Реклама: Купить лючки.


Юрий Борисович Пржиемский 

из книги «СНАРЯЖЕНИЕ ТУРИСТА – ВОДНИКА»,  Профиздат 1986

 

МОРЕХОДНОСТЬ САМОДЕЛЬНЫХ ТУРИСТСКИХ СУДОВ

Под мореходностью понимают некоторую совокуп­ность эксплуатационных качеств судна, которые обеспе-чивают безопасность его плавания в определенных усло­виях (высота волн, сила ветра и др.). Главные из них —­ это запас плавучести, непотопляемость, ходкость, пово­ротливость, остойчивость и устойчивость на курсе. Даль­нейшее рассмотрение этих свойств применительно к са­модельным туристским судам проведено на основе поня­тий и обозначений, принятых в спортивном судострое­нии. (Перечень понятий и определений см. в конце статьи).

       Плавучесть. Для того чтобы судно не тонуло, необхо­димо силу тяжести судна G равнодействующую сил тя­жести экипажа, груза и самого судна, приложенную в центре тяжести судна ЦТ и направленную вертикально вниз, уравновесить силой поддержания (рис. 1,а). Сила поддержания (плавучести) Р — равнодействующая всех сил давления воды на погруженную в нее часть корпуса судна—приложена в центре плавучести (величины) ЦВ и направлена вертикально вверх. Точка ЦВ совпадает с центром тяжести воды, вытесненной судном, а поддер­живающая сила равна весовому водоизмещению — произ­ведению удельного веса воды γ на объемное водоизме­щение V, т. е. P = γV.

            Для того чтобы противодействовать погружению кор­пуса при крене, обеспечивать всхожесть на волны и валы, судно должно обладать определенным запасом плавучести, под которым понимают предельно возможное возрастание силы плавучести. Этот запас создается защищен­ными от воды объемами надводной части судна.

Для открытых лодок (беспалубных) запас плавучести обеспечивается высотой надводного борта. У спасатель­ных шлюпок в полном грузу высота надводного борта должна составлять в самом широком месте судна (миделе) 6%, а в носу и корме 10% от длины судна по плос­кости конструктивной ватерлинии (КВЛ). Для прогулоч­ных судов высота надводного борта устанавливается в зависимости от высоты волн, при которых разрешена их эксплуатация, но не менее 6% от длины судна.

                              высота борта    (м)…….0,20  0,25  0,32  0,43  0,60

                              высота волн     (м)..……0,20  0,50  0,70  0,90  1,20

У туристских судов, предназначенных для плавания по бурным рекам, где валы носят беспорядочный харак­тер, а удельный вес вспененной воды сильно падает, запас плавучести должен обеспечиваться более действенными способами. Эти суда следует делать закрытыми, т. е. они должны иметь в каком-то смысле палубу. Действительно, самодельные туристские катамараны и плоты не имеют заливаемых водой полостей (кокпитов, трюмов) — вся их плавучесть создается герметичными объемами. У совре­менных самодельных туристских байдарок водонепрони­цаемые деки (палубы) выполняются как одно целое с фартуком, а посадочные люки минимальных размеров закрываются вокруг гребцов водонепроницаемыми юб­ками.

Установленных норм по запасу плавучести для этих судов нет, на практике же бытуют две тенденции. Сторонники одной принимают полный объем, например, плотов равным 3,5- и даже 5- объемным водоизмещениям, считая, что такие суда ходят «суше», лучше ведут себя, когда их потоком прижимает к неподвижному препятствию, и, следовательно, безопаснее. Сторонники другой берут полный объем, например, для катамаранов и бай­дарок больше их объемного водоизмещения всего в 2— 2,2 раза. Как будет показано ниже, такой запас плаву­чести для катамаранов является минимальным по сооб­ражениям остойчивости. Эти суда ходят «мокро», но го­раздо легче и с меньшей потерей скорости преодолевают валы. Известно, что и парусные суда одновременно бы­строходными и «сухими» не бывают.

   Непотопляемость.  Под этим понимают способность полностью залитого водой судна сохранять некоторый за­пас плавучести. Для полностью груженных прогулочных судов требуется, чтобы они, будучи затоплены водой, сохраняли запас плавучести не менее 10% от их полез­ной грузоподъемности. При этом предполагается,  что вкипаж, находясь в воде рядом с судном, может придер­живаться за него руками. По этим нормам на члена эки­пажа двухместной туристской байдарки требуется объем непотопляемости всего 25 литров.

Если обратиться к туристской практике, то большин­ство современных самодельных судов, которые применя­ются на более или менее сложных реках (катамараны, каркасно-надувные байдарки и др.), имеют объемы непо­топляемости по 60 и более литров на члена экипажа. Это позволяет экипажу при аварии самому поставить судно на ровный киль или взобраться па него.

 

Ходкость. Это способность судна развивать заданную скорость хода при наименьшей затрате мощности. Боль­шая часть энергии экипажа (на гребных судах) и ветра (па парусных) тратится на преодоление сопротивления воды, которое она оказывает движению корпуса и кото­рое в основном определяет быстроходность этих судов. Скорость существенна и для безопасности путешествия: от  столкновения с препятствием суда уходят за счет быстрого смещения.

Полное сопротивление воды обычно делят на следую­щие составляющие: сопротивление формы, трения, вол­новое и дедуктивное. Выделить и отдельно измерить эти составляющие практически нельзя, но такая классифи­кация помогает конструктору лучше понять поведение ре­ального судна.

Сопротивление формы проявляется при возник­новении за кормой области пониженного давления. По величине оно эквивалентно работе, затрачиваемой там на образование и срыв вихрей, и определяется характером обтекания кормы. Причем если обтекание водой носа про­исходит главным образом в горизонтальной плоскости по ватерлиниям, то кортма в основном обтекается по ботаксам (линиям пересечения оболочки корпуса вертикальны­ми плоскостями, проходящими параллельно ДП), т. е. из-под днища корпуса к поверхности. Сопротивление фор­мы тем больше, чем значительнее перепад давлений меж­ду кормой и миделем, что, в свою очередь, бывает у судов с малым удлинением — L/B ≤ 3-4, большой площадью поперечного сечения корпуса а миделе Sмд и большим коэффициентом общей полноты — δ > 0,75.

