 |
1.8. Управляемость Управляемостью называется качество судна, позволяющее ему следовать по заданному курсу или изменять направление движения. Управляемой может считаться только та яхта, которая реагирует нужным образом на перекладку руля. Управляемость объединяет два свойства судна—устойчивость на курсе и поворотливость. Устойчивость на курсе — это способность яхты удерживать заданное прямолинейное направление движения при действии на нее различных внешних сил: ветра, волнения и т. п. Устойчивость на курсе зависит не только от конструктивных особенностей яхты и характера действия внешних сил, но и от реакции рулевого на отклонение судна от курса, его чутья руля. Обратимся вновь к схеме действия внешних сил на паруса и корпус яхты (см. рис. 4). Решающее значение для устойчивости яхты на курсе имеет взаимное расположение двух пар сил. Кренящая сила Fд и сила сопротивления дрейфу Rд стремятся увалить нос яхты под ветер, в то время как вторая пара—сила тяги Т и сопротивление движению R приводит яхту к ветру. Очевидно, что реакция яхты зависит от соотношения величины рассматриваемых сил и плеч а и Ь, на которых они действуют. При увеличении угла крена плечо приводящей пары Ь также увеличивается. Плечо уваливающей пары а зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП)— точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам и центра бокового сопротивления (ЦБС)—точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты. Положение этих точек изменяется в зависимости от многих факторов: курса яхты относительно ветра, формы и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п. Поэтому при проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которыми являются паруса, поставленные в диаметральной плоскости яхты, и подводные очертания ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 12).
Известно, что центр тяжести треугольного паруса располагается на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов находится на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Обычно в расчет принимается не фактическая площадь стакселя, а обмерная площадь переднего парусного треугольника. Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки профиль подводной части ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон располагается строго горизонтально, игла находится в условной точке ЦБС. Напомним, что в создании силы сопротивления дрейфу главная роль принадлежит плавниковому килю и рулю. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно, например для профилей с относительной толщиной t/Ь около 8% эта точка находится на расстоянии около 26% хорды от входящей кромки. Однако корпус яхты, хотя и участвует в создании поперечной силы в малой степени, вносит определенные изменения в характер обтекания киля и руля, причем он изменяется в зависимости от угла крена и дифферента, а также скорости яхты. В большинстве случаев на курсе бейдевинд истинный ЦБС перемещается вперед. Конструкторы, как правило, располагают ЦП на некотором расстоянии (опережении) впереди ЦБС. Обычно опережение задается в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для бермудского шлюпа 15—18% Lквл. Если истинный ЦП оказывается расположенным слишком далеко впереди ЦБС, яхта на курсе бейдевинд уваливается под ветер и рулевому приходится постоянно держать руль отклоненным на ветер. Если же ЦП оказывается позади ЦБС, то яхта стремится привестись к ветру; требуется постоянная работа рулем, чтобы сдерживать судно. Особенно неприятна тенденция яхты к уваливанию. В случае аварии с рулем яхту не удается с помощью одних парусов привести на курс бейдевинд, кроме того, она обладает повышенным дрейфом. Дело в том, что киль яхты отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, он работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если отклонить руль в наветренную сторону, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону—туда же, что и сила дрейфа на парусах. В данном случае киль и руль «тянут» в разные стороны и яхта неустойчива на курсе. Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на небольшой угол (3—4°) под ветер руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила, возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме, одновременно уменьшается угол дрейфа, яхта устойчиво лежит на курсе. Однако если на курсе бейдевинд руль приходится постоянно перекладывать под ветер на большую величину, чем 3—4°, следует подумать о корректировке относительного положения ЦБС и ЦП. На уже построенной яхте это проще делать, перемещая вперед ЦП,—устанавливая мачту в степсе в крайнее носовое положение или наклоняя ее вперед. Причиной приведения яхты может быть также грот — слишком «пузатый» или с перебранной задней шкаториной. В этом случае полезен промежуточный штаг, с помощью которого можно придать мачте в средней части .