Движение судна под влиянием переложенного руля.

Траектория движения судна, с переложенным рулем называется циркуляцией.

За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными. Процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период - маневренный, продолжается в течение времени перекладки руля.

Второй период - эволюционный, начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения.

Третий период - установившийся, начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в пе­реложенном положении.

Переложенный на угол руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу - боковую силу руля Р_У.

Для получения наглядного представления о воздействии силы на корпус судна приложим в его ЦТ две силы, равные по модулю силе Р_У и направленные в противоположные стороны, как это показано на рис. Эти две силы взаимно компенсируются, т. е, не оказывают влияния на корпус судна, но их совместное рассмотрение с боковой силон руля Р_У позволяет понять, что корпус судна одновременно ис­пытывает поперечную силу Р_У, приложенную в центре тяжести G, и момент боковой силы руля М_Р относительно вертикальной оси Z, про­ходящей через ЦТ.

В первый период после начала циркуляции под влиянием попереч­ной силы Ру ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внеш­нюю сторону циркуляции — обратное смещение. Возникает угол дрей­фа α, а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе Rу, направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения в соответствии со свойствами крыла смешена в нос от ЦБС, положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы Ry—M_R в этом первоначальном периоде циркуля­ции имеет тот же знак, что и момент руля Мр, поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

В дальнейшем под влиянием поперечной силы Ry траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т. е. радиус циркуляции, который в начале стремился к бесконечности, на­чинает уменьшаться.

Рисунок 1.5. Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начале циркуляции.

Рисунок 1.6. Движение судна под влиянием переложенного руля.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом Rg каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию, радиус кривизны которой отличает­ся от Rg (1.6 рис). При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются.

Если из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП).

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов распо­лагается вблизи носовой оконечности на расстоянии примерно 0,4 дли­ны судна от ЦТ, принимаемого на мидель-шпангоуте.

Угол дрейфа ЦТ судна на циркуляции:

где — расстояние ПП от центра тяжести.

Для произвольной по длине судна точки α угол дрейфа:

где — расстояние точки α от ЦТ (в нос знак (+), в корму (-)).

На небольшом участке корпуса от ПП до носового перпендикуля­ра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, по­этому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противоположный уг­лам дрейфа на участке от ПП до кормового перпендикуляра, на кото­ром поток воды набегает со стороны внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ судна

На судах, имеющих крутую цир­куляцию, угол дрейфа может дости­гать 20° и более.

Рис. 1.7.

Как уже отмечалось, поперечная сила пропорциональна уг­лу атаки, а так как углы дрейфа воз­растают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения попереч­ной гидродинамической силы Rу, т. е. равнодействующей элементарных по­перечных сил, распределенных по кор­пусу, по мере искривления траектории смещается в сторону кормы, а момент силы М_R, постепенно уменьшаясь, в конце концов меняет знак н начинает действовать противоположно моменту руля М_р, т. е. становится демпфирую­щим.

Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты Мр и Мв становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стре­мится к установившемуся значению .

При движении по криволинейной траектории возникает центро­бежная сила Рц, приложенная к ЦТ судна и направленная по радиу­су циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную Рux и поперечную Рuу составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила Р_Х) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к не­которому установившемуся значению V_уст.

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем, на крупнотоннажных морских судах во время циркуляции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизи­тельно на 1/3. а при повороте на 180° — вдвое.

При небольших углах перекладки руля снижение скорости на цир­куляции невелико.

Наиболее типичная траектория судна на циркуляции с рулем, пе­реложенным на борт, показана на рис. 1.7.

Геометрически траектория характеризуется следующими элемен­тами циркуляции:

выдвиг l₁-расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направ­лении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точ­ки, соответствующей изменению курса на 90°;

прямое смещение l₂ — расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90°;

обратное смещение l₃ — максимальное смещение ЦТ судна от ли­нии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворо­та, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы ру­ля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превы­шает ширину судна, а на некоторых судах не наблюдается вовсе);

тактический диаметр циркуляции D_т - расстояние между поло­жениями ДП судна до качала поворота и в момент изменения курса на 180°;

диаметр установившейся циркуляции D_уст - расстояние между по­ложениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающих­ся на 180° при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180° от начального курса движение приобретает установившийся характер, а траектория принимает форму, близкую к окружности.

Поскольку при выполнении практических маневров обычно не приходится изменять курс более чем на 180°, можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении, т. е. в манев­ренном и эволюционном периодах.