Рис. 3.2.
В.Н.Белоозеров
Изучение теории плавания под парусами необходимо туристу-паруснику потому, что как правило, приступая к занятиям этим видом спорта, он не имеет предварительного опыта парусных плаваний. У него отсутствует привычная интуиция, позволяющая подсознательно оценивать действие сил на судно и управлять им так, чтобы достичь эффективного и безопасного продвижения к выбранной цели. Именно развитие такой интуиции и является главной целью изучения теории.
В отличие от яхтсменов, туристы плавают чаще всего не на промышленных яхтах, которые сконструированы квалифицированными кораблестроителями и тем самым вбирают в себя опыт векового развития парусного дела, а на самодельных или самостоятельно приспособленных судах. Поэтому туристу приходится быть не только капитаном своего судна, но и его конструктором и строителем. Даже те суда, которые выпускает промышленность специально для парусного туризма, изготовлены с гораздо меньшей тщательностью чем яхты и требуют значительных усилий владельца по доводке своего судна. В этих условиях туристу необходимо знание теории в достаточно большом объёме, чтобы обнаруживать недостатки судна, устранять их и добиваться от него высоких ходовых качеств.
Исследование движения судна одновременно в двух средах – водной и воздушной – является весьма сложной и до конца не решённой задачей теоретической механики. Для изложения законов поведения парусного судна мы будем основываться не на точных математических доказательствах, а на упрощённых интуитивных представлениях о физической природе явлений обтекания воздухом и водой отдельных частей судна.
Парусное судно можно упрощённо представить состоящим из трёх частей:
— система парусов, каждый из которых работает как вертикально поставленное крыло в набегающем потоке ветра;
— корпус, обеспечивающий равновесие судна на водной поверхности;
— система плавников (шверты и рули), каждый из которых работает как вертикально поставленное крыло в набегающем потоке воды, создаваемом движением судна.
На парусах развиваются аэродинамические силы, часть которых при правильном управлении даёт тягу по курсу, а часть вызывает дрейф в поперечном направлении. Эти силы уравновешиваются равной им суммой сил гидродинамического сопротивления (в соответствии с первым законом Ньютона: действие равно противодействию). Скорость судна определяется именно этим равновесием, т. е. судно разгоняется до тех пор, пока гидродинамическое сопротивление не сравняется с аэродинамической тягой. Поскольку аэродинамические и гидродинамические силы приложены на разной высоте, они образуют опрокидывающее усилие (момент сил). Это воздействие компенсируется восстанавливающими силами, которые развиваются при крене судна, а также за счёт перемещения экипажа. Ниже мы рассмотрим происхождение этих сил раздельно на парусах, корпусе и плавниках, а также совместное действие всех сил на судно.
Обращаясь к рассмотрению сил, действующих на паруса, мы будем отвлекаться от других сил, которые действуют на корпус и подводные плавники. Будем рассматривать парус как неподвижное тело, помещённое в набегающий поток воздуха, независимо от того, чем образован этот поток, ветром или собственным движением судна. Поток воздуха характеризуется скоростью V, которая может меняться от точки к точке при обтекании тела. Как материальная среда, воздух наделён определённой плотностью ρ, которая характеризует массу единицы объёма воздуха (1,25 кг на кубометр). Каждая частица движущегося воздуха обладает кинетической энергией, плотность которой* зависит от скорости воздуха в данной точке и равна
q = ½ ρ V2.
Кинетическая энергия является мерой давления**, которое оказывает поток на поставленную попрёк него преграду. Сила, действующая на парус, образуется за счёт того, что он, притормаживая воздушный поток, отбирает от него часть этой энергии.
Явления, происходящие при обтекании тел водой, ничем существенным не отличаются от явлений обтекания воздухом. Различие состоит лишь в величине плотности ρ, которая у воды в 800 раз выше чем у воздуха., а также в несколько большей вязкости воды. Поэтому при чтении данного раздела следует иметь в виду, что все рассуждения справедливы не только для паруса, но и для частей корпуса, обтекаемых водой, (с поправкой на увеличение сил в 800 раз). Этим обстоятельством мы воспользуемся в дальнейшем, когда при рассмотрении гидродинамики судна будем считать, что общие законы обтекания нам известны из теории паруса.
Рассмотрим сначала, какие силы действуют на тонкую плоскую пластину в потоке воздуха.
Рис. 3.2.
Пластина, поставленная вдоль воздушного потока (рис. 3.2), показывает возникновение силы сопротивления даже при минимальном поперечном сечении тела. Слой воздуха, прилегающий к пластине, затормаживается из-за трения о неподвижную поверхность тем сильнее, чем больше площадь пластины S. Кинетическая энергия заторможенной струи переходит в тепловую энергию трения, а инерция струи передаётся парусу и тянет его в направлении потока с силой
F = C q S = C ½ ρ V2 S
В этой формуле С – так называемый коэффициент аэродинамической силы, который указывает, какая доля энергии потока преобразуется в энергию паруса. Этот коэффициент зависит от формы паруса и других условий обтекания, являясь исчерпывающей характеристикой его полезной работы. Можно сказать, что вся теория паруса сводится к изучению влияния различных факторов на величину С.