И наоборот, оно мало, например, у парусяых катамаранов, у которых L/Bк ≥10,

 δ ≤ 0,5, углы заострения обоих оконечностей корпусов менее 20°, а длина кормового заострения (под­резки) не менее чем в 4 раза превышает осадку корпуса в миделе. Обычно это сопротивление невелико у каркас­ных и каркасно-надувных туристских байдарок, и его удается сделать сравнительно небольшим у гребных и парусных катамаранов на надувных поплавках.

У туристских плотов, наоборот, сопротивление фор­мы обычно бывает преобладающим — так сложилось, ви­димо, исторически. Два первых поколения плотов — из сухостойных бревен и на автомобильных камерах    име­ли сплошное заполнение става элементами плавучести, и сопротивление формы было преобладающим в силу самой конструкции и конфигурации плота. Это, видимо, и определило невнимание туристов к гидродинамическим свойствам плотов и методам их оценки, принятым в спор­тивном судостроении.

Туристский плот, с точки зрения гидродинамики, не со­всем обычное и не простое судно    не все его свойства очевидны. При анализе движения плота можно выделить три составляющие. Первая составляющая — движение пло­та вместе с потоком относительно русла реки среди не­подвижных препятствий. Это движение наиболее нагляд­но, и, собственно, оно определило удлиненную форму ту­ристского плота и традиционное положение носа и кор­мы (морские спасательные плоты часто делают круглы­ми). Вторая составляющая — движение (перемещение) плота бортом, осуществляемое за счет активной работы экипажа поперек потока в целях управления. Собственно, этот способ управления в настоящее время и явля­ется той особенностью, которая отличает плот от других туристских судов. Ходкость у судна, которое перемещает­ся бортом (длинной стороной) вперед, будет, естественно, низка, и особенно у плота катамаранного типа. В спортивном судостроении под катамараном понимают два оди­наковых корпуса, связанных поперечными балками или мостом. Площади сечения Sдп двух длинных и узких кор­пусов будут сравнительно велики, а следовательно, будет велико и боковое сопротивление катамарана. При оценке ходкости плота этого типа, движущегося бортом, по суще­ству, меняются местами площади сечений Sдп и Sмд, то же происходит с длиной L и шириной Вк поплавков. Та­ким образом, преобладание сопротивления формы у этих плотов формально объясняется очень большим «попереч­ным» сечением и малым (<1) «удлинением» поплавков в направлении движения. Эти характеристики будут за­метно лучше у плотов с поперечным расположением по­плавков. Однако и в этом случае общее сопротивление при движение лагом не так уже мало, поскольку количество поплавков существенно больше, а удлинение их меньше, чем у катамарана, да и с точки зрения обтекания водой поплавки плота далеко не оптимальны.

Третья составляющая движения плота становится заметной на участках с большим уклоном. Она совпадает с продольной осью и возникает за счет «соскальзывания с горки», причем скорость тем больше, чем меньше лобовое сопротивление и тяжелее плот. Первое характерно для катамаранных плотов, а второе — для деревянных плотов первого поколения.

Сопротивление трения — основное сопротивление у гребных судов, имеющих хорошо обтекаемый корпус и движущихся с малой или умеренной скоростью. Оно возникает в силу того, что около корпуса при движении судна из-за вязкости воды образуется оболочка из следующих за ним ее частиц. Толщина этого слоя увеличивается от носа к корме и зависит от формы корпуса, его шероховатости и скорости движения и может достигать 2% от длины L судна , т. е. у пятиметровой байдарки составит около 10 см. Очевидно, что, чем больше воды «тянет» за собой судно, тем сильнее сопротивление трения, величина которого пропорциональна квадрату скорости, первой степени площади смоченной поверхности к коэффициенту трения.

Величина коэффициента трения в основном зависит от того, какая доля корпуса обтекается турбулентным потоком. При турбулентном обтекании не только увеличивается толщина пограничного слоя вокруг корпуса, но и возникают поперечные колебания, поглощающие дополнительную энергию. Часть корпуса, лежащая к корме от точки «отрыва струй» (рис. 1, в), всегда обтекается турбулентным потоком. Поскольку эта точка располагается вблизи наиболее широкого шпангоута, то последний выгодно смещать несколько в корму. Напомним , что у байдарок “Ладога” и “Салют” он, наоборот, сдвинут в сторону носа, и, следовательно, рекомендации туристов переделывать трехместные “Салюты” и ходить на них “задом наперед” имеют и теоретическое обоснование.

Характер обтекания передней половины корпуса зависит от ее формы, степени шероховатости смоченной поверхности и скорости движения судна, причем требования к гладкости возрастают вместе со скоростью. Особенно сильно сказываются выбоины, зазубрины, выступающие оковки и т. п., которые расположены у носовой части,— они вызывают турбулентный поток вдоль всего корпуса. Однако с ростом скорости и на «полированном» корпусе переход ламинарного потока в турбулентный сдвигается от точки «отрыва струй» в сторону носа . Местоположение области этого перехода определяется некоторой постоянной критической величиной произведения υL*, где υ скорость движения, а L* расстояние от носа корпуса до начала турбулентного потока  (на рис. 1в L*≈20%L). Таким образом, судам с плавными обводами и заостренными оконечностями существенно иметь гладкую, веретенообразную, хорошо обтекаемую переднюю подводную часть корпуса с плавным увеличением поперечных сечений, которая лучше сохраняет ламинарность потока, чем простая плоская поверхность. Наконец, следует подчеркнуть, что с увеличением длины корпуса L сопротивление трения растет, в то время как сопротивления формы и волновое уменьшаются.

Волновое сопротивление. Его природу легче уяснить, рассматривая движение потока мимо стоящего судна. Скорость воды у носа будет несколько падать (вода как бы наткнется на препятствие), а следовательно, здесь часть кинетической энергии потока перейдет в потенциальную — вода поднимется на некоторую высоту, образуя гребень носовой волны. У середины судна поток сожмется, скорость его увеличится, кинетическая энергия получит приращение, н вода здесь опустится. И наконец, у кормы поток опять расширится, скорость упадет, а потенциальная энергия возрастет — вода поднимется, образуя кормовую волну.

