interessante resultaten
zijn echter ook al bereikt door gebruik te maken van zogenaamde
Preston tubes. De toepassing daarvan berust op zekere aannamen orn-trent de grenslaagstroming dicht aan de wand en er bestaat enig
ver-9
schil van mening omtrent de juistheid van deze aannamen voor stro-mingen met drukgradienten. Een bijkomend voordeel van het gebruik van de Preston tubes is, dat men met dezelfde apparatuur, aihoewel niet gelijktijdig, informatie kan verkrijgen over de drukverdeling over
het modelopperviak. Met behuip daarvan kan men de som van de
golfweerstand en de visceuze drukweerstand bepalen.
Op geheel andere wijze kan de totale visceuze weerstand worden be-paald. De via deze weerstandscomponent door de scheepsvorm op het water verrichte arbeid blijft in het water achter als arbeidsvermogen van beweging in de visceuze volgstroom. Meting van de snelheidsver-deling in deze volgstroom, voldoende ver stroomafwaarts, maakt het mogelijk dit energieverlies en de ermee corresponderende weerstands-component te berekenen.
Het is interessant voor een geheel ondergedompeld lichaam,
bij-voorbeeld een dubbelmodel of een model van een onderzeeboot, de verschillende weerstandscomponenten en de totale weerstand te meten. De direkt gemeten totale weerstand moet dan gelijk zijn aan de som van de gemeten visceuze drukweerstand en de gemeten wrijvingsweer-stand, maar ook gelijk aan de indirect uit de volgstroom berekende to-tale visceuze weerstand. Merkwaardigerwijs heeft reeds Tideman het doen van proeven met dubbelmodellen ter eliminatie van de golfweer-stand voorgesteld.
Voor modellen van opperviakteschepen beschikt men thans boyen-dien nog over een andere, half theoretische, half experimentele tech-niek. Hier kan de golfweerstand, corresponderende met een deel van de totale drukweerstand, worden bepaald uit een analyse van het opge-wekte golfsysteem. Sinds de wiskundige techniek van de Fourrier-ana-lyse werd geïntroduceerd op het gebied van de golfweerstand hebben zowel de theorie als de experimentele techniek van de golfanalyse een enorme vooruitgang geboekt. Uit een enkele langsdoorsnede of een enkele dwarsdoorsnede door het golfsysteem van cen model of een schip kan thans de golfweerstand worden berekend. Uiteraard is ook een stereofoto van het betrokken golfpatroon in principe geschikt als punt van uitgang voor dergelijke berekeningen.
Bij al deze methoden treedt het ontleedmes van de chirurg in de
plaats van bet hakmes van de slager, de fundamentele benadering in de plaats van de snelle praktijkmethode. Het is bijna overbodig te zeggen, dat de wetenschappelijk onderzoeker in deze een andere belangstelling heeft dan de praktijk. De hier geschetste benadering van de problemen
gaat meer in de richting van een diepgaand onderzoek van een in
physisch opzicht zo eenvoudig mogelijk gehouden model, een bena-dering, die ik nooit mooier gesymboliseerd heb gezien dan in een foto
van de grote Prandtl bij het eenvoudige, met de hand aangedreven
stromíngskanaal, waarin hij zijn beroemde grenslaagtheorie experi-menteel verifleerde. Over deze foto schrijven Görtler en Toilmien in hun voorwoord van het ter ere van Prandtl verschenen gedenkboek:
,,50 Jahre Grenzschichtforschung" (1956) het volgende:
,,Uns heutigen, die in einer Zeit des groszen apparativen Aufwandes
leben, möge der Anblick des jungen Prandtl an seinem primitiven
Wasserkanal zu denken geben".
Ongemeen boeiend en verhelderend kan het zijn, wanneer de uit-komsten van zulk fundamenteel werk worden benut orn te onderzoeken in hoeverre bepaalde op gewoonte of sleur berustende benaderende werkwijzen niet door andere moeten worden vervangen. Als voorbeeld tot welk een mate van wetenschappelijke twijfel een dergelijk onder-zoek kan leiden, wil ik het volgende geval met U bespreken.