Если пластину поставить поперек потока (рис. 3.2 б), то на нее будут воздействовать два механизма, приводящие к возникновению аэродинамической силы. Во-первых, перед пластиной воздушный поток затормаживается из-за того, что пластина препятствует движению потока. В результате энергия движения потока переходит в энергию статического давления, которая приводит к возникновению разности давления Δр по сторонам пластины.
Второй механизм образования силы лобового сопротивления может быть истолкован как потеря кинетической энергии воздушного потока при перетекании его через края пластины. Здесь происходит интенсивное взаимодействие воздуха с препятствием, вихреобразование и торможение. При косом расположении пластины (рис. 3.2 в), на ней образуется как сила трения Fтр, действующая вдоль поверхности пластины, так и сила разности давлений FN,действующая перпендикулярно пластине (подъёмная сила). Поскольку сила трения много меньше силы разности давления, суммарная сила R также направлена почти перпендикулярно поверхности пластины. Важно то, что сила имеет две составляющие не только X – силу лобового сопротивления, но также Y – так называемую подъемную силу, направленную поперек воздушного потока. Эту силу можно также объяснить как реактивную силу воздушной струи, отклоненной поперек своего первоначального движения. За счет существования этой поперечной силы и возможно использование паруса для движения не только по ветру, но даже и против ветра.
Однако плоская пластина является мало эффективным парусом и развивающаяся на ней подъемная сила сравнительно невелика. Больший эффект получается при использовании плавно изогнутых профилей. Рассмотрим обтекание несимметричного профиля воздушным потоком в канале (трубе) на рис. 3.3.
Рис. 3.3.
Скорость потока в сечениях канала А1Д1 и А4Д4 (до вставленного в канал тела и после него) равны друг другу V1 = V4, (если пренебречь незначительными завихрениями). Но в сечении А3Д3 ширина канала значительно уменьшена. Следовательно для того, чтобы через него проходил тот же поток, необходимо чтобы скорость в равной степени возросла: V3 > V1.. При этом с плоской стороны профиля остается скорость, равная V1, так как поток, входящий в эту часть канала с начальной скоростью V1 в сечении С2Д2, где влияние вставленного тела еще не ощущается, должен сохранить эту скорость и на всем протяжении этой части канала из-за однородности сечения.
Таким образом мы видим, что с выпуклой стороны тела скорость обтекающего потока оказывается больше, чем со стороны плоской поверхности. Это значит, что плотность кинетической энергии потока с выпуклой стороны увеличивается. Согласно закону сохранения энергии это увеличение может происходить только за счёт какой-либо другой энергии. В данном случае в потоке нет другого источника, кроме энергии барометрического давления, которая и переходит в энергию движения потока на выпуклой стороне. Следовательно в том месте профиля, где возрастает кинетическая энергия и скорость потока, там уменьшается барометрическое давление. Оно становится тем меньше, чем больше ускоряется обтекающий поток. Другими словами на выпуклой поверхности возникает разрежение, которое «засасывает в себя» обтекаемый воздухом профиль. Силы этого «засасывания» показаны графически на рисунке. Они действуют перпендикулярно поверхности тела, их сумма Y направлена поперёк набегающему потоку и представляет собой чистую «подъёмную» силу. Эти силы, возникающие в результате несимметричного обтекания, значительно превосходят силы, обусловленные трением. Если учесть на рис. 3.3 также и силу трения Х, то она даст незначительную горизонтальную составляющую по сравнению с подъёмной силой Y.
Обтекание несимметричного профиля для удобства рассуждений было рассмотрено в случае, когда он помещён в достаточно узкий канал, но очевидно, что в свободном пространстве характер обтекания существенно не изменится. Поэтому останутся справедливыми и сделанные выводы.
Простейшей моделью работы паруса является обтекание плоской пластины, изображённое на рис. 3.2. Однако в результате действия разности давлений по сторонам материала паруса он теряет плоскую форму и образует в сечении плавно изогнутый профиль. Это изменение формы натянутой парусины является полезным эффектом, так как в результате плавного обтекания воздухом образуется меньше завихрений чем на плоской пластине, и подъёмная сила на парусе возрастает за счёт падения давления при обтекании воздухом выпуклой поверхности, как то объяснено в предыдущем параграфе. Чем меньше при этом образуется вихрей, тем на большей части паруса происходит плавное обтекание подветренной выпуклой стороны, и тем бóльшая образуется разность давлений, приводящая к бóльшей подъёмной силе. Что касается силы лобового сопротивления, то она от выдувания плоской поверхности практически не зависит.
Распределение сил трения, давления и разряжения по поверхности реального паруса показано на рис. 3.4.
Рис. 3.4.