(по высоте) прогиб вперед и тем самым сделать парус более плоским, а также ослабить заднюю шкаторину. Можно также укоротить длину нижней шкаторины грота. Сложнее сместить в корму ЦБС, для чего нужно установить кормовой плавничок перед рулем или увеличить площадь пера руля. Мы уже говорили, что при увеличении крена увеличивается и тенденция яхты приводиться. Это происходит не только вследствие увеличения плеча приводящей пары сил — Т и R. При крене гидродинамическое давление в районе носовой волны повышается, что приводит к смещению ЦБС вперед. Поэтому в свежий ветер для уменьшения тенденции яхты приводиться следует переместить вперед и ЦП: взять риф на гроте или немного перетравить его для данного курса. Полезно также сменить стаксель на меньший по площади, благодаря чему уменьшается крен и дифферент яхты на нос. Опытный конструктор при выборе величины опережения а обычно учитывает остойчивость яхты, чтобы компенсировать рост приводящего момента при крене: для яхты с меньшей остойчивостью задается большая величина опережения, для более остойчивых судов опережение принимается минимальным. Хорошо уцентрованные яхты часто обладают повышенной рыскливостью на курсе бакштаг, когда потравленный на борт грот стремится развернуть яхту носом к ветру. Этому помогает и высокая волна, набегающая с кормы под углом к ДП. Чтобы одерживать яхту на курсе, приходится сильно работать рулем, отклоняя его на критический угол, когда возможен срыв потока с его подветренной поверхности (обычно это случается при углах атаки а 15—20°). Это явление сопровождается потерей подъемной силы на руле и, следовательно, управляемости яхты. Яхта внезапно может резко броситься к ветру и получить большой крен, при этом из-за уменьшения углубления пера руля на сторону разрежения может прорваться воздух с поверхности воды. Борьба с этим явлением, получившим название брочинг, заставляет увеличивать площадь пера руля и его удлинение, устанавливать перед рулем плавник, площадь которого составляет около четверти площади пера. Благодаря наличию плавника перед рулем организуется направленный поток воды, увеличиваются критические углы атаки руля, предотвращается прорыв воздуха к нему и уменьшается усилие на румпеле. При плавании в бакштаг экипаж должен стремиться к тому, чтобы тяга спинакера была направлена по возможности вперед, а не вбок, чтобы избежать излишнего крена. Важно также препятствовать появлению дифферента на нос, при котором может уменьшиться углубление руля. Брочингу способствует также бортовая качка яхты, появляющаяся вследствие срывов потока воздуха со спинакера. Устойчивость на курсе помимо рассмотренного влияния внешних сил и взаимного расположения их точек приложения определяется конфигурацией подводной части ДП. Ранее для дальних плаваний по открытой воде отдавали предпочтение яхтам с длинной килевой линией, как обладающим большим сопротивлением повороту и соответственно — устойчивостью на курсе. Однако этому типу судов свойственны существенные недостатки, например большая смоченная поверхность и плохая поворотливость. К тому же выяснилось, что устойчивость на курсе зависит не столько от величины боковой проекции ДП, сколько от положения руля относительно ЦБС, т. е. от «рычага», на котором действует руль. Отмечено, что если это расстояние оказывается менее 25% Lквл, то яхта становится рыскливой и плохо реагирует на отклонение руля. При l=40—45% Lквл (см. рис. 12) удержание судна на заданном курсе не составляет труда. Поворотливость — способность судна изменять направление движения и описывать траекторию под действием руля и парусов. Действие руля основано на том же принципе гидродинамического крыла, что рассматривался и для яхтенного киля. При перекладке руля на некоторый угол возникает гидродинамическая сила R, одна из составляющих которой N толкает корму яхты в сторону, противоположную той, в которую положен руль (рис. 13). Под ее действием судно начинает двигаться по кривой траектории. Одновременно сила R дает составляющую Q — силу сопротивления, тормозящую ход яхты.