Uit onderzoekingen in het stromingskanaal van het National Phy-sical Laboratory in Engeland is, gebruik makend van de hiervoor be-schreven methoden, gebleken, dat de weerstand op modelschaal van een moderne tankervorm, bij de relatief lage sneiheden waarbij deze
schepen opereren, voor 95% van visceuze oorsprong is. Van deze
95% komt 70% voor rekening van de visceuze schuifspanningen; de overige 25% wordt veroorzaakt door drukkrachten tengevolge van het loslaten van de grenslaag aan het achterschip en vormt dus de visceuze drukweerstand. Ofschoon er enige twijfel heerst omtrent de nauwkeu-righeid van deze cijfers, mag, mede op grond van andere onderzoekin-gen, worden aangenomen, dat de orde van grootte eenjuist beeld geeft van het relatieve aandeel van de verschillende stromingsverschijnselen in het veroorzaken van de weerstand van het betrokken scheepstype.
Het is niet bekend in hoeverre de visceuze drukweerstand aan
schaaleffect onderhevig is. Wel bestaan er positieve vermoedens in deze richting. Men heeft reeds geconstateerd, dat veranderingen in de vorm van zeer volle schepen veelal hoofdzakelijk tot uitdrukking ko-men in een verandering van de visceuze drukweerstand. Dit geldt bij-voorbeeld ook voor de toepassing van bulbs op langzarne doch zeer volle schepen.
In dit licht bezien moet de scheepshydrodynamicus zich in gemoede afvragen of op zijn methoden niet een van de vele uitspraken van de Franse wijsgeer Gustave Le Bon (1841-1931) van toepassing is geweest. Le Bon schreef: ,,Zodra een wetenschappelijke theorie komt vast te
staan vertraagt zij alle vooruitgang". Bijna 100 jaar lang, en tot op
zekere hoogte kritiekloos, heeft men de in zijn oorsprong geniale me-thode van Froude toegepast en men doet dat nog steeds, zelfs wanneer, zoals nu blijkt, in sommige gevallen het niet-visceuze gedeelte van de
weerstand is gedaald tot het luttele aandeel van slechts 5% van het
totaal.
Slechts aan bet inzicht en de ervaring van de mensen, die de resul-taten van zulke proeven moeten extrapoleren naar de ware grootte, is
het te danken, dat de proeven, naast een vergelijkende waarde wel
degelijk ook de mogelijkheid bieden tot het doen van de quantitatieve voorspellingen, waarmee terecht de grote meerderheid van scheepsont-werpers zijn voordeel doet.
Het is de moeite waard na te gaan of zich op het gebied van de
voortstuwing soortgelijke problemen voordoen als die, welke in het voorafgaande in hun meest extreme vorm voor de weerstand van een
belangrijke categorie koopvaardijschepen werden beschreven. Het blijkt dan, dat met weinige uitzonderingen de werking van voort-stuwers berust op het draagvleugelprincipe. Een onder een kleine
invalshoek aangestroornd vleugelprofiel ondervindt daarbij een grote liftkracht loodrecht op de inkomende strorning. Deze liftkracht wordt nauwelijks beinvloed door de visceuze eigenschappen van de vloeistof. De door het profiel in de aanstroomrichting ondervonden weerstand is visceus van oorsprong, doch klein ten opzichte van de liftkracht.
Een analyse van het krachtenspel laat dan ook zien, dat de invloed van visceuze verschijnselen op het rendement van een voortstuwer be-trekkelijk gering is, aithans in vergelij king met bet schaaleffect in de weerstand. In de praktijk van het modelonderzoek neemt men daarom in de regel gemakshalve maar aan, dat het gedrag van de voortstuwer zeif op dejuiste wijze op schaal wordt weergegeven als men zich tij dens de modelproef maar aan de modelregel van Froude houdt en die van Reynolds verwaarloost.
Het is zeer wel mogelijk op grond van de schroeftheorie de grootte van de hierdoor gemaakte fouten te bepalen. Dergelijke berekeningen, zowel als experimenten met families gelijkvormige schroefmodellen,
leren ons, dat deze fouten binnen aanvaardbare marges gehouden
kunnen worden door modelafmetingen en snelheden niet beneden ze-kere grenzen te kiezen.
Voor grote tankschepen worden echter door allerlei omstandigheden de afmetingen van de schroeven relatief steeds kleiner naarmate de scheepsafmetingen toenernen. Op modelschaal leidt dit bij gegeven scheepsmodellengte tot steeds kleinere schroefmodellen. Hieruit kan men dan ook verklaren, dat er tegenwoordig een sterke tendens valt waar te nemen tot bet vergroten van de modellengte van 6 à 7 m. tot
8 à 10 m. en bet bouwen van bassins met aan deze grote modellen
aangepaste afmetingen. Met de toepassing van zulke grote modellen vermindert men tevens de kans op optreden van ongewenste laminaire strorningsverschijnselen, die tot allerlei extra complicaties aanleiding zouden kunnen geven.
