אפקט המכל המלא חלקית

אפקט המכל המלא חלקית (או אפקט השטח החופשי באנגלית: Free surface effect) הוא תופעה מוכרת בתחום הספנות, שנגרמת בגלל מכלים גדולים מלאים חלקית בנוזל. כאשר ספינה שעליה מכל מלא חלקית נוטה על צידה בגלל ים סוער, העמסת מטען או מסיבה אחרת, הנוזל שבמכל מתאסף בצד אחד שלו, כתוצאה מזה משתנה מרכז הכובד של הספינה, והיא עלולה לאבד יציבות ולהתהפך בתוך דקות. כל עוד המכל כמעט מלא או כמעט ריק, תזוזת הנוזל שבתוכו אינה גורמת לשינוי משמעותי במרכז הכובד של הספינה, ולא מהווה סכנה. מקובל שמכל שבו עד 10% נוזל או מעל 90% נוזל, הוא בטוח להובלה. אפקט המכל המלא חלקית הוא משמעותי גם במשאיות להובלת נוזלים, וכן במטוסים, במיוחד מטוסי כיבוי שנושאים כמות גדולה של מים.

יציבות הספינה

יציבות ספינה היא היכולת שלה להתיישר מעצמה אחרי נטייה. שני כוחות חיצוניים פועלים על ספינה, האחד כוח הכובד שפועל כלפי מטה, והשני כוח הציפה שפועל כלפי מעלה, והוא שווה למשקל המים שהספינה דוחה (חוק ארכימדס). לצורך חישוב, נכון להתייחס לכוח הכובד כאילו הוא פועל על נקודת מרכז הכובד של הספינה, וכוח הציפה פועל על מרכז הציפה שהוא מרכז הכובד של המים שהספינה דוחה. כלי שיט צפים נמצאים במצב מיושר כאשר כוח הכובד וכוח הציפה נמצאים על אותו אנך ומאזנים זה את זה - איור 1.

עד זווית מסוימת - תלוי בצורת כלי השיט ובמטען שעליו - נטייה הצדה של הספינה מתוקנת מעצמה על ידי מומנט שנוצר בגלל התזוזה של מרכז הציפה, והספינה מתיישרת - איור 2. לעומת זה במכל שאינו מלא הנוזל מצטבר בצד השקוע וגורם להקטנת המומנט המיישר - איור 3.

איור 1 ספינה עם מכל נוזלים מלא (בכתום). G - מרכז הכובד של ספינה B - מרכז הציפה שהוא מרכז הכובד של המים שהספינה דחתה g - מרכז הכובד של הנוזל במכל. כשהספינה מיושרת כל המרכזים נמצאים על אנך אחד, וכוח הציפה שווה לכוח הכובד. M - המטא-סנטר של הספינה, והמרחק G-M הוא גובה המטא-סנטר שמשמש מדד ליציבות הספינה.	איור 2 ספינה עם מכל נוזלים מלא נוטה ב-20 מעלות. מרכז הכובד של הספינה - G לא השתנה, אבל מרכז הציפה B1 הוסט לצד השקוע היותר ששם רוב נפח המים שהספינה דחתה. במצב כזה כוח הציפה יוצר מומנט שמיישר את הספינה. הקו G-Z נקרא "מומנט היישור" או "הזרוע המיישרת".	איור 3 ספינה עם מכל נוזלים מלא חלקית נוטה ב-20 מעלות. מרכז הכובד של הנוזל שבמכל הוסט ל-g1, כתוצאה מכך הוסט מרכז הכובד של הספינה כולה ל-G1, וכתוצאה מכך המומנט המיישר G1-Z1 נעשה קטן יותר. Gv הוא מרכז הכובד הווירטואלי המתוקן בגלל תזוזת מרכז הכובד של הספינה, וגובה המטא-סנטר התקצר והוא Gv-M בלבד, כלומר יציבות הספינה קטנה.

מומנט השטח החופשי

גודל התזוזה של מרכז הכובד נקרא מומנט המכל המלא חלקית או מומנט השטח החופשי (free surface moment). מומנט זה מחושב בזמן התכנון לגבי כל מכל, הוא תלוי בממדי המכל, במומנט ההתמד של שטח המכל (מומנט שני של שטח), וכן בצפיפות הנוזל שבמכל וצפיפות המים בהם הספינה שטה. בזמן תנועת גלגול (הטייה לצדדים) מומנט ההתמד $M$ של מכל מלבני הוא:

$M={\frac {L\cdot B^{3}}{12}}\,$

כאשר $L$ הוא אורך המכל ו-$B$ הוא הרוחב.