Волновое сопротивление, так же как и сопротивление трения, зависит от площади смоченной поверхности и квадрата скорости движения. Однако коэффициент волнового сопротивления пропорционален более высоким степеням скорости и имеет максимумы, когда скорость такова, что носовая волна совпадает по фазе с кормовой и энергия их складывается. Поэтому для волнового сопротивления важнейшей характеристикой является отношение скорости движения к корню квадратному из длины корпуса υ/L½. Для однокорпусных водоизмещающих судов до скорости

υmin 0,65 L½ м/с волновое сопротивление практически незаметно. Затем оно очень быстро растет и при скорости υmax 1,57 L½ м/с достигает максимального пика —«волнового барьера», когда вдоль корпуса укладывается одна полуволна.

Менее известно, что волновое сопротивление также пропорционально (в первом приближении) отношению фактического водоизмещения V к кубу длины судна V/L3. Другими словами, если при равной длине одна из лодок имеет водоизмещение вдвое больше, то для движения на одинаковой, близкой к максимальной, скорости ей потребуется и тяги по крайней мере также в 2 раза больше. Кроме того, волновое сопротивление узких судов растет пропорционально квадрату их ширины. Наиболее эффективно эти закономерности используют на катамаранах, где при неизменном водоизмещении можно увеличить удлинение поплавков Lк путем уменьшения их поперечных сечений. Поскольку поперечная остойчивость катамарана может быть обеспечена увеличением расстояния Во между поплавками, то это позволяет уменьшить ширину ватерлинии до минимума, необходимого только для создания плавучести. Вследствие этого туристский парусный катамаран с поплавками длиной порядка 5 м, имея 15 кв. м парусов, может преодолеть свой “волновой барьер” и выйти на глиссирование, хотя это невыполнимо для туристских судов с мощными двигателями.

У катамаранов есть еще две специфические составляющие волнового сопротивления. Во-первых, оно заметно растет, когда носовые волны встречаются между поплавками впереди миделя. Во-вторых, при близком расположении поплавков друг к другу скорость потока между ними сильно увеличивается — то же самое происходит и с волновым сопротивлением. Поэтому рекомендуется задавать конструктивную ширину Во и горизонтальный клиренс Кr по соотношениям: Во 0,35L и Кr ≥ 3 Вк (первая величина получена для парусных, а вторая    для моторных катамаранов).

Индуктивное сопротивление возникает, когда судно, кроме поступательного, имеет еще поперечное движение. При этом у одного борта возникает повышенное давление, а у другого — пониженное. Затраты энергии на перетекание струй воды с одной стороны корпуса на другую, образование и срыв вихрей определяют величину индуктивного сопротивления. Оно тем значительнее, чем больше осадка Т, площадь сечения корпуса Sдп и коэффициент его полноты γдп. Величина индуктивного сопротивления у парусных судов при углах дрейфа 5—8o. может составить более половины общего сопротивления воды. Парусникам оно позволяет ходить курсами, не совпадающими с направлением ветра, у гребных судов препятствует поперечным смещениям.

Поворотливость. Способность судна изменять направление движения и двигаться по криволинейному пути. Применяемое в этом смысле некоторыми туристами понятие «маневренность» в действительности включает в себя еще скорость хода, инерцию судна, время реверса и др. На спокойной воде туристские гребные суда поворачивают, как обычно, перекладкой руля, а на бурных горных реках байдарками, катамаранами и плотами управляют вёслами и гребями. При повороте судно одновременно вращается вокруг вертикальной оси и движется по криволинейной траектории. При этом сопротивление воды повороту будет тем значительнее, чем больше длина судна L , площадь сечения корпуса Sдп и коэффициент его полноты γдп. Худшее сочетание этих показателей обычно бывает у катамаранов и плотов этого же типа, их поворотливость падает также с увеличением расстояния между поплавками Во, а уменьшение длины L и ширины Во ограничено падением остойчивости.

Поворотливость двухкорпусных судов улучшают уменьшением коэффициента полноты γдп, т. е. усилением подрезки поплавков или увеличением относительной ширины последних Вк/Т , что, в свою очередь, приводит к сокращению их сечения Sдп. Последнее достигается различными способами (рис 1, г). Для этого, во-первых, увеличивают диаметр поплавков круглого сечения. Во-вторых, делают так называемые плоские поплавки, для чего в одной оболочке поплавка размещают рядом в горизонтальной плоскости две продольные камеры. В-третьих, применяют каркасно-надувные поплавки, имеющие поперечное сечение, например в виде сегмента, что достигается растяжением оболочки па раме, которая состоит из двух привальных брусьев и нескольких бимсов. Следует обратить внимание на то, что хотя этот вариант дает несколько меньший выигрыш в осадке, чем предыдущий, но зато он позволяет получить более высокие гидродинамические характеристики поплавков. Наконец, немного повысить поворотливость можно при любой форме поплавков — для этого достаточно их надуть слабее, чтобы они сплющились под собственным весом судна.

При угловых ускорениях повороту противодействует момент инерции судна — чем больше момент инерции, тем медленнее будет осуществляться поворот. Это заметно у двухместных байдарок и четырехместных катамаранов, особенно на соревнованиях, когда суда идут без груза. Смещение гребцов в крайние положения к носу и корме уменьшает поворотливость, поскольку вращающий момент при повороте возрастает пропорционально первой степени длины плеча силы. а момент инерции — второй степени. Сосредоточенно груза на периферии судна влияет аналогичным образом.

Очевидно, легче управлять малыми судами с короткой подводной частью и небольшой осадкой, особенно в оконечностях корпуса, быстро же разворачивать четырехместный катамаран весом около 500 кг и с диагональю более 5 м — дело совсем не простое. Поэтому заслуживает внимания способ посадки гребцов на четырехместном катамаране по вершинам квадрата.