Men moet echter blijven aanvaarden, dat het visceuze deel van de weerstand, en daarrnee bet strorningsveld ter plaatse van de schroef, niet op de juiste wijze wordt nagcbootst. Het zou mij te ver voeren de gevolgen hiervan in extenso met U te behandelen. 1k wil er slechts de aandacht op vestigen, dat tijdens een dergelijke proefeen schroefmodel werkt onder omstandigbeden, die niet met de werkelijkheid overeen-komen. Wanneer het dan ook gaat orn de bestudering van details van
deschroefwerking,dientmen zich van geval tot geval af te vragen of een dergelijke proefopstelling wel de meest gewenste is.
Zeer geachte toehoorders,
Geen enkel overzicht in de tijd is volledig als het zich ook niet even bezig houdt met de toekomst. Tot zover heb ik gesproken over de groei van een nogal specialistische tak van natuurwetenschappelijk onder-zoek. In het hiernavolgende zou ik enige aandacht willen besteden aan mogelijke toekomstige ontwikkelingen op dit vakgebied en ook aan de wijze waarop een specialistische onderwijsinstelling als het Koninklijk Instituut voor de Marine bij deze ontwikkelingen betrokken zou kun-nen geraken.
Slechts voor weinig instellingen van hoger onderwijs is het mogelijk het terrein van werkzaamheden zo duidelijk af te bakenen als voor het KIM. Het schip, waar omheen zich de gehele opleiding op het KIM concentreert, kan worden beschouwd als een systeem in de betekenis die de moderne systeemanalyse aan dit woord hecht.
Het moet dan ook mogelijk zijn onderwijs en wetenschap, en men is het er over cens, dat deze beide behoren samen te gaan, als het ware te
enten op een systeemanalyse van het schip, zodat de verschillende
facetten van beide duidelijk in hun onderling verband kunnen worden herkend. Op deze wijze kan in bet onderwijs een richting worden aan-gebracht, die gaat van het fundamentele naar de bijzondere toepassing, van de theorie naar de praktijk.
Dit is niets anders dan een wetenschappelijke benadering van het probleem in zijn totaliteit, waarbij begrip gesteld wordt boyen kennis en inzicht boyen het leren van domine kunstjes.
De plaats van de hydromechanica ten opzichte van het systeem is duidelijk. Dit yak toch houdt zich bezig met alle interacties, die mo-gelijk zijn tussen het schip en een zeer belangrijk dccl van zijn omge-ving: het water. Op twee wijzen, via het roer en via de voortstuwers kan in deze interacties actief worden ingegrepen. Op velerlei wijzen kunnen deze interacties door uitwendige verstoringen worden bein-vloed. Een dccl van de taken van een marineofficier bestaat in het op de gewenste wijze doen verlopen van deze interacties.
Wanneer men stelt, dat het KIM, wil het de jonge officier goed op het vervullen van deze taak voorbereiden, zelf op bescheiden wijze aan het wetenschappelijk onderzoek dient dccl te nemen, moet men zich afvragen in welke richting zulk onderzoek zich zou kunnen ontwikkelen Wanneer ik dat doe, meen ik drie gebieden te kunnen onderscheiden.
In de eerste plaats zal het voor een jeder duidelijk zijn, dat vele
la-boratoriummethoden voor het voorspellen van het gedrag van een
schip op zee in de praktijk door metingen aan boord moeten worden
getoetst. Ook daarin is weinig veranderd sinds Froude dit voor het
eerst deed met HMS ,,Greyhound".
In de tweede plaats kan ik niij voorstellen, dat de analytische rich-fing van het onderzoek, die kan worden waargenomen bij de studie van de weerstand, zich ook zal uitbreiden tot het gebied van de voort-stuwers. Reeds voor de laatste wereldoorlog werd een eerste stap in
13
deze richting gedaan met het in gebruik nemen van cavitatietunnels, waarin bepaalde aspecten van de schroefwerking beter konden worden gereproduceerd dan achter een model. Een gedetailleerd onderzoek van de stromingsverschijnselen rond een sneldraaiend schroefmodel heeft echter nog nauwelijks plaats gevonden. Toch zou een dergelijk onderzoek van eminent belang zijn voor het verifieren van reeds ver gevorderde theoretische schroefberekeningsmethoden. Bij de kiassieke experimenten met schroeven, zoals de vrijvarende schroef in een
sleep-tank en de stationnaire schroef in een watertunnel, is het niet wel doenlijk drukken en watersnelheden te meten in de buurt van een schroefblad. Zou men echter een opstelling realiseren, waarbij de
schroefeen gedwongen en dus van te voren bekende beweging maakt, zoals bij voorbeeld een moer langs een draadstang, dan moet het met
de moderne electronischc meetapparatuur mogelijk geacht worden
tijdens bet passeren van de schrocf in een aantal gevallen dergelijke metingen wel te kunnen uitvoeren.