התיקון במרכז הכובד של הספינה G-G_v:

${\frac {M\cdot d}{\Delta }}$

כאשר ${d}$ הוא צפיפות הנוזל במכל, ו-${\Delta }$ הוא נפח המים שהספינה דחתה.

אם כך רוחב המכל הוא המשתנה העיקרי המשפיע על השינוי במומנט השטח החופשי. מסיבה זו מכלים צרים עדיפים על מכלים רחבים, ובמכליות המכלים מחולקים משני צדי הספינה ונמשכים לכל אורכה.

מומנט השטח החופשי של הספינה הוא סיכום המומנטים בכל המכלים שעל הספינה, כולל מכלי דלק, מכלי מי נטל, מכלי מים מותפלים וכן הלאה.

מטא-סנטר

המטא-סנטר הוא נקודת המפגש בין אנך שעולה ממרכז הציפה לכיוון פני הים לבין קו האמצע של הספינה (איור 2). הגובה המטא-סנטרי G-M הוא המרחק בין מרכז הכובד של הספינה למטא-סנטר. גובה זה קטן וגדל יחד עם הזרוע המיישרת G-Z, והוא משמש כמדד ליציבות הספינה בכל רגע. הגובה המטא-סנטרי משתנה עם תנודות הספינה, ועם השתנות המטען שעליה שמזיז את מרכז הכובד שלה. מתכנני ספינות משרטטים גרף שמראה את היחס בין זווית הנטייה לבין הגובה המטא-סנטרי או לבין הזרוע המיישרת.

ככל שהגובה המטא-סנטרי ארוך יותר הספינה יציבה יותר ותתיישר אחרי ההטיות הצידה. עם זאת, מטא-סנטר גבוה גורם לכך שתנועות גלגול של הספינה (תנודות לצדדים) מתוקנות בחוזקה והטלטולים המהירים גורמים אי נוחות לאנשים שעל הספינה ועשויים לפגוע במטען ובמכשור. לכן יש לאזן בין יציבות לנוחות, גובה מטא סנטר נע בין 0.5 מטר ל-8 מטר.

אותם חישובים קיימים לגבי היציבות האורכית של הספינה, בהשפעה של התנדנדות חרטום הספינה מעלה ומטה (תנועת עלרוד), אך המטא-סנטר האורכי הוא כה גבוה, שהתהפכות כלי שיט עקב תנועת עלרוד היא נדירה מאד.

התגעשות נוזל במכל

תופעה נוספת שקורית במכלים מלאים חלקית היא התגעשות הנוזל בגלל תנודות הספינה בים סוער (באנגלית sloshing). מאות טונות של נוזל שניטחות שוב ושוב בקירות המכל יוצרות לחצים חוזרים עצומים, שללא אמצעי הגנה יגרמו להתעייפות החומר וסדקים בתאים. כדי למתן את התופעה מתקינים בתוך המכלים חוצצים בצורות שונות (באנגלית baffles). בחוצצים יש חורים ומעברים לנוזל, הם לא נועדו לבלום את הזרימה מצד לצד, אלא להאט אותה ולמתן את ההתגעשות על הדפנות. חוצצים אלה אינם מונעים את אפקט המכל המלא חלקית.

מכליות

מכליות הן אוניות שמיועדות להובלת נוזלים, הן מטבען מועדות להשפעת אפקט המכל המלא חלקית ומתוכננות כדי להפחית ככל האפשר את התופעה. מהנוסחה לחישוב מומנט השטח החופשי נובע שלרוחב המכלים יש השפעה מכרעת על המומנט בעת הטיה הצידה של הספינה - הרוחב מועלה בחזקה שלישית. לכן עדיפים תאים צרים וארוכים משני צדי האוניה, על פני מכל המשתרע לרוחב הספינה.

על פי תקנות הבטיחות הימית על הקפטן לוודא שמספר התאים המלאים חלקית הוא מינימלי. בעת שיט מכלים של מי נטל חייבים להיות כמעט מלאים או כמעט ריקים.

אוניות צובר

תאי האחסון (holds) באוניות צובר הם עצומים. במהלך העמסת חומר בתפזורת, לעיתים מורד דחפור לתוך התא כדי לפזר את החומר באחידות ולדחוס אותו.