Устойчивость. От устойчивости (и от поворотливости) зависит управляемость судна — при слабой устойчивости судно считается плохо управляемым. При этом устойчивость на курсе и поворотливость — два взаимоисключающих качества: все, что повышает устойчивость, снижает поворотливость, и наоборот. О судах с малой устойчивостью говорят, что они рыскливы. Это отнюдь не безобидное свойство. Во-первых, нейтрализуя рыскание, экипаж вынужден непрерывно работать рулем, веслами или гребями, а у парусников еще и шкотами. Это не только утомляет людей и притупляет их реакцию, но и снижает скорость судна. Во-вторых, в сложных условиях неожиданный непроизвольный поворот может привести к тяжелой аварии. Очевидно также, что разумный компромисс между поворотливостью и устойчивостью на курсе будет различным для озера и бурной горной реки.

Плоты с поперечным расположением поплавков более рыскливы, чем плоты других конструкций. Здесь могут сказаться по крайней мере два обстоятельства. Во-первых, при большой ширине (ниже будет показано, что плот этого типа должен иметь значительно большую ширину, чем катамаран, при одинаковой с ним поперечной остойчивости) левые и правые оконечности поплавков скорее могут оказаться в струях с разной скоростью воды, что может привести к непроизвольному повороту плота. Во-вторых, при «соскальзывании с горки» плот приобретает заметную поступательную скорость, которая может сказаться на устойчивости следующим образом.

Дело в том, что, как хорошо известно яхтсменам, у судна, идущего строго по ветру, на подветренной стороне паруса образуются и отрываются вихри Кармана, периодически то у левой, то у правой кромки паруса (рис 4, а). При этом попеременно возникают силы, направленные поперек яхты и в противоположные стороны, которые вызывают сильную бортовую качку и даже опрокидывают шверботы. Нечто подобное должно происходить, когда длинный поплавок располагается поперек линии своего движения, и неожиданные развороты могут вызываться подобными водяными вихрями.

Остойчивость. Это способность судна, выведенного из положения равновесия внешними силами, вновь возвращаться в это положение после прекращения действия сил. Различают поперечную остойчивость, противодействующую крену судна на борт, и продольную остойчивость, которая препятствует дифференту на нос или корму. О важности этого свойства говорит хотя бы то, что почти все несчастные случаи на воде начинались опрокидыванием судна. Для почти всех туристских судов неприемлема догма большого флота — «корабль должен тонуть не переворачиваясь». Как раз наоборот, туристские суда, переворачиваясь неоднократно, не должны тонуть — они должны быть приспособлены к опрокидыванию, а их экипажи — иметь опыт ликвидации таких аварий. Знание основных теоретических закономерностей и осмысленный на этой базе опыт позволяют уменьшить вероятность переворота судна и, что еще более важно, вероятность неожиданных опрокидываний, когда авария как раз и может перерасти в катастрофу.

Статическая остойчивость рассматривается, когда силы, вызывающие наклонение судна, действуют, не создавая заметной угловой скорости, как, например, при перемещении твердых грузов. Под начальной остойчивостью понимают остойчивость в пределах малых углов наклонения (когда величины угла в радианах и его синуса численно примерно одинаковы).

У туристских судов, центр тяжести которых расположен выше центра величины, остойчивость обусловлена перемещением точки ЦВ, где приложена поддерживающая сила Р, в сторону наклонения (рис 1, б). Такое перемещение точки приложения силы плавучести происходит вследствие изменения формы части корпуса, которая погружена в воду (остойчивость формы). Напомним, что точка ЦВ совпадает с центром тяжести объема воды, вытесненной судном. Поскольку положение центра тяжести судна (точка ЦТ) при наклонениях не изменяется, то возникают силы Р и G, образующие восстанавливающий момент, или момент остойчивости m :

т=Рl=Рhφ ,

где Р поддерживающая сила (плавучести), равная силе тяжести G судна, l — плечо остойчивости — расстояние между линиями действия сил Р и G, h — поперечная метацентрическая высота, φ   угол крена судна в радианах.

В качестве мер начальной остойчивости в судостроении для однокорпусных судов (помимо восстанавливающего момента) приняты:

— коэффициент остойчивости Рh это величина восстанавливающего момента, приходящаяся на каждую единицу угла наклона; он позволяет оценить сопротивление, которое оказывает судно усилиям, выводящим его из положения равновесия;

— метацентрическая высота h это расстояние между центром тяжести и метацентром судна МЦ, который расположен в точке пересечения линии действия поддерживающей силы Р (при наклонении) с линией действия силы тяжести G (на ровном киле). Для устойчивого равновесия судна его метацентрическая высота должна быть положительна, т. е. метацентр должен располагаться выше центра тяжести. По величине метацентрической высоты сравнивают остойчивости разных судов между собой.

Поперечная остойчивость, обусловленная изменением формы погруженной в воду части корпуса, будет незначительной у однокорпусных килеватых судов с округлым поперечным сечением. Существенно больше будет плечо момента поперечной остойчивости у плоскодонных судов со значительной шириной корпуса В/Т , а сильно разнесенные в ширину поплавки катамаранов создают им исключительно высокую начальную поперечную остойчивость. У  последних даже незначительный крен вызывает сильное смещение поддерживающей силы к борту, что и создает большое плечо восстанавливающего момента, который у них пропорционален площади сечения поплавка по ватерлинии и квадрату расстояния между осями Во. Так, если ширину катамарана В=1,8 м уменьшить до 1,2 м, т. е. в 1,5 раза, то (при ширине поплавка Вк=0,4 м) величина поперечного восстанавливающего момента упадет в 3 раза. Этот пример как раз показывает реальное соотношение поперечной остойчивости обычных четырехместных катамаранов с канойными веслами и более узких двухместных, на которых работают байдарочными веслами.

Продольная остойчивость характеризуется своим восстанавливающим моментом, его плечом, коэффициентом остойчивости и метацентрической высотой, которые определяются аналогичным образом при дифференте на нос или корму. У водоизмещающих однокорпусных судов продольная метацентрическая высота всегда значительно больше, чем поперечная, и соответственно их продольная остойчивость больше обычно на порядок. Поэтому, если однокорпусное судно имеет хорошую поперечную остойчивость, то оно считается остойчивым вообще.