Если закрепить руль в одном положении, то судно пойдет примерно по окружности, называемой циркуляцией. Диаметр или радиус циркуляции является мерой поворотливости судна: чем больше радиус циркуляции, тем хуже поворотливость. По циркуляции движется только центр тяжести яхты, корму выносит наружу. Одновременно судно получает дрейф, вызванный центробежной силой и отчасти силой N на пере руля. Радиус циркуляции зависит от скорости и массы яхты, ее момента инерции относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ, от эффективности руля — величины силы N и ее плеча относительно ЦТ при данном отклонении руля. Чем больше скорость и водоизмещение яхты, чем больше тяжелых масс (двигатель, якоря, детали оборудования) размещено в оконечностях судна, тем больше радиус циркуляции. Обычно радиус циркуляции, определенный на ходовых испытаниях яхты, выражают в длинах корпуса. Поворотливость тем лучше, чем короче подводная часть судна и чем ближе к миделю сконцентрирована ее основная площадь. Плохой поворотливостью обладают, например, суда с длинной килевой линией (типа военно-морских шлюпок) и, наоборот, хорошей — швертботы с узкими глубокими швертами. Эффективность руля зависит от площади и формы пера, профиля поперечного сечения, аэродинамического удлинения, типа установки (на ахтерштевне, отдельно от киля или на плавнике), а также расстояния баллера от ЦБС. Наибольшее распространение получили рули, спроектированные в виде крыла с аэродинамическим профилем поперечного сечения. Максимальной толщина профиля принимается обычно в пределах 10—12% хорды и располагается на 1/3 хорды от передней кромки. Площадь руля составляет обычно 9,5—11% площади погруженной части ДП яхты. Руль с большим удлинением (отношение квадрата глубины погружения руля к его площади) развивает большую поперечную силу на малых углах атаки, благодаря чему он эффективно участвует в обеспечении боковой силы сопротивления дрейфу. Однако, как было показано на рис. 11, на определенных углах атаки профилей различного удлинения происходит отрыв потока от поверхности разрежения, после чего подъемная сила на профиле существенно падает. Например, при l = 6 критический угол перекладки руля составляет 15°; при l=2—30°. В качестве компромисса применяют рули с удлинением l = 4—5 (соотношение сторон прямоугольного руля 2—2,5), а для повышения критического угла перекладки устанавливают перед рулем плавник-скег. Руль с большим удлинением быстрее реагирует на перекладку, так как циркуляция потока, обусловливающая подъемную силу, быстрее развивается вокруг профиля с малой хордой, чем вокруг всей подводной части корпуса с навесным на ахтерштевне рулем. Верхняя кромка руля должна плотно прилегать к корпусу в пределах рабочих отклонений ±30°, чтобы препятствовать перетеканию воды через нее; в противном случае эффективность работы руля ухудшается. Иногда на пере руля, если он навешен на транце, закрепляют аэродинамическую шайбу в виде широкой пластины близ ватерлинии. Сказанное о форме килей применимо и к рулям: оптимальной считается трапециевидная форма с прямоугольной либо слегка скругленной нижней кромкой. Для уменьшения усилий на румпеле руль иногда делают балансирного типа—с осью вращения, расположенной на 1/4—1/5 хорды от «носика» профиля. При управлении яхтой необходимо учитывать специфику работы руля в различных условиях, и прежде всего срыв потока с его спинки. Нельзя делать резких перекладок руля на борт в начале поворота—произойдет срыв потока, поперечная сила N на руле упадет, зато быстро увеличится сила сопротивления R. Яхта будет входить в циркуляцию медленно и с большой потерей скорости. Начинать поворот необходимо, переложив руль на небольшой угол, но как только корма покатится наружу и угол атаки руля , начнет уменьшаться, его следует переложить на больший угол относительно ДП яхты. Следует помнить, что поперечная сила на руле быстро возрастает с увеличением скорости яхты. В слабый ветер бесполезно пытаться повернуть яхту быстро, перекладывая руль на , большой угол (кстати, величина критического угла зависит от скорости: на меньшей скорости отрыв потока происходит при меньших углах атаки). Сопротивление руля при изменении курса яхты в зависимости от его формы, конструкции и расположения составляет от 10 до 40% общего сопротивления яхты. Поэтому к технике , управления рулем (и к центровке яхты, от которой зависит устойчивость , на курсе) надо относиться весьма серьезно, не допускать отклонения руля на больший угол, чем это необходимо. Ходкостью называют способность яхты развивать определенную скорость при эффективном использовании энергии ветра. Скорость, которую может развить яхта, зависит прежде всего от скорости ветра, поскольку все аэродинамические силы, действующие на паруса. в том числе и сила тяги, возрастают пропорционально квадрату скорости вымпельного ветра. Кроме того, она зависит и от энерговооруженности судна—отношения площади парусности к его размерениям. В качестве