אוניות צובר מובילות חומרים יבשים בתוך תאי ענק (holds) שנמצאים מתחת לסיפון. הן אינן ייעודיות לחומר מסוים, ומובילות חומרים בתפזורת כגון דגנים, פחם ועפרות, וגם חלקי ברזל, כבלים, וכל מוצר שכלכלי להוביל אותו בתוך התאים. בניגוד למכליות, באוניות צובר התאים אינם מחולקים והם ממוקמים לרוחב הספינה.

התנזלות חומר גרגירי

כמה מהחומרים המסוכנים להובלה בים אינם נפיצים או רעילים, אלה עפרות סלעיות כתושות כגון עפרת ברזל, עפרת ניקל, ועפרת בוקסיט שהיא המקור הראשי בעולם לאלומינום. הסכנה הטמונה בהם נובעת מתופעת ההתנזלות. התנזלות קורית בחומרים גרגיריים כשהם מכילים לחות, ובעקבות לחץ עליהם המים שנמצאים בין הגרגרים צפים מעלה והחומר כולו הופך לבוצה. כאשר ספינה עוברת בים גועש, הטלטולים של מסת החומר הגדולה בין דפנות התא יוצרים לחץ רב על החומר והוא עשוי להתנזל. כשזה קורה, נכנס לפעולה אפקט המכל המלא חלקית ומסכן את האוניה. מסיבה זו הוכנסו תקנות המגבילות את תכולת הלחות בחומרים בתפזורת ל-10%.

טביעת Bulk Jupiter

ב-2015 טבעה אוניית הצובר 'באלק יופיטר' בעת שנשאה 46,400 טון בוקסיט ממלזיה שהיו מיועדים לסין. מתוך 19 אנשי הצוות שהיו עליה ניצל רק אחד. באמצע דצמבר 2014 האוניה העמיסה בוקסיט בנמל (Kuantan Port) במלזיה. ההעמסה התעכבה ונמשכה שבועיים עקב הפסקות בגלל מזג אוויר גשום במיוחד, ובחלק מהזמן העפרה הייתה חשופה לגשם על הרציף. בהצהרת המטען שסיפקה חברת ההובלה בים לבעלי האוניה נכתב שרמת הלחות בבוקסיט היא בשיעור 10%. לעומת זה בבדיקת מעבדה שבוצעה לבקשת היצואן, נמצא שהלחות בעפרה עומדת על 21.3%, אלא שתוצאות הבדיקה לא היו מיועדות לקפטן ולא הגיעו אליו. ב-30 בדצמבר, בעת שהספינה הייתה מול חופי וייטנאם החלה באזור סופה טרופית, מזג האוויר החמיר והאוניה התחילה להיטלטל בחוזקה. בבוקר ה-2 בינואר הספינה נטתה בזווית של 45 מעלות לצד starboard של הספינה (ימין ושמאל בכלי שיט) ולא התיישרה. הושמעה אזעקת חירום בספינה, והצוות נקרא להגיע לסירת ההצלה בצד ה port side של הספינה. כעבור כ-20 דקות מרגע שהושמעה האזעקה הספינה טבעה. היחיד שנותר בחיים כדי לספר על מה שהתרחש היה הטבח הראשי, שיחד עם הקפטן דרכם אל סירת ההצלה נחסמה בגלל נטיית האוניה, הם קפצו למים בצד השני, ורק הטבח נמשה חי על ידי כוחות הצלה. הספינה טבעה, אך על אף המחסור בראיות פיזיות מסקנת התחקיר הייתה שהתנזלות הבוקסיט ואפקט המכל המלא חלקית גרמו לנטייה הקטלנית של הספינה על צידה.

בין 2009 ל-2018 נספו 101 יורדי ים בגלל התנזלות עפרה באוניות צובר.

"מבחן הפחית"

אחוז המים בחומר נבדק בעזרת מכשיר מיוחד. מבחן הפחית הוא שיטה מאולתרת לבדיקה, שצוות הספינה יכול לבצע כדי להתרשם מבטיחות החומר. על פי ההוראות יש למלא פחית כדי מחציתה בחומר הנבדק ולהטיח אותה 25 פעמים על משטח קשה מגובה של 20 סנטימטר. אם התהוותה לחות על פני החומר הוא חשוד, ויש לבדוק אותו במעבדה.

קישורים חיצוניים

• Ship Stability Ch. 6 Free Surface Effect
• קורס מבוא ליציבות ספינה בערוץ Naval Engineering Education Consortium