Гидродинамика судна

Взаимодействие водной поверхности с судном не сводится к очевидной функции опоры, позволяющей судну находится в заданном равновесном положении. Эта функция обеспечивается действием стационарной архимедовой силы, возникающей при погружении судна в воду. Кроме того, на судно действуют динамические силы, обусловленные движением его относительно воды. Эти силы условно можно разделить на силы сопротивления корпуса и гидродинамические силы плавниковых элементов. Наконец, на корпус действуют силы волн, распространяющихся по поверхности воды. Все эти силы являются существенными для движения судна, и они рассмотрены ниже.

Гидростатика судна

3.2.1.1. Плавучесть судна

При отсутствии воздействий ветра и волн судно держится на поверхности воды в результате уравновешивания двух сил: силы веса судна и архимедовой силы плавучести. Точкой приложения силы веса может считаться центр массы судна с учетом экипажа и оборудования. Взаимно уравновешивающиеся силы должны быть равны и действовать вдоль одной прямой, соединяющей их точки приложения, Поэтому помещенное на поверхность воды судно погружается ровно настолько, чтобы сумма давлений воды на погруженные части равнялись весу судна, и принимает такое положение, что геометрический центр погруженного объема (центр водоизмещения) находится прямо под центром его массы.

При перераспределении масс в корпусе судна, его положение в воде изменяется строго таким образом, чтобы центр водоизмещения находился под центром масс.

Правильно сконструированное судно должно иметь корпус, который при всех возможных изменениях загрузки обеспечивал бы уравновешивание силы тяжести архимедовой силой плавучести. Это свойство судна называется плавучестью и является первым требованием к конструкции судна. В реальных условиях оказывается недостаточным обеспечить минимальную плавучесть судна; для преодоления ветровых и волновых воздействий, аварийных ситуаций, плавучесть корпуса задается с большим запасом. При этом, чем тяжелее условия, на которые рассчитано судно, тем большим должен быть запас плавучести, который зависит от высоты надводного борта.

Поскольку вес судна равен весу вытесненной корпусом воды, в судостроении принято весовые характеристики судна выражать в терминах водоизмещения, которое характеризуют либо в весовых единицах (тоннах, килограммах), либо в объемных единицах (кубометрах). В туристской практике весовые характеристики своего судна устанавливаются туристами не по геометрическому расчету погруженной части корпуса, а непосредственно путем взвешивания упаковок с деталями судна на весах. Следует обратить внимание на понятие «полное водоизмещение корпуса». Эта величина равна максимальному объему воды, который может быть вытеснен корпусом без затопления, он является важным показателем мореходности судна, характеризуя его запас плавучести. Полное водоизмещение туристского парусного судна должно не менее чем втрое превосходить расчетное (полезное) водоизмещение, т.е. допустимый суммарный вес судна, экипажа и груза.

3.2.1.2. Остойчивость судна

Действие ветровых и волновых сил выводит судно из равновесного положения, определяемого архимедовой силой. В результате судно приобретает наклон в поперечном и продольном направлении. Продольный наклон называется дифферентом, поперечный – креном.

Способность судна противостоять этим силам при умеренном отклонении от равновесного положения, а также способность возвращаться в исходное положение при снятии отклоняющих сил называется остойчивостью судна.

Остойчивость является важной характеристикой судна, не только определяющей его безопасность, но и очень сильно влияющей на такое качество как быстроходность. Явление крена и дифферента неразрывно связаны с самим принципом движения под парусами. Дело в том, что аэродинамические силы ветра, способствующие движению судна, возникают на парусах, а препятствующая движению реакция опоры приложена к корпусу. Эти две силы численно равны, но различие точек приложения приводит к возникновению вращающего момента, который должен быть компенсирован другой парой сил, вращающих судно в противоположную сторону. Такие силы и возникают при отклонении судна от расчетного положения свободного плавания. При этом архимедова выталкивающая сила смещается с вертикали, проходящей через центр масс судна, и совместно с силой веса образует момент сил, препятствующий дальнейшему повороту. Степень отклонения судна от положения на ровном киле определяется достижением равенства отклоняющего и восстанавливающего момента сил:

F_R H = P l

где - F_R - результирующая аэродинамическая сила

H - высота точки приложения силы над точкой приложения гидродинамических сил (примерно равна высоте над уровнем воды)

P - вес судна с экипажем и оборудованием (водоизмещение)

l - смещение центра водоизмещения относительно центра масс.