Zeifs moet bij een horizontale opstelling van zo'n proefinstallatie de mogelijkheid tot het bcstuderen van cavitatie en schroefgeruis onder zeer gunstige omstandigbeden mogelijk geacht worden.
Op deze wijze zou een wezenlijke bijdrage aan fundamenteel onder-zoek geleverd kunnen worden zonder daarbij in hoge kosten te verval-len. Zuivere theorie en experiment ontmoeten elkaar in ecn optimaal gekozen proefopstelling op verantwoorde wijze.
Veel spectaculairder, mede met het oog op practische toepassingen, lijken de mogelijkheden te zijn op het gebied van bet imiteren van de
werkelij kheid.
Bij het steeds volmaakter nabootsen van steeds ingewikkelder
ma-noeuvres met schepen komt men al gauw in de situatie, dat de het
schip besturende mens als deel van het systeem niet langer kan worden verwaarloosd. De reactie van de mens op de uitwendige omstandig-heden moet dan op schaal in de proeven worden betrokken. De moei-lijkheden, die hierbij ontstaan, zijn van velerlei aard.
Zo zal bijvoorbeeld de mens, die een experiment waarneemt vanuit een ander standpunt dan de brug van het model, de gang van zaken
anders beoordelen dan hij zou doen vanaf de brug van het schip. Soms kan men hieraan tegemoet komen door het plaatsen van de
waarnemer in bet model met de ogen ter plaatse van de brug.
Een meer fundamentele moeilijkheid wordt gevormd door het feit, dat volgens de modeiregel van Froude alle verschijnselen op
model-schaal vlugger verlopen dan in de werkelijkheid. Bij een lineaire modelschaal van 1/36 bedraagt deze tijdschaal 1/6 en ook de
snel-heidsschaal is dan 1/6. Het is gebleken, dat de mens zich bij dergelijke tijdschalen niet geheel kan aanpassen, of anders gezegd, dat de reactie van de mens bij dezelfde manoeuvres op verschillende schaal gerepro-duceerd in het algemeen verschillend zullen zijn, of, nog anders ge-zegd, dat bet gedrag van de mens aan schaaleffect onderhevig is. In
LH
0220 f3 3
,
i 7 eenvoudige gevallen kan men trachten de menselijke reacties op schaal te doen reproduceren door een automatische piloot. De mogelijkheden van deze methode zijn echter beperkt en bovendien is er nog maar wei-nig bekend over de des betreffende menselijke eigenschappen.Naarmate de mens in het experiment een belangrijker rol gaat
spe-len wordt het zodoende aantrekkclijker zijn eigenschappen niet op
schaal te behoeven weergeven en zal men, om dit te bereiken, eerder bereid zijn eventuele andere aan het experiment verbonden onnauw-keurigheden te accepteren. Deze beschouwingswijze heeft geleid tot de ontwikkeling van zogenaamde simulatoren. Dat zijn installaties, die in staat zijn de reacties van een schip op menselijke ingrepen of van buiten komende storingen van ogenblik tot ogenblik te berekenen
en weer te geven in een zodanige vorm, b.v. door flimbeelden, dat de aan het experiment deelnemende mens de sensatie ervaart de
werke-lijkheid waar te nemen. Zo is het mogelijk deze proefpersoon te
plaatsen in een echt stuurhuis, waarbij bet uitzicht door de simulator wordt berekend en gerealiseerd.
Het physisch model is dan vervangen door een mathematisch model. De winst van een dergelijke opzet is gelegen in het op de juiste wijze bij het experiment betrekken van de mens en voorts ook in het
voor-komen van alle andere schaaleffecten. Het mathematisch model kan imrners de werkelijkheid beschrijven! Het verlies treedt op, doordat het mathematisch model bij deze beschrijving fouten vertoont.
