Мореходные качества судна

Способность судна держаться на плаву, не переворачивать­ся и не идти ко дну при затоплении характеризуется его море­ходными качествами. К ним относятся: плавучесть, остойчи­вость и непотопляемость.

Плавучесть. Плавучесть - это способность судна держаться на поверхности воды, имея заданную осадку при определенном количестве груза и людей на борту.

На судно, находящееся на спокойной воде, постоянно дей­ствуют две силы: сила тяжести (веса) и сила поддержания (вы­талкивания). Последняя по закону Архимеда равна массе вы­тесненной судном воды. Судно держится на плаву благодаря тому, что силы тяжести, направленные вниз (ко дну), уравно­вешиваются выталкивающими силами воды, которые возника­ют в результате гидростатического давления на корпус судна. Равнодействующая сил тяжести судна (D), которое нахо­дится на ровном киле (рис. 12), приложена в точке, на­зывающейся центром тяжести (ЦТ), а точка приложения равно­действующей выталкивающих сил (сила поддержания - С) на­зывается центром величины (ЦВ).

К основным маневренным качествам судна относятся: ходкость, циркуляция и управляемость. Для уверенного и правильного управления маломерным судном судоводителю необходимо знать эти качества, другие маневренные элементы и факторы, влияющие на управляемость судна.

Ходкость. Ходкость - это способность судна двигаться с определенной скоростью при заданной мощ­ности двигателя, преодолевая при этом силы сопротивления движению.

Движение судна возможно только при наличии определенной силы, которая способна преодолеть сопротивление воды, - упор. При постоянной скорости величина упора равна величине сопротивления воды.

С увеличением скорости возрастает и сопротивление воды. Однако эта зависимость имеет различный физический смысл и характер для водоизмещающих судов и глиссирующих.

Так например, при движении водоизмещающего судна сопротивление воды складывается из сопротивления трения воды об обшивку корпуса и сопротивления формы, которое создается завихрениями воды. С увеличением скорости этого судна, начинают образовываться волны и к двум сопротивлениям добавляется третье - волновое. Волновое сопротивление резко возрастает с увеличением скорости.

Для глиссирующих судов характер сопротивления воды такой же как и для водоизмещающих до определенной величины скорости. Однако при дальнейшем увеличении скорости судно получает значительный дифферент на корму и его нос поднимается. Этот режим движения носит название переходной (от водоизмещающего к глиссирующему). Характерным признаком начала глиссирования служит само­произвольное увеличение скорости судна. Это явление вызвано тем, что после подъема носовой части об­щее сопротивление воды судну снижается, оно как бы «подвсплывает» и наращивает скорость при неиз­менной мощности.

При глиссировании возникает еще один вид сопротивления воды - брызговое, а волновое сопротивле­ние и сопротивление формы резко снижаются и их величины практически сводятся к нулю.

Таким образом на ходкость судна влияют четыре вида сопротивления:

сопротивление трения - зависит от площади смоченной поверхности судна, от качества ее обработки и степени обрастания (водорослями, моллюсками и т.п.);

сопротивление формы - зависит от обтекаемости корпуса судна, которая в свою очередь тем лучше, чем острее кормовая оконечность и чем больше длина судна по сравнению с шириной;

волновое сопротивление - зависит от формы носовой оконечности и длины судна, чем длиннее судно, тем меньше волнообразование;

брызговое сопротивление - зависит от отношения ширины корпуса к его длине.

Циркуляция Циркуляцией судна называется кривая, которую описывает центр тяжести (ЦТ) судна за время его поворота на 360° с переложенным на борт рулем (рис. 14).

Рис. 14. Циркуляция

Эта кривая близка к окружности, а ее диаметр служит мерой поворотливости судна. Единицей измерения диаметра циркуляции служит длина судна. У маломерных судов диаметр циркуляции составляет, как правило, две - три длины корпуса. Ско­рость судна на циркуляции уменьшается до 30%.

Кроме диаметра циркуляции следует знать и ее время, т.е. время, за которое судно сделает поворот на 360°.

