Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» – или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал – около четверти прямого угла, – и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q , которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R , перпендикулярную к килю, и силу S , направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S , которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова.
Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.
Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.
Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).
Направления относительно ветра.
На ветре
значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром
— с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным
, левый борт — подветренным
соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.
Курсы относительно ветра.
Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.
Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.
Маневры относительно ветра.
Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится
. Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается
.
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг
и фордевинд
.
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.
Работа паруса при яхтинге.
Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.
Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.
Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.
Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.
Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.
Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.
Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.
Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.
Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.
Продвижение против ветра. Лавировка.
Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.
Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.
Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.
Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.
Работа паруса на других курсах относительно ветра
Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.
При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.
Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.
Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.
Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.
Маршрут "Джульетты"
Что делать в таком случае?
Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.
"Под парусами против ветра
Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» - или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал - около четверти прямого угла, - и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."
Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.
Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).
Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.
Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.
При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.
Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.
В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.
Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
На сайте NASA опубликованы очень интересные материалы о разных факторах оказывающих влияние на формирование крылом самолета подъемной силы. Там же представлены интерактивные графические модели,которые демонстрируют, что подъемная сила может формироваться и симметричным крылом за счет отклонения потока.
Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его (рис. 1г). Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. Результат - давление с подветренной стороны паруса меньше, чем с наветренной стороны.
При движении курсом фордевинд, когда парус установлен перпендикулярно к направлению ветра, степень увеличения давление с наветренной стороны больше, чем степень понижения давления с подветренной стороны, другими словами ветер больше толкает яхту, чем тянет. По мере того, как яхта будет поворачивать острее к ветру, это соотношение будет меняться. Так, если ветер дует перпендикулярно курсу яхты, увеличение давления на парус с наветренной стороны оказывает меньшее влияние на скорость, чем снижение давления с подветренной стороны. Другими словами парус больше тянет яхту, чем толкает.
Движение яхты происходи благодаря тому, что ветер взаимодействует с парусом. Анализ этого взаимодействия приводит к неожиданным, для многих новичков, результатам. Оказывается, что максимальная скорость достигается, вовсе не когда ветер дует точно сзади, а пожелание «попутного ветра» несет в себе совершенно неожиданный смысл.
Как парус, так и киль, при взаимодействии с потоком, соответственно, воздуха или воды, создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации их работы можно применить теорию крыла.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
Воздушный поток обладает кинетической энергией и, взаимодействуя с парусами, способен двигать яхту. Работа, как паруса, так и крыла самолета, описывается законом Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к уменьшению давления. При перемещении в воздушной среде, крыло разделяет поток. Часть его обходит крыло сверху, часть снизу. Крыло самолета спроектировано так, что воздушный поток, проходящий над верхней стороной крыла движется быстрее, чем поток, который проходит под нижней частью крыла. Результат - давление над крылом значительно ниже, чем под. Разница давления и есть подъемная сила крыла (рис. 1а). Благодаря сложной форме, крыло способно генерировать подъемную силу даже в том случае, когда рассекает поток, который движется параллельно плоскости крыла.
Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Дискуссионным остается вопрос о том, какая часть подъемной силы связана с эффектом Бернулли, а какая является результатом отклонения потока. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Вместе с тем хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку (рис. 1б). В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.
Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается (рис. 1в).
Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. С максимальной силой ветер давит на парус стоящей без движения яхты (рис. 2а). По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорости (рис. 2б). Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра. Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.
Курсом галфвинд (под 90º к ветру) парусные яхты способны двигаются быстрее ветра. В рамках этой статьи мы не будем обсуждать особенности вымпельного ветра, отметим только, что на курсе галфвинд, сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты (рис. 2в).
Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.
The Physics of Sailing Explained: An Introduction
ISBN 1574091700, 9781574091700
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.