Een ander aspect van het gebruik van simulatoren wordt gevormd door bet feit, dat experimenten, waarin de mens een belangrijke rol speelt, naast hun betekenis voor het ontwikkelen van optimale eigen-schappen voor de scheepsvorrn ook van belang kunnen zijn orn te ko-men tot een optimale gedragslijn voor de ko-mens zeif onder de gegeven omstandigheden. Met andere woorden, dergelijke proeven kunnen ge-bruikt worden voor oefening van de betrokken personen. De simulator kan in zulke gevallen òf een schip òf een uitermate kostbaar gespecia-liseerd laborabrium vervangen. Het gaat daarhij dan meer orn het na-bootsen van een aantal gemakkelijk te variëren rnogelijke situaties dan orn het reproduceren van een nauwkeurig gespecificeerd geval. Het eerste is aanzienlijk gemakkelijker. Bovendien zal bij gebruik van de simulator als trainer in de regel een reeds bestaand schip moeten wor-den nagebootst, waarvan de werkelijke eigenschappen in de praktijk geverifleerd kunnen worden door metingen aan boord. Moderne model matching technieken maken het mogelijk de daarbij verkregen resul-taten te gebruiken bij het opstellen van het mathematisch model.
Het is niet moeilijk binnen de Koninklijke Marine toepassingen voor een oefensimulator te vinden. Men denke slechts aan het leren koers-varen, in convooi varen of in formatie koers-varen, bet binnenlopen van ha-vens en beperkte vaarwaters, het oefenen van bijzondere manoeuvres,
zoals het overgeven van lasten, het ontwijken van aanvallen, maar
met een echt schip zonder dwingende noodzaak uit
te voeren.Het lijkt aannemelijk dat toepassing van simulatoren voor dergelijke doeleinden kan leiden tot aanzienlijke besparingen, zowel op bet gebied van de opleiding als door bet voorkomeri van schade tijdens oefeningen op echte schepen. Ook zal door inschakeling van simulatoren bij de opleiding de oefening op het werkelijke schip korter kunnen uitvallen
en kunnen beginnen met aanzienlijk beter geoefend personeel dan
thans bet geval is.
Aan de hand van slechts enkele zeer uiteenlopende voorbeelden heb ik U willen laten zien welke unieke mogelijkheden tot toegepast
we-tenschappelijk onderzoek er voor een klein instituut als bet KIM,
binnen het grotere geheel van de Koninklijke Marine, blijken te be-staan. 1k geloof echter, dat het, ten einde bij voortduring deze moge-lijkheden te blijven herkennen en benutten, nodig is zich van tijd tot tijd de woorden van William Froude te herinneren, die ik in het begin van deze voordracht heb geciteerd.
Zeker, 100 jaar na Froude is men doordrongen van bet belang voor scheepsbouw en scheepvaart van de klassieke modeiproeven in stil wa-ter of zeifs in golven.
Maar is men in staat en bereid, en het antwoord op deze vraag mag jeder voor zichzelf trachten te vinden, een zelfde ruim standpunt in te
nemen met betrekking tot het invoeren van nieuwe hulpmiddelen, waaraan men weliswaar behoefte gevoelt, doch met de practische
resultaten waarvan men nog geen ervaring heeft?
Het is voor U zowel als voor mij inoeilijk op deze vraag antwoord te geven. 1k zou deze voordracht echter willen besluiten met het
uitspre-ken van de hoop, dat zij die 100 jaar na ons komen, zullen kunnen
zeggen, dat wij, zoals Tideman 100 jaar geleden, de ons ten dienste
staande methoden van toegepast wetenschappelijk onderzoek ,,in
voldoende mate hebben aanvaard".
Zeer geachte toehoorders,
Eerbiedige dank ben ik verschuldigd aan Hare Majesteit de
Konin-gin, Wie het heeft behaagd mij te benoemen tot lector aan het
Ko-ninldijk Instituut voor de Marine.
Mjne Heren Curatoren,
Mjne Heren leden van de Raad van Viagofficier en Assessoren,
1k ben U zeer erkentelijk voor bet door U in mij gestelde vertrou-wen, dat is geblekeri uit Uw voordracht tot deze benoeming. Wilt mijn
verzekering aanvaarden, dat ik in dit voor het Koninklijk Instituut voor de Marine nieuwe ambt mijn beste krachten zal inzetten ten
dienste van de ontwikkeling van onderwijs en wetenschap. 1k ben mij van mijn verantwoordelijkheid in deze zeer bewust.