Поперечная остойчивость катамаранов намного выше, чем у шверботов, по продольная — ниже, поэтому при одинаковом со шверботом «М» - дифферентующем моменте катамаран будет иметь дифферент в несколько раз больше (Крючков, 1964). Если из двух байдарок собрать катамаран, то от этого продольная остойчивость байдарок не уменьшится. Но поскольку у такого катамарана резко возрастет поперечная остойчивость, то относительно ее продольная остойчивость теперь будет казаться сравнительно меньшей. Однако, как говорилось выше, катамараны могут проигрывать и по абсолютной величине продольной остойчивости. Этому можно дать следующее объяснение. Поскольку у катамарана груз и экипаж вынесены на каркас, то поплавки в целях уменьшения сопротивления воды обычно делают более узкими, с малым развалом бортов и сильно заостренными оконечностями, т. е. корпуса имеют малую площадь сечения Sквл или коэффициент его полноты α много меньше единицы. Это-то и приводит к уменьшению продольной остойчивости катамаранов по сравнению с однокорпусными судами примерно одинаковой длины — ведь продольная остойчивость пропорциональна не только L2, но и α2. Поэтому в спортивном судостроении принято: для того чтобы поперечная и продольная остойчивости катамарана были одинаковыми, необходимо длину поплавков по КВЛ взять по крайней мере в 2 раза больше конструктивной ширины катамарана Во (между продольными осями поплавков).

Диаграммы статической остойчивости — это кривые, отображающие зависимость восстанавливающего момента т, или его плеча l от величины угла наклонения φ , причем обычно для больших значений последнего, когда в формулах от значений углов в радианах надо переходить к их тригонометрическим функциям:

т = Рl = Ph sinφ. Каждая диаграмма строится для определенных значений водоизмещения и ординаты ЦТ. Были рассчитаны (рис. 3, а) диаграммы статической остойчивости для модели катамарана (рис. 2) из двух поплавков-параллелепипедов, причем длина и ширина катамарана были приняты равными. Прямоугольная форма поплавков взята по соображениям удобства вычислений. Это позволило вычислять объемы, поддерживающие силы, их равнодействующие и точки, в которых они приложены, по более простым, точным формулам, используя простейшие геометрические соотношения.

 

 

 

 

 

 

 

На диаграмме поперечной остойчивости (кривая I для зависимости плеча l от угла крена φ) можно выделить три характерных участка. Первый прямолинейный участок простирается от φ =0° до угла отрыва φотр., т. е. до такого крена, когда происходит отрыв внешнего поплавка от поверхности воды, а восстанавливающий момент достигает своей наибольшей величины. У катамаранов обычно φотр.= 9—12°. Поскольку на этом участке с увеличением крена восстанавливающий момент автоматически также растет, то равновесие здесь будет устойчивое — катамаран кажется непереворачиваемым.

На втором участке, после того как крен превзойдет угол отрыва, равновесие станет неустойчивым — восстанавливающий момент будет падать с ростом крена, и катамаран станет переворачиваться все легче и легче. Другими словами, если под действием опрокидывающей силы крен катамарана превзошел угол отрыва, то для того, чтобы предотвратить опрокидывание судна, необходимо или уменьшить кренящий момент, например у парусников потравить шкоты, или увеличить восстанавливающий момент, например экипажу открениться.

 

 

 

Третий участок диаграммы находится за точкой «заката диаграммы остойчивости» — критического значения угла крена φкр., при котором сила поддержания Р и сила тяжести G вновь окажутся на одной прямой, а восстанавливающий момент упадет до нуля. При дальнейшем креновании на этом участке восстанавливающий момент станет отрицательной величиной, т. е. при углах крена больше критического значения судно завершит опрокидывание под действием собственного веса, если даже переворачивающая сила перестанет действовать.

Диаграмма продольной статической остойчивости (кривая II) построена для той же модели катамарана для случая опрокидывания его через торцы поплавков. Она в общих чертах повторяет вышерассмотренную. Главное отличие состоит в том, что максимальное значения продольного восстанавливающего момента примерно в 2,5 раза меньше, чем при крене на борт. Это объясняется тем, что при дифференте на нос или корму точка приложения поддерживающей силы ЦВ смещается на меньшую величину, чем при таком же крене на борт.

 

 

 

 

Диаграмма статической остойчивости (кривая III) построена для квадратного плота, имеющего те же размерения, что и катамаран, и сплошное заполнение габаритов водоизмещающим материалом. Полное водоизмещение такого плота Vmax=Н*В  получается в 3 раза больше, чем у катамарана, а относительная высота борта F возрастет до 0,83 вместо 0,5. Из сопоставления диаграмм I, II и III видно, что максимальный восстанавливающий момент у плота будет примерно в 2 раза больше, чем такое же значение момента продольной остойчивости у катамарана, но все же останется на 25% меньше максимальной величины восстанавливающего момента для поперечной остойчивости последнего. Это объясняется следующими обстоятельствами. Увеличение запаса плавучести и относительной высоты борта плота привели к тому, что наибольшее возможное перемещение точки ЦВ к борту (Хцв) при его наклонении стало таким же, как при крене катамарана на борт. Однако плечи соответствующих восстанавливающих моментов не сравнялись, поскольку у катамарана при малых углах крена перемещение точки ЦВ к борту происходит на большую величину, чем у плота.

