ВЛИЯНИЕ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ НА КОРАБЛЬ

Воздействие ветра на корабль определяется его на­правлением и силой, формой и размерами площади па­русности корабля, расположением центра парусности, значениями осадки, крена и дифферента.

Действие ветра в пределах курсовых углов 0—110° вызывает потерю скорости, а при больших курсовых уг­лах и силе ветра не свыше 3—4 баллов — некоторое ее приращение.

Действие ветра в пределах 30—120° сопровождается дрейфом и ветровым креном.

На движущийся корабль действует относительный (кажущийся) ветер, который связан с истинным следую­щими отношениями (рис. 7.1)(2):

где Vи — скорость истинного ветра, м/с;

VK—скорость кажущегося ветра, м/с;

V0 — скорость хода корабля, м/с;

βо—угол дрейфа корабля, град.

Yk — угол кажущегося ветра;

Yи—угол истинного ветра.

Удельное давление ветра на корабль в кгс/м&sub2; рассчи­тывается по формуле

где W — скорость ветра, м/с.

Рис. 7.1. Зависимость истинного и кажущегося ветра

Рис. 7.2. Действие кренящего момента

Так, при урагане, когда скорость ветра достигает 40—50 м/с, величина ветровой нагрузки достигает 130— 200 кгс/м2.

Полное давление ветра на корабль определяется из выражения P = pΩ, где &Omrga; — площадь парусности корабля.

Величина кренящего момента Мкр (рис. 7.2) в кгс • м для случая установившегося движения и действия силы давления ветра Р, перпендикулярной ДП корабля, опре­деляется из выражения

где zn — ордината центра парусности, м;

Т — средняя осадка корабля, м.

Волнение моря оказывает наиболее существенное вли­яние на корабль. Оно сопровождается действием на кор­пус значительных динамических нагрузок и качкой ко­рабля. При плавании на волнении увеличивается сопро­тивление корпуса корабля и ухудшаются условия совместной работы винтов, корпуса и главных двигателей.

Рис. 7.3. Элементы волн

В результате снижается скорость, увеличивается нагрузка на главные машины, повышается расход топлива и умень­шается дальность плавания корабля. Форма и размеры волн характеризуются следующими элементами (рис. 7.3):

— высота волны h — расстояние по вертикали от вер­шины до подошвы волны;

— длина волны λ — расстояние по горизонтали между двумя соседними гребнями или подошвами;

— период волны t — промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей дли­не(3);

— скорость волны С — расстояние, проходимое вол­ной в единицу времени.

По происхождению волны подразделяются на ветро­вые, приливо-отливные, анемобарические, волны земле­трясения (цунами) и корабельные. Наиболее распространенными являются ветровые волны. Различают три типа волнения: ветровое, зыбь и смешанное. Ветровое волне­ние — развивающееся, оно находится под непосредствен­ным воздействием ветра в отличие от зыби, представляю­щей собой инерционное волнение, или волнение, вызванное штормовым ветром, дующим в удаленном районе. Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветрен­ный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветро­вых волн образуются гребни, верхушки которых под дей­ствием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются. Направление ветра и на­правление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30—40°. Размеры ветровых волн зависят от скорости ветра и продолжительности его воздействия, длины пути ветро­вых потоков над водной поверхностью и глубины данного района (табл. 7.1).

ТАБЛИЦА 7.1. МАКСИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН ДЛЯ ГЛУБОКОГО МОРЯ (Н/Λ > 1/2)

Наиболее интенсивный рост волны наблюдается при отношении C/W < 0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста волн. По­этому волны опасны не в момент наибольшего ветра, а при последующем его ослаблении.

Для приближенных расчетов средней высоты волн ус­тановившегося океанского волнения пользуются форму­лами:

при ветре до 5 баллов

при ветре свыше 5 баллов

где Б — сила ветра в баллах по шкале Бофорта (§ 23.3).

В условиях развитого волнения имеет место интерфе­ренция отдельных волн (до 2% общего количества и бо­лее), которые достигают максимального развития и пре­вышают среднюю высоту волн в два-три раза. Такие вол­ны особенно опасны.

Наложение одной волновой системы на другую наибо­лее интенсивно происходит при изменении направления ветра, частом чередовании штормовых ветров и перед фронтом тропических циклонов(4).