Mijne Heren Officieren van de Koninklijke Marine,
Het komt niet vaak voor dat binnen étn organisatie praktijk, onder-wijs en toegepaste wetenschap elkaar kunnen ontmoeten. De betrek-kingen tussen de eerste en de laatste van deze drie, tussen U en mij, zou ik als volgt willen karakteriseren: ,,Toegepaste wetenschap en practijk zijn één gelijk lichaam en ziel, met dit verschil dat scheiding van toe-gepaste wetenschap en practijk de dood voor beide betekent".
Een wetenschappelijke bundeling van Uw ervaring zal altijd cen van de krachtigste bijdragen kunnen zijn aan de vorming van
adel-borsten en jonge officieren, waarbij het wetenschappelijk element een steeds grotere betekenis gaat krijgen.
Ivlijne Heren militaire en civiele Docenten en leden van de Wetenschappelijke Staf,
Met U behoor ik thans tot de bemanning van het Koninklijk
Insti-tuut voor de Marine. Het behoren tot een bemanning betekent bet
werken als lid van een team. Elk lid heeft, naast zijn interesse voor het schip, en ditmaal gebruik ik het woord schip in overdrachtelijke zin,
zijn eigen specialistische belangstelling voor bepaalde onderdelen
ervan.
Door onverwachte ontmoetingen tussen haar verschillende onderde-len is het, naar een gezegde van Poincaré (1854-1912), dat de weten-schap vooruit kan komen. Zich te veel specialiseren betekent: zich die ontmoetingen ontzeggen.
Hooggeachte Kievits,
In de korte spanne tijds, dat ik met U heb mogen samenwerken, ben ik onder de indruk gekomen van Uw onvermoeibare activiteit, waar bet welk facet dan ook van de wetenschappelijke vorming op het KIM
betreft.
1k spreek de wens uit, dat ik nog heel lang van Uw aanwezigheid hier zal mogen profiteren.
Hooggeleerde Vm/ce,
De gesprekken, die ik met U in Deift heb mogen voeren, hebben er veel toe bijgedragen, dat ik het besluit heb kunnen nemen een even-tuele benoeming bij een militair-wetenschappelijke organisatie te zul-len aanvaarden.
1k ben U daarvoor heel dankbaar.
Hooggeleerde Gerritsma, Hooggeachte Dirkzwager,
Heel veel van hetgeen op het gebied van hydromechanische research
voor de Koninklijke Marine tot stand is gekomen, ondervond de
com-ponenten waart. 1k spreek de wens uit, dat de invloed van dit krach-tenveld zich moge uitstrekken tot het KIM ten voordele van de mili-taire zowel als de civiele nautisch-maritieme wetenschappen.
Hooggeachte Van der Vet,
Niemand heeft er meer toe bijgedragen dan U, dat ik mij vanaf de
eerste dag op het KIM heb thuis gevoeld. 1k dank U daarvoor ten zeerste en hoop, dat in de toekomst de prettige sfeer, die ik in onze
kleine afdeling mocht aantreffen, gehandhaafd zal blijven.
IvIjne Heren Adelborsten,
Beide hierarchische indelingen, de militaire zowel als de weten-schappelijke, leiden ertoe, dat ik mij het laatst wend tot U, studenten
aan een instituut met de zinspreuk ,,Kennis is macht, Karakter is
meer".
1k geloof, dat voor eenjuiste beoefening van de wetenschap het kun-nen beschikken over beide, kennis èn karakter een belangrijke voor-waarde is. Wanneer U dan ook werkt aan het vergaren van kennis en het vormen van elkaars karakter, legt U een soliede grondsiag, niet alleen voor Uw militaire, maar ook voor Uw wetenschappelijke
vorrning.
1k hoop, dat U bereid zult zijn wetenschap te beschouwen als het ordenen, selecteren en analyseren van ervaring en het waar mogelijk ook extrapoleren vanuit de aldus op systematische wijze verkregen ken-nis naar nieuwe toepassingsgebieden. Slechts dan zult U er, naar ik
vertrouw, geen moeite meer mee hebben de ervaren marineofficier
van over 20 jaar, en dat bent U zelf te zien als een specialist, die op zijn vakgebied in staat is tot het in toepassing brengen van al hetgeen wetenschap en techniek te bieden hebben. Ook slechts dan zal deze toekomstige officier een volwaardig partner kunnen zijn in het gesprek tussen wetenschap en practijk.
U te helpen dit te bereiken beschouw ik als een belangrijk deel van mijn werk binnen de organisatie van dit instituut.