Наконец, диаграмма продольной статической остойчивости (кривая IV) показывает, что увеличение длины L поплавков катамарана пирамидальными заострениями на 33% хотя и дало приращение их полного объема всего на 5,5%, но привело к росту плеча и самого момента продольной остойчивости на 22%. Этот пример еще раз показал большое влияние водоизмещающих объемов на периферии судна на его остойчивость. В справочнике вахтенного офицера говорится, что при уходе под воду палубы в оконечностях судна его продольная остойчивость заметно падает (Проничкин, 1975),

Из рассмотрения диаграмм можно сделать следующие выводы. Во-первых, остойчивость самодельных туристских судов обеспечивается прежде всего достаточным запасом их плавучести. Так, у катамаранов, чтобы в полной мере реализовать присущую им высокую поперечную остойчивость, полный объем каждого поплавка должен превосходить объемное водоизмещение всего судна в полном грузу. Катамаран должен иметь возможность «встать» на один поплавок. Во-вторых, эффективно повышать остойчивость формы можно, не столько увеличивая защищенные от воды объемы, сколько располагая их на удалении от середины судна. Так, если катамарану добавить в середину третий поплавок — превратить его в тримаран,— то его поперечная остойчивость упадет. В то же время продольную остойчивость катамарана можно существенно увеличить, если (при достаточном запасе плавучести) «вырезать» средние части его поплавков. Собственно, так и устроены плоты модульного типа. В-третьих, появившаяся в печати характеристика «эффективная ширина плота» неудачна, так как она неоднозначно связана с величиной остойчивости. Дело в том, что величина восстанавливающего момента определяется формой не всего корпуса судна, а только той его части, которая погружена в воду. Эта часть корпуса в судостроении традиционно характеризуется точкой ЦВ и длиной плеча остойчивости.

Динамическая остойчивость рассматривается, когда внешние силы вызывают наклонения судна со значительными угловыми скоростями, как, например, при действии шквального ветра, «взрывной» волны и т. п. Наибольший угол наклонения, который достигает судно при динамическом действии кренящего момента, называется динамическим углом крена (дифферента). Из практики хорошо известно, что порыв ветра опрокидывает парусную лодку много легче, чем ровный ветер большей силы. Дело в том, что в первом случае судно по инерции накренится больше, чем до угла, при котором наступит равновесие кренящего и восстанавливающего моментов. Чтобы погасить инерцию и остановить опрокидывание, восстанавливающий момент должен произвести работу, равную работе момента, создающего это наклонение.

 

На диаграмме статической остойчивости работу некоторого кренящего момента можно показать площадью прямоугольника, ограниченного сверху горизонтальной прямой, проведенной на уровне Мкр., и ординатой некоторого вызванного им угла наклонения (рис. 4, б, точки ОАВС). В свою очередь, работа восстанавливающего момента изобразится площадью, ограниченной ординатой того же угла и отрезком кривой момента остойчивости от начала координат до точки Д. Если величину угла наклонения подобрать так, чтобы обе указанные площади стали одинаковыми, то это и будет значением динамического угла крена φдин.. По данным справочника (1975) , в пределах прямолинейной части диаграммы статической остойчивости при внезапном приложении постоянного кренящего (дифферентующего) момента величина динамического угла наклонення будет примерно вдвое больше соответствующего угла статической остойчивости φст..

 

 

 

 

 

Диаграмму динамической остойчивости, выражающую зависимость величины работы восстанавливающего момента от угла наклонения, можно построить следующим образом. По диаграмме статической остойчивости (кривая I на рис 3, б) находится ряд значений плеча l статического момента, которые берутся через равные интервалы угла крена (например, через φ=5о=0,0873 радиана). Дальнейшие вычисления проводятся по таблице 1. Значения плеча динамической остойчивости lдин., соответствующие каждому значению l, определяются по формуле: lдин.= ½φ //, где φ — приращение угла в радианах, а // — сумма нарастающим итогом из строки 4 таблицы 1.

 

Таблица 1

Вычисление диаграммы динамической остойчивости

Угол крена φo

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1.

Плечо статического момента  l

0

0,37

0,73

0,79

0,70

0,61

0,52

0,42

0,32

0,22

0,11

2.

Суммы попарно 

0

0,37

1,10

1,52

1,49

1,31

1,13

0,94

0,74

0,54

0,33

3.

Суммы нарастающим итогом //

0

0,37

1,47

2,99

4,48

5,79

6,92

7,86

8,60

9,14

9,47

4.

Плечо динамического момента lдин.

О

0,02

0,06

0,13

0,20

0,25

0,30

0,34

0,38

0,40

0,41

 

Кривая IV (рис 3, б) отображает диаграмму динамической остойчивости, вычисленную указанным способом по диаграмме поперечной статической остойчивости (кривая I ) исходной модели катамарана. Чтобы по этой диаграмме найти угол динамического крена, надо еще построить график работы кренящего момента. Для этого из точки N где угол φ =1 радиану = 57,3o, проводится вертикальная линия , на которой откладывается в соответствующем масштабе величина кренящего момента Мкр.. Полученная таким способом точка М соединяется с началом координат. На пересечении этой прямой с диаграммой динамической остойчивости и расположены значения угла динамического крепа. Если через начало координат 0 провести касательную к кривой динамической остойчивости, то точка касания даст значение критического угла крена φкр.;g, при котором произойдет опрокидывание судна, а пересечение касательной с прямой укажет соответствующее минимальное значение динамического кренящего момента. В рассчитанном примере для рассматриваемой модели катамарана величина динамического критического угла крена для поперечной остойчивости получилась примерно в 2 раза меньше, чем соответствующее значение для статической остойчивости. Таким образом, в первом приближении можно считать, что динамическая остойчивость самодельных туристских судов вдвое меньше их статической остойчивости.

На остойчивость судна помимо формы погруженной в воду части корпуса влияет также его вес. Рассмотрим это влияние несколько подробнее. Прежде всего существуют суда, у которых вообще отсутствует остойчивость формы — это подводные лодки в полностью погруженном состоянии. Для того чтобы в этом случае восстанавливающий момент имел положительное значение, необходимо, чтобы центр водоизмещения был расположен выше центра тяжести. При этом все метацентры совпадают с точкой ЦВ, а плечо моментов остойчивости l = hsinφ, где h возвышение центра величины ЦВ над центром тяжести ЦТ.

Весьма близкая картина наблюдается у килевых яхт, где центр тяжести смещается вниз при помощи тяжелого балластного фальшкиля. Следует отметить одну характерную особенность диаграммы статической остойчивости у судов этого типа — она не имеет «точки заката», и величина восстанавливающего момента монотонно нарастает, достигая максимума при наклонениях, равных 90°.