характеристики энерговооруженности чаще всего применяют отношение S'1/2/V1/3 (где S—площадь парусности, м2; V—полное водоизмещение, м3) или S/W (здесь W — смоченная поверхность корпуса, включая киль и руль). Сила тяги, а следовательно, и скорость яхты, определяется еще и способностью парусного вооружения развивать достаточную тягу на различных курсах по отношению к направлению ветра. Перечисленные факторы относятся к парусам—движителю яхты, преобразующему энергию ветра в движущую силу Т. Как было показано на рис. 4, эта сила при равномерном движении яхты должна быть равна и противоположно направлена силе сопротивления движению R. Последняя представляет собой проекцию результирующих всех гидродинамических сил, действующих на смоченную поверхность корпуса, на направление движения. Различают два рода гидродинамических сил: силы давления, направленные перпендикулярно поверхности корпуса, и силы вязкости, действующие по касательной к этой поверхности. Результирующая сил вязкости дает силу сопротивления трения. Силы давления обусловлены образованием при движении яхты волн на поверхности воды, поэтому их результирующая дает силу волнового сопротивления. При большой кривизне поверхности корпуса в кормовой части пограничный слой может отрываться от обшивки, могут образовываться завихрения, поглощающие часть энергии движущей силы. Так возникает еще одна составляющая сопротивления движению яхты — сопротивление формы. Еще два вида сопротивления появляются в связи с тем, что яхта движется не прямо вдоль ДП, а с некоторым углом дрейфа и с креном. Это индуктивное и креновое сопротивления. Существенную долю в индуктивном сопротивлении занимает сопротивление выступающих частей — киля и руля. Наконец, движению яхты вперед оказывает сопротивление и воздух, омывающий корпус, экипаж, развитию систему тросов такелажа и паруса. Эта часть сопротивления носит название воздушного. Сопротивление трения. При движении яхты частицы воды, непосредственно примыкающие к обшивке корпуса, как бы прилипают к ней и увлекаются вместе с судном. Скорость этих частиц относительно корпуса равна нулю (рис. 14). Следующий слой частиц, скользя по первому, уже немного отстает от соответствующих точек корпуса, а на определенном расстоянии от обшивки вода вообще остается неподвижной или имеет скорость относительно корпуса, равную скорости яхты v. Этот слой воды, в котором действуют силы вязкости, а скорость движения частиц воды относительно корпуса возрастает от 0 до скорости судна, называется пограничным слоем. Толщина его относительно невелика и составляет от 1 до 2% длины корпуса по ватерлинии, однако характер или режим движения частиц воды в нем оказывает существенное влияние на величину сопротивления трения.
Установлено, что режим движения часгиц изменяется в зависимости от скорости судна и длины его смоченной поверхности. В гидродинамике эта зависимость выражается числом Рейнольдса:
где
При относительно небольшом числе Rе=106 частицы воды в пограничном слое движутся слоями, образуя ламинарный поток. Его энергии оказывается недостаточно, чтобы преодолеть силы вязкости, препятствующие поперечным перемещениям частиц. Наибольший перепад скорости между слоями частиц оказывается непосредственно у поверхности корпуса; соответственно и силы трения имеют здесь наибольшую величину. Число Рейнольдса в пограничном слое увеличивается по мере удаления частиц воды от форштевня (с возрастанием смоченной длины). При скорости 2 м/с, например, уже на расстоянии около 2 м от него Re достигнет критической величины, при которой режим потока в пограничном слое становится вихревым, т. е. турбулентным и направленным поперек пограничного слоя. Вследствие возникшего обмена кинетической энергией между слоями скорость частиц близ поверхности корпуса растет в большей степени, чем при ламинарном потоке. Перепад скоростей Dv здесь возрастает, соответственно растет и сопротивление трения. Вследствие поперечных движений частиц воды толщина пограничного слоя увеличивается, а сопротивление трения резко увеличивается. Ламинарный режим обтекания охватывает только небольшую часть корпуса яхты в носовой его части и только на малых скоростях. Критическая величина Re, при которой возникает турбулентное обтекание корпуса, лежит в пределах 5-105—6-106 и в значительной степени зависит от формы и гладкости поверхности его. При повышении скорости точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный перемещается в сторону носа и при достаточно высокой скорости может наступить момент, когда вся смоченная поверхность корпуса будет охвачена турбулентным потоком. Правда, непосредственно около обшивки, где скорость обтекания близка к нулю, все же сохраняется тончайшая пленка с ламинарным режимом—ламинарный подслой. Сопротивление трения рассчитывают по формуле:
где
Коэффициент сопротивления трения—величина переменная, зависящая от характера потока в пограничном слое, длины корпуса Lквл скорости v и шероховатости поверхности корпуса.