В парусной практике наибольшие заботы вызывает обычно поперечная остойчивость, т.е. способность судна противостоять крену. Действительно, боковая составляющая аэродинамических сил (сила дрейфа) бывает подчас значительно больше продольной составляющей (силы тяги), а размеры корпуса в поперечном направлении (ширина) значительно меньше, чем в продольном. Поэтому перемещение центра погруженного объема корпуса (l ) при крене сравнительно не велико и не может обеспечить большого откренивающего момента сил. Это особенно существенно для однокорпусных судов. Поэтому на туристских швертботах и байдарках противодействие накренивающему моменту парусов осуществляется не только за счет пассивной работы корпуса судна, но и путем активного перемещения экипажа, который, смещаясь на наветренную сторону, добавляет к восстанавливающему моменту весьма существенную долю, обычно превышающую восстанавливающий момент самого корпуса (рис. 3.23).

Рис. 3.23.

Ограниченная поперечная остойчивость однокорпусных судов не позволяет применять необходимую для движения парусность и сказывается как ограничение их быстроходности. Поэтому в настоящее время туристы-парусники практически не используют байдарки в чистом виде. Путем несложного дооборудования байдарка превращается в тримаран, у которого вынесенные за борт поплавки обеспечивают значительное увеличение остойчивости. Для того чтобы компенсировать недостаток остойчивости корпуса, достаточно оборудовать байдарку поплавками емкостью 20 л, вынесенными на 1 м от борта, т.е. на 1,5 м от ДП. При полном погружении такой поплавок обеспечивает 30 кгм восстанавливающего момента.

Еще больше возможности обеспечения откренивающего момента представляет катамаранная схема судна Корпус катамарана развивает максимальную откренивающую силу в момент отрыва наветренного поплавка от воды. При этом вся выталкивающая архимедова сила смещается на подветренный поплавок, что при характерной ширине судна 2 м дает откренивающий момент корпуса около 100 кгм. Кроме того, экипаж имеет возможность сместиться на наветренный борт в гораздо большей мере, чем на судах другого типа. Смещение одного члена экипажа весом 80 кг на наветренный поплавок обеспечит 160 кгм откренивающего момента. Максимальный откренивающий момент такого катамарана с одним рулевым на борту (260 кгм) втрое больше, чем у швертбота. При площади парусности 7 кв. м. это позволяет выдержать шторм до 9 баллов (20 м/сек).

При таком ветре достигаются пределы прочности конструкции разборного судна, а опасность опрокидывания связана в большей степени не с поперечной, а продольной остойчивостью.

Продольная остойчивость однокорпусных парусных судов обычно превышает поперечную в силу того, что большая длина судна позволяет в широких пределах перемещать точку приложения архимедовой силы и веса экипажа. Однако, поперечная остойчивость катамаранов настолько велика, что позволяет выдерживать такие ветровые нагрузки, когда возникает опасность потери прежде всего продольной остойчивости судна на полных курсах. Эта опасность для многокорпусных судов усугубляется тем, что их корпуса обычно имеют заостренную форму носовой части, обладающую малым запасом плавучести. Дифферент таких корпусов на нос приводит к зарыванию в волну и возникновению дополнительной гидродинамической силы, тормозящей нос и способствующей опрокидыванию судна через нос. Открытый корпус каркасного судна (байдарки), в такой ситуации, заливается, и судно теряет плавучесть.

Сохранению поперечной остойчивости помогает то обстоятельство, что опасный крен возникает в результате действия большой аэродинамической силы дрейфа на острых курсах, которую легко уменьшить путем потравливания шкотов или изменения курса. В противоположность этому максимальная дифферентующая сила – сила тяги развивается на курсе фордевинд, когда паруса трудно поддаются обезветриванию. Поэтому при конструировании многокорпусных судов с большой площадью парусности следует внимательно отнестись к обеспечению именно продольной остойчивости.

Повышению продольной остойчивости способствуют следующие конструктивные особенности:

• большая длина корпуса (поплавков), позволяющая центру водоизмещения смещаться далеко вперед;
• достаточный объем носовой части поплавков, позволяющий большей части водоизмещения сосредотачиваться у носовой оконечности и не допускающий зарывание поплавков в воду;
• запалубленность (трамплин, доходящий до кормовых оконечностей поплавков, что позволяет смещать команду далеко в корму);
• снижение высоты парусности.

Следует отметить, что смещение мачты по палубе судна без снижения ее высоты никак не сказывается на остойчивости, поскольку опрокидывающий момент определяется только величиной и плечом приложения аэродинамических сил. Плечо горизонтальной силы, возникающей на парусе, равно высоте над поверхностью воды и не изменяется при смещении места установки мачты.