 У туристских судов центр тяжести практически всегда находится выше центра величины водоизмещения. В этом случае влияние остойчивости веса не будет однозначным н потребует более подробного рассмотрения. Прежде всего следует отметить, что остойчивость порожних и сильно перегруженных судов, как правило, падает. Это обусловлено происходящими одновременно изменениями остойчивости формы, например сокращением площади ватерлинии, а во втором случае — и потерей запаса плавучести. При изменении количества и размещения груза в пределах, предусмотренных конструкцией судна, решающее влияние на остойчивость оказывает изменение положения центра тяжести. Из схемы действия сил для модели катамарана (рис. 2) непосредственно следует соотношение: -l = hsinφ, где l — изменение плеча остойчивости; h — изменение высоты точки ЦТ над ЦВ; φ — величина угла наклонения. Другими словами, увеличение высоты центра тяжести приводит к уменьшению плеча восстанавливающего момента, причем это уменьшение будет сильнее сказываться по море роста угла наклонения.

Указанные закономерности хорошо просматриваются на диаграммах поперечной статической остойчивости для модели катамарана (рис. 3, б). Исходная диаграмма (кривая I ) соответствует высоте 0,5 м точки ЦТ над палубой. Диаграммы II и III построены для случая, когда высота точки ЦТ над точкой ЦВ уменьшена на ¼ и в 2 раза соответственно. Из сопоставления этих диаграмм следует, что даже существенное изменение высоты центра тяжести сравнительно слабо сказалось на начальной остойчивости катамарана — так, максимальная величина восстанавливающего момента при угле отрыва возросла всего на 5 и 11% соответственно, а сам угол отрыва практически не изменился.

Заметно большие изменения произошли на нисходящих ветвях диаграмм II и III — они стали менее крутыми, а величина критического угла возросла на 15 и 33% соответственно. Следовательно, суда с высоким центром тяжести при крене, превосходящем угол отрыва, будут опрокидываться более быстро, экипаж может не успеть парировать возмущение, например открениванием, и судно завершит переворот. Таким образом, увеличение водоизмещения на периферии судна и понижение центра тяжести влияют на остойчивость не эквивалентно. Первый способ приводит к подъему всей диаграммы остойчивости (пропорционально квадрату Во), а второй сказывается значительно слабее и в основном на нисходящей ветви статической диаграммы остойчивости.

В справочнике вахтенного офицера говорится: изменить остойчивость можно лишь за счет изменения размещения груза по вертикали. Из практики известно: добавляя груз ниже ватерлинии, мы увеличиваем остойчивость, а выше ватерлинии — уменьшаем (в первом приближении) .

На легких туристских и спортивных судах, когда их остойчивости не хватает, чтобы противодействовать внешнему кренящему моменту, экипаж прибегает к открениванию. Сущность этого практического приема состоит в том, что экипаж смещением собственного веса к борту, противоположному крену, создает искуственный кренящий момент, противоположный действию внешних сил. При этом происходит временное смещение центра тяжести судна в горизонтальной плоскости, которое тем больше, чем сильнее сместился экипаж от плоскости ДП и чем больше величина отношения Рэ, т. е. веса экипажа к общему весу судна. Применение откренивания при дифферентах менее эффективно.

Опрокидывание судна на твердой опоре.   Весьма распространенную ситуацию, когда судно, например плот, село носом или бортом на камень и находится под воздействием набегающего потока, скорее всего не следует относить к задачам, решаемым в понятиях остойчивости. Можно указать хотя бы следующие существенные отличия. Во-первых, помимо сил тяжести и плавучести на судно действует качественно новая сила давления набегающего потока. Количественно эта сила равна произведению динамического давления потока (около 50v2 кг/м) и площади поверхности судна, на которую поток набегает, причем сила давления направлена перпендикулярно к этой поверхности. Во-вторых, находящееся па плаву судно под действием кренящего момента вращается (кренится) вокруг центра величины (водоизмешения) — точки ЦВ, которая, в свою очередь, при этом смещается поступательно по криволинейной траектории. Сидящий же на камне плот может вращаться лишь вокруг фиксированной оси, которой служит ему точка опоры.             В-третьих, существование этой фиксированной оси вращения позволяет свести задачу равновесия судна в этой ситуации к проверке на нуль алгебраической суммы моментов всех сил относительно этой оси. Если же момент равнодействующей силы относительно точки опоры не будет равен нулю, то судно под действием этой силы перевернется.

Влияние момента инерции судна на остойчивость.     Появившиеся в туристской литературе рекомендации, что для повышения остойчивости плота необходимо разместить груз как можно шире по бортам, расходятся с советами классиков спортивного судостроения: «Перемещение команды ближе к носу или в сторону кормы... лишь увеличивает момент инерции и период собственных колебаний яхты» (Мархай, 1970). «Следует избегать размещения грузов в оконечностях, чтобы тем самым уменьшить момент инерции килевой качки и снизить ее амплитуду» (Норвуд, 1967).

Для того чтобы разобраться в этих противоречиях, видимо, прежде всего следует уточнить само понятие «груз». В дальнейшем будем рассматривать только твёрдые грузы, поскольку известно, что переливающиеся грузы, имеющие свободную поверхность в силу своей подвижности, создают побочные явления — они уменьшают метацентрическую высоту и, следовательно, остойчивость судна на величину отношения момента инерции площади свободной поверхности жидкости относительно осей, проходящих через центр тяжести этой площади, к объему жидкого груза. Далее под грузом будем понимать некую материальную точку, обладающую некоторой массой. Такой подход правомерен, поскольку влияние на остойчивость водоизмещающих объемов, которые размещены на периферии и в середине судна, было выяснено выше. И наконец, примем, что перемещение грузов не влияет на положение центра тяжести судна в целом, ибо влияние на остойчивость грузов, расположенных несимметрично относительно продольных и поперечных осей, было выяснено при рассмотрении откренивания.

Таким образом, вопрос о влиянии размещения груза на судне в горизонтальной плоскости можно свести к задаче взаимосвязи остойчивости судна и его момента инерции, т. е. выяснить, зависит ли величина угла наклонения судна от величины его момента инерции. Причем в нервом приближении наклонение судна будем рассматривать как вращательное движение вокруг точки центра величины.