На рис. 15 показана зависимость коэффициента сопротивления трения zтр от числа Re и шероховатости поверхности корпуса. Рост сопротивления шероховатой поверхности по сравнению с гладкой нетрудно объяснить наличием в турбулентном пограничном слое ламинарного подслоя. Если бугорки на поверхности полностью погружены в ламинарный подслой, то они не вносят существенных изменений в характер ламинарного течения подслоя. Если же неровности превышают толщину подслоя и выступают над ним, то происходит турбулизация движения частиц воды по всей толщине пограничного слоя, и коэффициент трения соответственно возрастает. Рис. 15 позволяет оценить важность отделки днища яхты для снижения ее сопротивления трения. Например, если яхта длиной 7,5 м по ватерлинии идет со скоростью v = 6 узл. (3,1 м/с), то соответствующее число
Допустим, что днище яхты имеет шероховатость (среднюю высоту неровностей) k == 0,2 мм, что соответствует относительной шероховатости L/k = 7500/0,2 = 3,75 • 104. Для данной шероховатости и числа R е коэффициент трения равен zтр= 0,0038 (точка Г ). Оценим, можно ли получить в данном случае поверхность днища, близкую к технически гладкой. При R е = 2-107 такой поверхности соответствует относительная шероховатость L/k=3•105 или абсолютная шероховатость k =7500/3•105= 0,025 мм. Опыт показывает, что этого можно добиться, тщательно отшлифовав днище мелкой шкуркой, а затем отлакировав его. Оправдаются ли затраченные усилия? График показывает, что коэффициент сопротивления трения снизится до zтр=0,0028 (точка Д), или на 30%, чем, конечно, не может пренебрегать экипаж, рассчитывающий на успех в гонках. Линия Б позволяет оценить допустимую шероховатость днища для яхт различных размеров и различной скорости. Можно заметить, что с увеличением длины по ватерлинии и скорости требования к качеству поверхности возрастают. Для ориентировки приведем значения шероховатости (в мм) для различных поверхностей:
Мы уже говорили, что на части длины яхты, начиная от форштевня, может сохраняться ламинарный пограничный слой, если только излишняя шероховатость не будет способствовать турбулизации потока. Поэтому особенно важно тщательно обрабатывать носовую часть корпуса, все входящие кромки киля, плавников и рулей. При малых поперечных размерах — хордах следует шлифовать всю поверхность киля и руля. В кормовой части корпуса, где толщина пограничного слоя увеличивается, требования к отделке поверхности могут быть несколько снижены. Особенно сильно отражается на сопротивлении трения обрастание днища водорослями и ракушками. Если периодически не очищать днище яхт, постоянно находящихся в воде, то через два-три месяца сопротивление трения может увеличиться на 50—80%, что равносильно потере скорости в средний ветер на 15—25%. Сопротивление формы. Даже у хорошо обтекаемого корпуса на ходу можно обнаружить кильватерный след—струю, в которой вода совершает вихревые движения. Это следствие отрыва от корпуса пограничного слоя в определенной точке (Б на рис. 14). Положение точки зависит от характера изменения кривизны поверхности по длине корпуса. Чем плавнее обводы кормовой оконечности, тем дальше к корме происходит отрыв пограничного слоя и меньше вихреобразование. При нормальных соотношениях длины корпуса к ширине сопротивление формы невелико. Увеличение его может быть обусловлено наличием острых скул, сломов обводов корпуса, неправильно спрофилированных килей, рулей и других выступающих частей. Сопротивление формы увеличивается, с уменьшением протяженности зоны, ламинарного пограничного слоя, по-1 этому следует снять наплывы краски, уменьшить шероховатость, заделать выемки в обшивке, поставить обтекатели на выступающие патрубки и т. п. Волновое сопротивление. Возникновение волн у корпуса судна при его движении вызвано действием сил тяжести жидкости на границе раздела воды и воздуха. В носовой оконечности, в месте встречи корпуса с водой, давление резко повышается и вода поднимается на некоторую высоту. Ближе к миделю, где вследствие расширения корпуса судна скорость обтекающего потока увеличивается, давление в нем, согласно закону Бернулли, падает и уровень воды понижается. В кормовой части, где давление вновь повышается, образуется вторая вершина волны. Частицы воды начинают совершать колебания вблизи корпуса, которые вызывают вторичные колебания поверхности воды.