Энергия волн развитого волнения исключительно вели­ка. Для корабля, лежащего в дрейфе, динамическое воз­действие волн может быть определено из выражения р=0,1 τ² где τ — истинный период волны, с.

Так, для периодов волн около 6—10 с величина Р мо­жет достигать внушительных значений (3,6—10 т/м²).

При движении корабля курсом против волны динами­ческое воздействие волн будет возрастать пропорциональ­но квадрату скорости корабля, выраженной в метрах в се­кунду.

Длина волны в метрах, скорость в метрах в секунду и период в секундах связаны между собой следующими соотношениями:

Практически движущийся корабль встречает не истин­ный, а относительный (кажущийся) период волны τ', ко­торый определяется из выражения

где а — курсовой угол фронта гребня волны, измеренный по любому борту.

Плюс относится к случаю движения против волны, минус — по волне.

При изменении курса корабль располагается относи­тельно приведенной длины волны λ':

Характер качки корабля имеет сложную зависимость между элементами волн (h, λ, τ и С) и элементами ко­рабля (L, D, Т1,2 и δ ).

Безопасность корабля с точки зрения остойчивости определяется не только его конструкцией и распределе­нием грузов, но и курсом, а также скоростью. В условиях развитого волнения непрерывно меняется форма дейст­вующей ватерлинии. Соответственно изменяются форма погруженной части корпуса, плечи остойчивости формы и восстанавливающие моменты.

Пребывание корабля на подошве волны сопровожда­ется увеличением восстанавливающих моментов. Пребыва­ние корабля (особенно длительное) на гребне волны опасно и может привести к опрокидыванию. Наиболее опасна резонансная качка, при которой период собствен­ных колебаний корабля T1,2 равен видимому (наблюдае­мому) периоду волны ?' Характер бортовой резонансной качки показан на рис. 7.4. Как следует из рисунка, явление резонанса наблюдается при отношении 0,7 < T1 /τ' < 1,3

Особенно опасна резонансная качка при положении корабля лагом к волне.
При следовании корабля курсом против волны зна­чительно возрастают потери в скорости, происходят ого­ление оконечностей и резкие броски оборотов. Удары волн в днище носовой оконечности (явление «слемминга») могут привести к деформации корпуса и срыву от­дельных механизмов и устройств с фундаментов.

При следовании по волне корабль в меньшей степени подвержен ударам волн. Однако следование его по вол­не со скоростью, близкой к скорости волны VK = (0,6--1,4) С (корабль «оседлал» волну), приводит к резкой потере поперечной остойчивости в связи с изменением формы и площади действующей ватерлинии, а это ведет к возникновению гироскопического момента, действую­щего в плоскости ватерлинии и значительно ухудшаю­щего управляемость корабля.

Рис. 7.4. Резонансная качка

Наиболее опасно плавание малого корабля на попутном волнении, когда λ=L ко­рабля, а VK=C.

Универсальная диаграмма качки Ю.В. Ремеза

Универсальная диаграмма качки определяет зависи­мость наблюдаемых элементов волн от изменения элемен­тов движения корабля.

Диаграмма рассчитана по формуле

где V — скорость корабля, уз.

Диаграмма определяет зависимость между X и V sin a при различных значениях т'. Она построена относительно преобладающей системы волн, которая может быть выде­лена на любом волнении и оказывает наиболее сущест­венное влияние на качку корабля (§ 23.4). Уни­версальная диаграмма может быть использована только в районах с достаточно большими глубинами (более 0,4Х волны).

Применение универсальной диаграммы качки позво­ляет решить следующие основные задачи:
— определить курс и скорость, при которых корабль может попасть в положение резонансной качки (килевой и бортовой);

— определить длину волны в районе плавания;

— определить сектора курсов и диапазоны скоростей, при которых корабль будет испытывать сильную качку, близкую к резонансной;

— определить курсы и скорости, при которых корабль будет находиться в состоянии наиболее опасной пони­женной поперечной остойчивости;

— определить курсы и скорости, при которых ко­рабль будет испытывать явление «слеминга».

(1) Дальнейшее усиление ветра сопровождается ветровым волне­нием, снижающим скорость корабля.
(2) Координаты истинного ветра связаны с землей, а кажуще­гося с кораблем.
(3) Практически движение частиц воды ветрового волнения про­исходит по орбитам, близким по форме к окружности или эллипсу, Перемещается лишь профиль волны.
(4) Характер волнообразования и его связь с элементами ветра подробно рассматриваются в курсе океанографии.