Названные элементы циркуляции зависят от водоизмещения судна и характера размещения груза по его длине, а также от скорости хода. На малой скорости диаметр циркуляции меньше.

Рассмотрим порядок определения элементов циркуляции катера (рис. 15).

15. Определение элементов циркуляции

Катер на заданном ходу пересекает под прямым углом (90°) створ АА1. В момент пересечения створа руль перекладывается право на борт, включается секундомер и секстаном измеряется горизонтальный угол a1 между створом и знаком Б. При повороте катера на 180° и пересечении им створа AA1 на обратном курсе останавливается секундомер и измеряется угол a2.

Показания секундомера будут соответствовать времени так называемой неустановившейся циркуляции, т.е. поворота катера на 180° (половина полной циркуляции).

Для определения диаметра циркуляции берется крупномасштабная карта (план), отложив на которой измеренные углы a1 и a2 наносятся точка М1 и точка М2. Расстояние между этими точками и есть диаметр циркуляции.

С достаточной точностью диаметр циркуляции можно определить и без измерения углов секстаном. Для этого в моменты пересечения створа АА1 за борт бросаются легкие вехи или буйки, а затем при помо­щи линя (отрезок растительного или синтетического троса) измеряется расстояние между ними. Это рас­стояние и принимается за диаметр циркуляции.

Управляемость. Управляемость - это способность судна удерживать на ходу заданное направление движения при неизменном положении руля (устойчивость на курсе) и изменять на ходу направление сво­его движения под действием руля (поворотливость).

Понятие «устойчивость на курсе» и «поворотливость» являются противоречимыми, однако эти качест­ва присущи практически всем судам и характеризуют их управляемость.

На управляемость влияет много факторов и причин, главными из которых являются действие руля, ра­бота винта и их взаимодействие.

а) Устойчивость на курсе.

Рассмотрим некоторые примеры.

Рис. 16. Руль «прямо».	Рис. 17. Руль «право».

Если на переднем ходу при выключенном двигателе и прямом положении руля встречные струи воды обтекают корпус и руль симметрично, не вызывая сил, уклоняющих нос или корму судна (рис. 16), то при отклонении руля на некоторый угол вправо (рис. 17) на него начинают давить встречные струи с какой-то силой F, а с левой стороны руля образуется разряженное пространство.

Сила F является равнодействующей сил Fj и F2- При этом сила F2 действует в противоположном направлении движению катера и следовательно уменьшает его скорость, а сила Fj отбрасывает руль с кор­мой влево, тем самым обеспечивается поворот носа катера вправо. На этом примере делается вывод: нос катера на переднем ходу покатится в ту сторону, в какую положен руль.

2) Действие руля на заднем ходу

На заднем ходу при выключенном двигателе и прямом положении руля сил, уклоняющих корму не по является. Поэтому катер будет двигаться без изменения направления (рис. 18).

Рис. 18. Руль «прямо».	Рис. 19. Руль «право».

Если руль положить вправо, то встречные струи воды начнут давить на его левую сторону с какой силой F перпендикулярно рулю (рис. 19). Разложив эту силу на составляющие, видно, что сила F? направлена в противоположном направлении движению и значит уменьшает скорость. Сила F1уклоняет корму вправо, т.е. в сторону поворота руля. Таким образом, на заднем ходу корма катера уклоняется в сторону перекладки руля.

Рассмотренные примеры показывают, что скорость поворота судна будет тем больше, чем на больший угол повернут руль. Но при увеличении угла поворота руля возрастает и тормозная сила, что существен но замедляет поступательное движение судна. Практикой подтверждается, что руль при поворотах работает наиболее эффективно при его перекладке на угол 30° - 35°.

3) Действие работы винта на переднем ходу

При работающем винте, отбрасываемая им струя воды оказывает определенное действие на кopпyс судна и перо руля, тем самым влияя на устойчивость на курсе и поворотливость судна. Частицы воды при этом движутся не по прямой линии, а образуют вихревой поток в виде спирали. Рассмотрим как ра­ботающий винт правого вращения с четырьмя лопастями влияет на устойчивость и поворотливость суд­на (рис. 20).