Возникает сложная система носовых и кормовых волн, которая по своему характеру одинакова для судов любых размеров (рис. 16). На малой скорости хорошо заметны расходящиеся волны, зарождающиеся в носу и корме судна. Их гребни расположены под углом 36—40° к диаметральной плоскости. На более высоких скоростях выделяются поперечные волны, гребни которых не выходят за пределы сект/эра, ограниченного углом 18—20° к ДП судна. Носовая и кормовая системы поперечных волн взаимодействуют друг с другом, следствием чего может быть как увеличение высоты суммарной волны за кормой судна, так и ее уменьшение. По мере удаления от судна энергия волн поглощается средой и они постепенно затухают. Величина волнового сопротивления изменяется в зависимости от скорости яхты. Из теории колебаний известно, что скорость распространения волн связана с их длиной l соотношением
где p = 3,14; v—скорость яхты, м/с; g = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести. Поскольку волновая система движется вместе с яхтой, то и скорость распространения волны равна скорости яхты. Таким образом, можно подсчитать длину поперечной волны для каждой скорости яхты:
Если речь идет, например, о яхте длиной по ватерлинии 8 м, то при скорости 4 уз на длине корпуса разместится около трех поперечных волн, при скорости 6 уз — полторы. Зависимость между длиной поперечной волны X, создаваемой корпусом длиной Lквл! движущимся со скоростью v, во многом определяет величину волнового сопротивления.
Для величины сопротивления важно, какая часть носовой поперечной волны подойдет к месту, где расположен гребень кормовой волны. Если на длине яхты по КВЛ уложится целое число полуволн, то в корме может оказаться либо вершина, либо подошва носовой поперечной волны. Произойдет соответственно неблагоприятная; (рис. 17, б) или благоприятная (рис. 17, а) интерференция волн. В первом случае высота суммарной волны возрастает и, поскольку энергия волн и величина волнового сопротивления пропорциональны квадрату их амплитуд, сопротивление яхты существенно возрастает. При благоприятном сложении подошвы носовой волны с вершиной кормовой суммарная высота волны снизится, сопротивление увеличится медленнее. Многочисленными исследованиями, проведенными на моделях в опытном бассейне и на натурных судах, установлено, что характер волнообразования всех судов, независимо от их размерений и абсолютной скорости, оказывается одинаков, если равны их относительные скорости или числа Фруда
Заметим, что в формулу относительной скорости входят длина судна по ватерлинии и те же символы, что и в формулу для определения длины волны в зависимости от ее скорости. Этим подчеркивается взаимосвязь гравитационного характера волнообразования и его зависимость от скорости и длины судна. На малых скоростях при Fr = 0,1— 0,2 волновое сопротивление яхты невелико. При Fr = 0,2 на длине корпуса укладывается примерно четыре невысокие носовые поперечные волны. По мере повышения скорости волновое сопротивление начинает быстро расти. При числах Fr, равных 0,25, 0,30 и 0,50, имеет место неблагоприятная интерференция поперечных волн, а относительная скорость Fr = 0,5—0,6 является порогом, превысить который обычная яхта водоизмещающего типа не может ни при каких обстоятельствах. На этой скорости яхта оказывается зажатой между двумя гребнями одной поперечной волны: сопротивление ее возрастает пропорционально шестой степени скорости. Как правило, тяги парусов, даже при форсировании ими в свежий ветер, оказывается недостаточно, чтобы получить хотя бы небольшой прирост скорости. Поэтому скорость, соответствующую числу Фруда около 0,5, считают предельной для водоизмещающих яхт. Ее можно вычислить, учитывая, что g — величина постоянная, по формуле*:
