Schiffsprinzip: Die Wirkung des archimedischen Prinzips

Schiffsprinzip: Die Wirkung des archimedischen Prinzips

 

Die Sicherheit der Schifffahrt wird nach tragischen Schiffskatastrophen immer wieder neu infrage gestellt. Vor allem nach dem Untergang von mehreren großen Autofähren in jüngerer Zeit werden die Prinzipien, nach denen ein Schiff stabil und sicher schwimmt, neu diskutiert.

 

 Warum schwimmt ein Schiff?

 

Wird ein Stück Holz ins Wasser geworfen, so ist niemand verwundert, wenn es schwimmt. Wie tief das Holz jedoch in das Wasser einsinkt, hängt von seiner Masse (in kg) bezogen auf den Rauminhalt (Volumen in dm³) ab. Diese Eigenschaft von Materie nennt man Dichte. Jede Holzsorte hat eine andere Dichte. Und manche Holzsorten schwimmen nicht! Wasser hat eine Dichte von ca. 1 kg/dm³, d. h., 1 l Wasser hat eine Masse von 1 kg. Ein Würfel aus Holz mit einer Masse von 0,8 kg und einer Kantenlänge von 10 cm (= 1 dm³) verdrängt 0,8 kg Wasser. D. h., 0,2 kg oder 20 % seiner Masse sinken nicht in das Wasser ein. Es entsteht eine Auftriebskraft (archimedisches Prinzip).

 

Ein massiv-stählerner Block muss also untergehen, denn die Dichte von Stahl beträgt 7,85 kg/dm³, also fast achtmal mehr als Wasser. Damit ein stählernes Schiff schwimmt, muss das Schiffsinnere sehr viel Luftraum enthalten, sodass seine durchschnittliche Dichte (wesentlich) geringer wird als die des Wassers. Wird das Luftvolumen durch einströmendes Wasser verdrängt, nimmt die durchschnittliche Dichte des Schiffes wieder zu, bis die stählernen Anteile das Schiff in die Tiefe ziehen. Im Schiffbau wird dieses Problem durch Querabteilungen (Schotten) vermieden, sodass nicht sofort das gesamte Schiff vom Wasser durchflutet werden kann. Autofähren haben meistens keine Querschotten, um Kraftfahrzeugen das ungehinderte Durchfahren der Fähre zu ermöglichen. Damit besteht die Gefahr, dass Fähren nach einem Wassereinbruch innerhalb kürzester Zeit instabil werden und kentern.

 

 Schiffsstabilität

 

Ein seetüchtiges Schiff muss (auch nach Wassereinbruch) den Kräften auf See (Wind, Seegang) standhalten können. Dazu muss es sich aus einer Seitwärtsneigung (Krängung) wieder aufrichten können (Längsstabilität). Bei starken Seitenkräften führt dies zu einer ständigen schwingenden Drehbewegung um die Längsachse (Schlingern oder Rollen). Auch muss es sich aus einer Neigung um die Querachse (Trimmung oder Trimm) wieder aufrichten können (Querstabilität). Bei starkem Seegang oder Wind führt dies dazu, dass sich Vor- und Achterschiff der Fähre abwechselnd heben und senken (stampfen) bzw. abwechselnd nach beiden Seiten aus der Fahrtrichtung herausdrehen (gieren).

 

Die unangenehme Schlingerbewegung kann durch Dämpfungseinrichtungen reduziert werden.

 

 Kentern eines Schiffes

 

Soll eine Fähre bei Krängung nicht kentern, d. h. seitlich umkippen, so muss eine gute Längsstabilität gewährleistet sein. Die durch sein Gewicht G gegebene Gewichtskraft F_G greift am Schwerpunkt S des Schiffes an, die Auftriebskraft F_A hingegen am Formschwerpunkt S_F der verdrängten Wassermenge. In der Normallage liegen beide übereinander in der Mittschiffsebene. Krängt ein Schiff, so verlagert sich der Formschwerpunkt entsprechend der neuen Unterwasserform an eine andere Stelle (SF). Die nunmehr hier angreifende Auftriebskraft F_A bildet zusammen mit der Gewichtskraft F_G ein Kräftepaar bzw. Drehmoment, das das Schiff um seine durch den Schwerpunkt gehende Längsachse zu drehen sucht. Auftriebs- und Gewichtskraft liefern ein wieder aufrichtendes Drehmoment (Stabilitätsmoment), solange der als Metazentrum bezeichnete Schnittpunkt M der Wirkungslinie der Auftriebskraft mit der Mittelachse oberhalb des Schiffsschwerpunktes S liegt. Das Schiff richtet sich dann wieder auf, die Schwimmlage ist stabil.

 

Gerät aber das Metazentrum bei zu starker Krängung (Seegang, eingedrungenes Wasser) oder zu hoch liegendem Schwerpunkt (z. B. bei zu schwerer und hoher Decksladung) unterhalb des Schwerpunktes S, so wirkt das von Auftriebs- und Gewichtskraft gebildete Drehmoment nicht mehr aufrichtend, sondern verstärkt die Krängung: Die Schiffslage wird immer instabiler, und es kommt zum Kentern des Schiffes. Gegen die Kentergefahr wirkt eine besonders große Schiffsbreite (Formstabilität) oder ein Ballast im Kiel (Gewichtsstabilität).

 

 Sichere Schiffskonstruktionen

 

Um Autofähren sicherer zu machen, sieht eine neue Konstruktionsidee dieses Schiffstyps ein gesteuertes Sinken bei Wassereinbruch vor. Durch große Auftriebskörper im Decksaufbautenbereich wird ein Kentern vermieden. Die unteren Autodecks laufen voll Wasser und stabilisieren (als Ballast) die Fähre.