Лопасть 1 винта при движении по часовой стрелке сверху вниз бросает воду с силой F1, которая направле­на вниз и никакого влияния на смещение кормы в сто­рону не оказывает. Лопасть 2 бросает воду с силой F2 на нижнюю часть пера руля и стремиться отклонить корму влево. Сила F3 при движении лопасти 3 снизу вверх на­правлена вверх и на отклонение кормы в сторону не влияет. Лопасть 4 при движении слева направо бросает воду с силой F4 на верхнюю часть пера руля. Эта сила стремится отклонить корму вправо.

Таким образом на перо руля действуют две противо­положно направленные силы F2 и F4. Учитывая, что в нижней части руля гидростатическое давление всегда больше, чем в верхней, то сила F2 превышает силу F4 и уклоняет корму влево.

Рис 20. Силы набрасываемой струи.	Рис. 21. Силы реакции.

Вывод: при вращении винта из-за набрасывания воды на руль возникает ряд сил, которые при своем взаимодействии образуют только одну силу набрасываемой струи F, давление которой на руль стремится сместить корму судна влево и изменить его курс вправо. При аналогичном рассмот­рении примера с винтом левого вращения вывод будет противоположным, т.е. сила набрасыва­емой струи F стремится уклонить корму вправо, а курс судна изменить влево.

Лопасти вращающегося винта встречают сопротивление воды, которое называется силой реакции (рис. 21).

Движению лопасти 1 противодействует сила реакции R1, которая стремится оттолкнуть лопасть, а вместе с ней и корму судна влево. Сила R2 стремится оттолкнуть ло­пасть 2 вверх, а следовательно, и поднять корму. Движе­нию лопасти 3 противодействует сила реакции R3, направленная слева направо и стремящаяся оттолкнуть лопасть, а вместе с ней и корму вправо. Сила реакции R4 направлена вниз и стремится осадить корму.

Таким образом, силы реакции R2 и R4 на отклонение кормы в какую-либо сторону влияния не оказывают, но они являются причиной дрожания кормы, которая хорошо наблюдается на быстроходных катерах. В то же время силы R1 и R3 оказывают действие на корму, стремясь ее отклонить в противоположных направлениях.

В связи с тем, что сила R3 действует в более плотной среде, ее величина больше силы R1. Сложив эти две силы получается одна результирующая сила реакции R, ко­торая при вращении винта будет стремиться уклонить корму катера вправо, а нос разворачивать влево.

В случае, если на катере установлен винт левого вращения, то сила реакции R будет уклонять корму влево, а нос разворачивать вправо.

Кроме сил набрасываемой струи и реакции при движении катера вперед возникает еще и сила попут­ного потока.

На переднем ходу катер своим корпусом вытесняет воду, образуя за кормой разряженное пространст­во. Вытесненная корпусом вода, обтекая борта, устремляется в это пространство и заполняет его. Поскольку этот процесс во время движения идет непрерывно, то с кормы катера образуется и действует попутный поток воды, называемый попутным следом. Этот поток оказывает непрерывное давление на кормовые об­воды судна и на лопасти винта. Максимальную величину сила потока имеет на поверхности воды, а на глу­бине уровня киля исчезает полностью.

Давление потока на кормовые обводы распределяется равномерно и практически никакого влияния на отклонение кормы не оказывает. Этого нельзя сказать о давлении силы потока на лопасти винта.

Попутный поток с наибольшей силой Н давит на лопасть, которая находится при вращении винта в крайне верхнем положении (рис. 22). Разложив эту силу на со­ставляющие, получается, что сила h по своей величине значительно больше силы i и расположена перпендикулярно к лопасти. Эта сила h и будет уклонять корму влево, а нос вправо. При винте левого вращения на переднем хо­ду сила попутного потока h будет стремиться уклонить корму вправо, а нос судна влево. Сила попутного потока при движении судна (по инерции или на буксире) оказывает свое действие и тогда, ког­да винт не вращается. Рассмотренные примеры позволяют сделать заключе­ние, что на устойчивость судна, имеющего передний ход и руль в положении прямо, влияют три силы (рис. 23):

Вывод:

1. На установившемся переднем ходу моторного судна, имеющего один винт правого вращения и руль в диаметральной плоскости, нос судна стремится уклоняться вправо. Чтобы удержать судно на курсе необходимо переложить руль на несколько градусов влево.