Таким образом, реальная скорость, которой могут достичь яхты отдельных типов, составляет около: класс «Солинг» — 7,5 уз; тип «Алькор»—9 уз; тип «Конрад-54»—11,2 уз; класс R12 — 12 уз. * При переводе скорости из метрических мер в узлы и наоборот следует учитывать, что 1 узел = 1,852 км/ч = 0,514 м/с. В ряде случаев в океанских гонках крейсерских яхт, однако, достигались более высокие скорости, которые могли развить в течение ограниченного времени суда облегченного типа. Это происходило, как правило, на попутных курсах и при крупной волне, при штормовых ветрах и форсировании парусами. В момент, когда под яхту подкатывался гребень очередной волны, смоченная поверхность корпуса резко уменьшалась и судно выходило на режим серфинга — скольжения вместе с гребнем ветровой волны. При этом на яхте длиной по КВЛ 19,8 м, например, была отмечена максимальная скорость 22 уз (V = 4,95 Lквл). Как видно на рис. 18, доля волнового сопротивления в общем балансе
сопротивления воды движению яхты возрастает с увеличением скорости яхты. На
предельных скоростях Оно достигает 60—65%, а при движении в слабый ветер на
создание волн затрачивается около 30% движущей силы парусов. Поэтому снижение
волнового сопротивления особенно важно для яхт, от которых ожидают хороших
результатов в свежий ветер. При разработке проекта таких яхт стараются облегчить
корпус и оборудование, чтобы значение относительной длины было в пределах
Большое влияние на волновое сопротивление оказывает и отношение Lквл /Bквл. Благодаря большому удлинению корпусов катамаранов (Lквл/Bквл = 10-20) и отсутствию на них тяжелых фальшкилей удастся существенно снизить их волновое сопротивление и достичь гораздо более высоких скоростей, чем 3 ЦLквл Например, катамаран типа «Центаурус» (Lквл = 10 м) при благоприятных условиях развивает скорость 18 уз (~5,8 ЦLквл). Дополнительное сопротивление на взволнованном море. Нередко яхтсмены обнаруживают, что после многих часов, затраченных на лавировку против волны, яхта выбирается на ветер считанные мили. И это после изматывающей килевой качки!
В данном случае приходится считаться с дополнительным сопротивлением движению яхты, которое появляется вследствие килевой качки судна. Особенно заметно падение скорости яхты, если период ее собственных продольных колебаний совпадает с периодом волны, т. е. при резонансе. В существовании же собственных колебаний можно убедиться, если, например, спрыгнуть с носа яхты на причал. Каждая яхта при этом ведет себя, по-разному: у одной качка порывистая и скоро затухает, у другой — плавная и продолжается долго. Установлено, что период собственных продольных колебаний яхты зависит от продольного момента инерции, т. е. от расположения масс по длине судна, от обводов корпуса, особенно в оконечностях, взаимного расположения центра тяжести площади ватерлинии и центра тяжести яхты. Если, например, ЦТ площади ватерлинии совпадает с ЦТ яхты, большие массы (якоря с цепями, двигатель цистерны топлива и пресной воды и т. п.) расположены далеко от миделя и обводы носа и кормы почти симметричны, яхта имеет достаточно большой период и амплитуду собственных колебаний, который может оказаться близким к периоду наиболее неблагоприятной волны (длиной от 0,8 до 1,5 длины яхты по КВЛ). При сильной килевой качке яхта приводит в движение большие массы воды, непосредственно соприкасающиеся с корпусом, таким образом поглощается часть энергии ветра, которая могла бы затрачиваться на продвижение судна вперед, а сопротивление воды повышается в 2— 2,5 раза (по сравнению с тихой волной). При проектировании яхт обычно предусматривается возможность уменьшения размахов оконечностей яхты и смягчения качки. Наиболее тяжелые массы (фальшкиль, мачту, двигатель, цистерны и т. п.) старался расположить вблизи центра тяжести судна. Обводы корпуса выше ватерлинии обычно выполняются несимметричными относительно миделя. По мере движения кормы вниз ширина ватерлинии у транца и погружающийся объем корпуса прогрессивно увеличиваются, препятствуя глубокому погружению кормы в воду и поглощая энергию качки. Хороший развал надводного борта в носу также способствует снижению ускорений носовой части яхты при движении ее вниз. Большое значение для уменьшения продольной качки имеет уменьшение массы рангоута и такелажа, поскольку момент инерции массы яхты складывается из произведения отдельных масс на квадраты отстояния их от ЦТ судна. Таким образом, влияние на продольную качку килограмма массы на топе мачты, отстоящей от ЦТ на 12 м, аналогично грузу 70 кг, расположенным на уровне