Из теоретической механики известно, что работа при вращательном движении А=Мφ, где Мвращающий момент, а φ — угол поворота. Кроме того, ускорение, с которым будет происходить это вращение ε = М/т, где т момент инерции вращающегося тела. Известно также, что время одного колебания маятника пропорционально т½. Исходя из этих соотношений можно утверждать, что угол наклонения судна определяется только величиной работы, совершаемой кренящей силой, однако это наклонение будет протекать медленнее, когда момент инерции судна больше вследствие размещения грузов на периферии. Последнее и создает иллюзию возрастания остойчивости.

Приближенные вычисления площади, объема и положения ЦВ.                            В рассматриваемых выше моделях судов форма поплавков была принята прямоугольной, для того чтобы расчеты можно было выполнить более просто по точным формулам. Реальные суда имеют криволинейные обводы, и приходится пользоваться приближенными вычислениями. Сущность описываемого метода заключается в следующем. Искомую площадь, например погруженной части шпангоута (рис. 4, в) , разбивают на п частей равноотстоящими ватерлиниями. Каждую такую часть можно приближенно считать трапецией. Тогда искомая площадь также приближенно будет равняться сумме площадей этих трапеций, которая вычисляется согласно столбцам 1 и 2 таблицы 2. Подобным же образом можно вычислить и площадь ватерлинии, которую для этого разбивают на т частей равноотстоящими вертикальными шпангоутами.

Для того чтобы вычислить объем, например, погруженной части корпуса (объемное водоизмещение), его разбивают на т усеченных пирамид (рис. 4, в) равноотстоящими друг от друга шпангоутами, площади которых могут быть найдены способом, описанным выше. Тогда объемное водоизмещение V будет приближенно равняться сумме объемов этих пирамид и определяться согласно столбцам 3 и 4 таблицы 2. Объемное водоизмещение можно также определить по площадям равноотстоящих друг от друга ватерлиний, причем вычисления будут проводиться по аналогичной схеме.

Для вычисления расстояния центра величины — точки ЦВ — от носа корпуса, кроме объемного водоизмещения, найденного выше, потребуются еще произведения площадей этих шпангоутов на их порядковые номера, начиная от носа судна (столбец 5 таблицы 2). Если вместо площадей шпангоутов воспользоваться площадями сечений по ватерлиниям, то аналогичным способом можно вычислить расстояние точки ЦВ от основной плоскости ОП по вертикали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Приближенное вычисление площади, объема и положения точки ЦВ

 

Описанный метод приближенных вычислений достаточно трудоемкий и может применяться скорее на этапе конструирования, чем для оперативного контроля характеристик туристских судов на соревнованиях. В то же время потребность в таком контроле со временем становится острее, поскольку появляются новые виды соревнований, проводимых целиком на самодельных судах. Выход из этого положения, видимо, следует искать в двух направлениях. Во-первых, надо разработать методики и программы вычислений для программируемых микрокалькуляторов, позволяющих вычислять характеристики судов, например полное объемное водоизмещение, по незначительному числу данных измерений. Во-вторых, надо набрать статистику по величинам коэффициентов общей полноты δ корпусов для туристских маломерных судов разных типов. Тогда оценки их полного объема можно будет производить по формуле: Vm= δLBH. Ориентировочные прикидки позволяют предполагать, что такие коэффициенты полноты объема корпуса для всех типов маломерных туристских судов скорее всего будут лежать в диапазоне значений от 0,35 до 0,75. Данные справочников показывают, что подобные коэффициенты для отдельных типов судов большого флота имеют более узкий разброс. Практика спортивного судостроения подтверждает, что измерение, анализ и регламентирование ключевых характеристик судов позволяет эффективно управлять самодеятельным техническим творчеством.

Приложение.

Некоторые понятия и определения спортивного судостроения

Размеры судна определяются относительно следующих плоскостей:

ОП — основная плоскость, проходящая горизонтально через нижнюю точку судна; КВЛ — плоскость конструктивной ватерлинии , рассекающей корпус в полном грузу на уровне поверхности воды;

ДП — диаметральная плоскость, которая проходит вертикально через продольную ось судна (корпус катамарана);

МД — плоскость миделя, расположенная вертикально и перпендикулярно ДП и делящая сечение по КВЛ на две равные части.

 

Основные размеры судна

L — длина судна (корпуса) по КВЛ;

Lm — наибольшая длина;

В — ширина по КВЛ судна;

Вm — наибольшая ширина судна;

Т — осадка — расстояние от ОП до КВЛ;

Н — полная высота борта от ОП до палубы;

F = (H - Т) — высота надводного борта.

 

Кроме того, для катамаранов указываются:

Во   конструктивная ширина между продольными осями поплавков;

Вк  ширина поплавка по КВЛ;

Вкm — наибольшая ширина поплавка;

Кв — вертикальный клиренс — наименьшее расстояние от КВЛ до палубы;

Кг — горизонтальный клиренс — то же между корпусами по КВЛ.

 

Дополнительные характеристики

V  объемное водоизмещение — объем части судна ниже КВЛ;

Vm  объем воды, вытесненной полностью погруженным судном;

 L/B  относительное удлинение (для катамаранов здесь и ниже Вк вместо В);

B/T  относительная ширина в миделе;

F/H  относительная высота борта;

Sквл — площадь сечения по КВЛ;

Sдп — площадь погруженной части ДП;

Sмд — площадь погруженной части миделя;

δ = V/BTL коэффициент полноты водоизмещения;

α = Sквл /LB — коэффициент полноты площади КВЛ;

γдп = Sдп  /LT — коэффициент полноты погруженной части ДП;

β = Sмд /BT     коэффициент полноты погруженной части миделя. 


   TopList    Яндекс.Метрика
Лента |  Форумы |  Клуб |  Регистрация |  События |  Слеты |  Маршруты (Хронобаза) |  Фото |  Хроноальбом |  Видео |  Радио Статьи |  Лодки |  Турснаряжение |  Тексты |  Отчеты |  Худ. литература |  Марфа Московская |  Марфа - рассказы |  Заброска |  Пойду в поход! |  Карты |  Интерактивная карта |  Погодная карта |  Ссылки |  Поиск |  Реклама |  База |