2. При винте левого вращения на переднем ходу с рулем в положении «прямо» нос судна будет уклоняться влево.

Рис 22. Действие силы попутного потока.

Рис. 23. Действие сил на корму судна.

4) Влияние работы винта на заднем ходу

Рассмотрение этого вопроса производится для моторного судна (катера) с четырехлопастным винтом правого шага с установившимся задним ходом и с положением руля «прямо». При этом на заднем ходу винт вращается против часовой стрелки. На заднем ходу движение воды происходит также как и на переднем по спирали, но отбрасывается она теперь не на руль, а под корму катера (рис. 24).

Рис. 24.Силы набрасываемой струи на заднем ходу

Лопасти 1 и 3 толкают воду с силами F j - направленной вниз и F3 - вверх. Эти силы никакого влияния на уклонение кормы не оказывают. Лопасть 2 набрасывает струю на левую часть борта в районе киля под острым углом. В связи с этим сила F2, которая стремится уклонить корму вправо, слишком мала, чтобы оказывать существенное влияние. Лопасть же 4 бросает воду на правую подводную часть борта под прямым углом (90°) и следовательно сила F^ значительно больше противоположной силы F2- В результате действия силы набрасываемой струи F на заднем ходу корма судна будет уклоняться влево.

Рассмотрев действие сил реакции на заднем ходу по аналогии с ранее рассмотренным случаем их дей­ствия на переднем ходу, делается заключение, что результирующая сила реакции R уклоняет корму влево (рис.25).

Рис. 25. Силы реакции на заднем ходу.

При движении судна на заднем ходу, вне зависимости вращается винт или нет, возникает сила сопро­тивления встречной воды корпусу (N). Кроме того, при вращении винта, последний «засасывает воду» за кормой, вызывая тем самым течение воды навстречу движению корпуса судна (рис. 26), что приводит к возникновению еще одной силы всасываемой струи М.

Эти две силы в данном случае при нахождении руля в положении «прямо» никакого действия на укло­нение кормы не оказывают.

Таким образом, на установившемся заднем ходу судна, имеющего винт правого вращения и руль в положении «прямо», под влиянием рабо­ты винта образуются (рис. 27):

Рис. 26. Сила сопротивления и сила всасываемой струи.	Рис. 27. Силы, действующие на заднем ходу
F - сила набрасываемой струи; R - сила реакции; N - сила сопротивления встречной воды; M - сила всасываемой струи.

Вывод:

На установившемся заднем ходу судно, имеющее один винт правого вращения и руль в по­ложении «прямо», уклоняется кормой влево, а носом вправо. При тех же условиях, но с винтом левого ша­га корма уклоняется вправо, а нос судна влево.

б) Поворотливость

1) Поворотливость на переднем ходу

При перекладке руля, например вправо, на установившемся переднем ходу с винтом правого вращения на руль помимо силы встречного потока F, действует и сила воды, отбрасываемой винтом назад, давление которой в 1,3 -1,7 раз больше давления F. Эта сила называется силой винтовой отработки Q (рис. 28) рез­ко увеличивающей эффективность действия руля, т.е. поворотливость судна. Для винта правого шага действие силы винтовой отработки значительно больше при руле, положенном направо, а для винта левого шага - на левый борт.

Рис. 28. Силы встречного потока и винтовой отработки.

Вывод;

1. На переднем ходу при винте правого вращения судно поворачивается лучше вправо и хуже влево, а при винте левого вращения -лучше влево и хуже вправо.

2. Для судна с винтом правого вращения диаметр циркуляции вправо будет меньше диа­метра циркуляции влево.