палубы. Рис. 18 дает представление о доле добавочного сопротивления при ходе на волнении для крейсерско-гоночной яхты. При увеличении скорости эта составляющая общего сопротивления может возрасти до 15—25%, что равносильно потере скорости на 3—4%. Потеря существенно возрастает при резонансе, поэтому экипаж должен предпринять специальные меры для уменьшения амплитуды и изменения частоты колебаний. С этой целью можно изменить курс яхты по отношению к волне, если позволяют обстоятельства, или попытаться изменить период собственных колебаний судна, переместив людей на корму. Тогда яхта получит дифферент на корму, которая своим объемом и большой шириной ватерлинии будет гасить качку. Дополнительное сопротивление от крена и дрейфа. Испытания моделей яхт в опытных бассейнах показали, что с увеличением крена сопротивление корпуса превышает сопротивление тех же моделей, испытанных на ходу без крена. В качестве примера на рис. 18 дана кривая изменения дополнительного сопротивления яхты в зависимости от угла крена и скорости. При крене до 15° прирост сопротивления невелик—не более 5%. Однако на скорости около 6 уз и при крене 35° сопротивление уже на 38% больше, чем при плавании без крена. Для рассматриваемой яхты это приводит к потере 0,4 уз скорости. Эксперименты позволили выяснить, что дополнительное сопротивление в данном случае может быть разделено на две составляющие—индуктивное сопротивление и сопротивление от крена. Обе составляющие вызваны действием кренящей силы Fд (см. рис.4). Основным источником индуктивного сопротивления является подъемная сила на киле и руле, перетекание воды через нижнюю кромку плавников киля и руля со стороны повышенного давления на сторону разрежения, как мы уже говорили (см. рис. 20). Срывающиеся с нижней кромки вихри требуют дополнительных затрат энергии движущей силы. Чем больше величина подъемной силы, образующейся на плавниках, тем больше разность давлений на их сторонах и соответственно больше индуктивное сопротивление. Наоборот, с увеличением аэродинамического удлинения плавника, т. е. с уменьшением средней хорды относительно площади плавника, индуктивное сопротивление уменьшается. Определенную долю здесь вносит и корпус яхты, который обтекается не по оптимальным ватерлиниям, а под углом дрейфа. Дополнительное сопротивление от крена обусловлено как появлением несимметричности в обводах корпуса, так и изменением поля гидродинамических давлений у наветренного и подветренного бортов судна. У яхт с длинными свесами крен около 5° вызывает иногда даже некоторое снижение полного сопротивления при увеличении смоченной длины корпуса. Широкий «швертботный» современный корпус при крене 8—10° уменьшает смоченную поверхность и сопротивление, которое может снизиться на 2—4%. Но с увеличением крена сопротивление начинает возрастать, составляя примерно Уз величины дополнительного сопротивления; остальное приходится на долю индуктивного сопротивления. И все же сопротивление от крена достаточно велико — оно достигает около 15% сопротивления яхты, идущей без крена. Следовательно, при участии в гонке экипаж должен принять все меры к уменьшению крена. На рис. 18 хорошо видно, что крен 30° является для данной яхты критическим. Дальнейшее усиление ветра, при котором судно получает дополнительный крен, приводит уже не к повышению скорости, а, наоборот, к ее снижению. Значит, при достижении этого крена целесообразно уменьшить площадь парусности, а на небольшой яхте попытаться открепить судно массой экипажа. При крене не только дополнительно растет сопротивление, но и ухудшается эффективность работы парусного вооружения, увеличивается склонность яхты приводиться к ветру. Для удержания судна на курсе необходимо отклонять руль на большой угол, что дополнительно увеличивает лобовое и индуктивное сопротивление руля. Воздушное сопротивление корпуса яхты, рубок и экипажа, расположенного на палубе, сравнительно невелико. Оно достигает заметной величины только в сильный ветер и на курсе бейдевинд. Гораздо большее значение имеет сопротивление рангоута, парусов и такелажа, рассмотрению которых уделено внимание в гл. 2 |
 |
|
(12)
(13)
,м, (14)
(15)
