אונייה
מבנה > עקרונות בנייה > הידרודינמיקה

התקדמותה של אונייה נתקלת בהתנגדות המים. ישנן כמה מרכיבים בהתנגדות זו, העיקרי שבהם הוא החיכוך של המים בגוף האונייה. מרכיבים נוספים הם האנרגיה המתבזבזת ביצירת הגלים בעת מעבר האונייה; האנרגיה המתבזבזת עם היווצרותן של מערבולות הנגרמות על ידי גוף האונייה, הגה הכיוון, וחלקים נוספים הבולטים ממנה; והתנגדות האוויר למעבר חלקי האונייה שמעל המים. מרכיב החיכוך בהתנגדות הוא יחסי לצפיפות המים, שטח המגע בין גוף האונייה למים, חזקה של מהירות המים יחסית לאונייה, ומקדם חיכוך ידוע, שהוא פונקציה של מספר ריינולדס (גודל חסר ממד הנקבע על ידי הכפלת צפיפות המים במהירות האונייה, כפול אורכה, חלקי צמיגות המים). בתכנון האונייה קשה מאוד לשלוט על מקדם זה, מכיוון שצפיפות המים וצמיגותם אינם ניתנים לשליטה ואורך האונייה ומהירותה מוכתבים בדרך כלל על ידי דרישות שונות.
כדי להגדיל את מהירות האונייה ואת יעילותה יש צורך בהקטנת התנגדות זו. ניתן לעשות זאת על ידי צמצום שטח הגוף הפוגש במים, ותכנון טוב יותר של צורת הגוף השקועה במים, כך שתיצור גלים במשרעת קטנה יותר. אוניות שנועדו להפליג במהירות גבוהה הן בדרך כלל צרות יותר, וגופן חלק וללא תוספות כלשהן. בניית חרטום בולבוסי (פקעתי) מסייעת להתגברות על היווצרותו של גל החרטום, כפי שיפורט להלן.
דרך פשוטה להבנת התנגדות המים היוצרת גלים, היא בחינת הגוף ביחס לשובל שמותירה אחריה האונייה בעת ההפלגה. כאשר כלי השיט מפליג במהירות נמוכה, חרטום האונייה יוצר בעת מעברו במים גל, המתפשט במהירות רבה יותר מזו של האונייה, ומתפוגג כמעט בלי להשאיר שובל. כשגוף האונייה מתקרב למהירות התפשטות הגלים, מתחיל להיבנות גל חרטום שאינו מתפזר, והמשרעת שלו גדלה. במילים פשוטות, "המים אינם מצליחים לחמוק מגוף האונייה בזמן", ולפיכך על הגוף למעשה "לטפס" על הגל המתהווה, או לפלס את דרכו בתוך הגל. בשל כך, התנגדות המים מתחילה לעלות בקצב מעריכי עם עליית מהירות האונייה. כאשר היחס בין המהירות לאורך הגוף (שהוא מהירות האונייה במיילים לשעה, חלקי השורש הריבועי של אורך האונייה ברגליים) עולה על 0.94, עולה מהירות האונייה על מהירותו של גל החרטום; וכאשר היחס בין מהירות האונייה לאורכה עולה על 1.34 אורך הגל של גל החרטום ארוך יותר מאורכה של האונייה (ראו גם מהירות קער): הירכתיים אינן נתמכות יותר בשובל של גל החרטום והן מתחילות לשקוע, והחרטום מתחיל לטפס על גל החרטום. ביחס כזה ההתנגדות גבוהה מאד; ניתן אמנם להניע אונייה במהירות שתביא אותה ליחס גבוה יותר, אך השקעת האנרגיה הדרושה לכך גבוהה מאוד ולגמרי לא כלכלית. רוב כלי השיט הגדולים פועלים ביחס מהירות/אורך נמוך בהרבה, פחות מ-1.0.
התופעות ההידרודינמיות של אונייה ניתנות לבחינה מוקדמת באמצעות ניסוי בדגמים בבריכות מים המדמות מצבי ים שונים, או באמצעות דגמים ממוחשבים. ניסויים אלה ממחישים את ההתנגדות שתיצור תנועת האונייה במים, ועל פי הנתונים הללו ניתן להעריך את אופי ועוצמת מערכת ההנעה הנדרשת לכלי השיט.
בעת הפלגה מושפעות אוניות מגלי ים, נחשולים, וכן מרוחות ומזג אוויר סוער. תנועות חדות של האונייה עלולות לגרום לפגיעות בנוסעים ובציוד, ולפיכך יש לנסות לייצב את האונייה מולן. תנועת הגלגול ניתנת לשליטה עד גבול מסוים על ידי שימוש בזבורית או בסנפירי ייצוב. טלטול בציר האורך של האונייה מסוכן בהרבה וניתן הרבה פחות לשליטה; במצב זה החרטום עלול לשקוע במים, ולעיתים אין מנוס משינוי בנתיב האונייה או במהירותה כדי להימנע מטלטולים וגלגולים עזים.
אפיון נוסף של היציבות ההידרודינמית של אונייה היא היציבות הכיוונית. אונייה שסוטה ממסלולה רק על ידי הפעלת כוח חיצוני היא אונייה בעלת יציבות כיוונית; אונייה שסוטה ממסלולה גם ללא הפעלת כוח כזה היא חסרת יציבות כיוונית. אונייה חסרת יציבות כיוונית נוחה לתמרון, מאחר שקל לשנות את נתיבה. לעומתה, אונייה בעלת יציבות כיוונית שומרת טוב יותר על נתיב ההפלגה שלה, ויש צורך בפחות אנרגיה כדי לשמור על כיוונה. בשל שיקולים אלה מנסים מתכנני אוניות למצוא את השילוב הנכון בין שני הקצוות, וליצור אונייה שתהיה נוחה לתמרון אך שתדרוש אנרגיה מועטה יחסית כדי לשמור על נתיבה. עיקר המאמץ במציאת הפשרה הנכונה מושקע בתכנון גוף האונייה, בפרט בחלק השקוע במים.