Суммарная результирующая аэродинамическая сила на парусе правильной формы имеет бóльшую величину и направлена более перпендикулярно к ветровому потоку, чем аэродинамическая сила на плоской пластине. Отклонение поверхности паруса от плоскости под ветер называется пузом 1 паруса и является одной из важнейших характеристик конструкции паруса, которая влияет на его качество и способность обеспечить надлежащую тягу в нужном направлении.
Главным же образом величина и направление аэродинамических сил на парусе зависит от его положения относительно потока воздуха, которое характеризуется углом атаки α (см. рис. 3.5).
Рис. 3.5.
Даже при очень малых углах атаки, и при α =0˚, на профиле, имеющем аэродинамическое пузо, как мы видели на рис. 3.3, развивается определённая подъёмная сила, которая тем больше, чем больше величина пуза. Но реальные мягкие паруса на углах атаки около 0˚ не сохраняют аэродинамической формы, а начинают заполаскивать, что приводит к почти полной потере подъёмной силы при сохранении и даже увеличении силы лобового сопротивления (рис. 3.5 а). При увеличении угла атаки до 10˚ - 15˚ подъёмная сила резко увеличивается, в то время как лобовое сопротивление остаётся практически на исходном уровне. В диапазоне углов атаки 20˚ - 30˚ подъёмная сила перестаёт расти, но начинает сильно расти лобовое сопротивление, и результирующая суммарная сила увеличивается. Для некоторых типов парусов суммарная сила принимает наибольшее значение при углах атаки 30˚ - 50˚, но направлена она уже в большей степени не поперёк, а вдоль потока воздуха при снижении подъёмной силы. И наконец, при 50˚ - 90˚ подъёмная сила постепенно исчезает, а лобовое сопротивление слабо возрастает, достигая максимума. Однако общая сила при этом имеет тенденцию к снижению из-за исчезновения подъёмной силы.
Изображать зависимость от угла атаки сил, действующих на парус, удобно на специальном графике, называемом полярой (рис. 3.6).
Рис. 3.6.
На нём каждая точка кривой имеет горизонтальную координату, равную лобовому сопротивлению Х, вертикальную координату, равную подъёмной силе Y, а значение угла атаки нанесено на самой кривой. Для сравнения эффективности парусов различного размера на поляре показывают не абсолютные значения сил (в килограммах), а величины, отнесённые к площади паруса. В качестве таких величин приняты коэффициенты аэродинамических сил, показывающие, какая доля энергии потока, падающего на единицу поверхности паруса, преобразуется в ту или иную составляющую суммарной силы. Различают: коэффициент результирующей силы СR, коэффициент подъёмной силы СY и коэффициент лобового сопротивления СХ. Вспоминая, что плотность кинетической энергии потока равна ½ ρ
V2 , где ρ – плотность воздуха, V – скорость потока, мы можем написать выражения для расчёта абсолютных значений аэродинамических сил:
тяга R = СR ½ ρ V2 S
лобовое сопротивление Х = СХ ½ ρ V2 S
подъемная сила Y = СY ½ ρ V2 S
На рис. 3.6 показаны примеры поляр для различных парусов и самолётного крыла. Из сравнения графиков мы можем сделать следующие выводы:
а) Жёсткое самолётное крыло сохраняет подъёмную силу при малых (меньше 5˚) и даже небольших отрицательных углах атаки, там где мягкий парус работать не может. При этом лобовое сопротивление крыла существенно меньше, чем достижимо для паруса. Следовательно, если бы судно было оборудовано жёстким крылом, то при слишком сильном ветре, когда уже необходимо убирать паруса, жёсткое крыло могло бы быть поставлено в такое положение, что ветер на него не оказывал бы чрезмерного воздействия.
б) При углах атаки вплоть до 20˚ крыло имеет бóльшую подъёмную силу чем парус.
в) Правильно сконструированный парус может обеспечить бóльшую величину аэродинамических сил, чем типичное самолётное крыло равной площади.
г) Наибольшие значения аэродинамических сил паруса достигаются при бóльших значениях угла атаки чем у самолётного крыла.
д) Паруса современных яхт (бермудские) эффективнее, чем классические типы парусов времён парусного флота (плоский гафельный парус).
е) Плоская пластина является наихудшим типом паруса.
Объяснение этих выводов, а также факторы, влияющие на эффективность паруса, рассматриваются в следующем разделе.
Термином аэродинамическое качество паруса обозначают вполне определённое число – отношение величины подъёмной силы к величине лобового сопротивления К = Y / X =
CY / CX . Такое именование этого отношения обусловлено тем, что именно оно определяет качество паруса как ветрового движителя.
Сила лобового сопротивления Х возникает при обтекании любого тела, лишь бы оно имело достаточную поверхность, обращённую к ветру. Значительные усилия конструкторов машин, предназначенных для движения в воздушной среде, направлены на уменьшение силы Х. Эта сила направлена всегда в ту же сторону, что и движение ветра, поэтому её можно использовать только для плавания по ветру. Если бы парусное судно ограничивалось использованием только силы Х, оно было бы целиком в зависимости от направления ветра и не могло бы двигаться во встречном к ветру направлении. То есть, уйдя из одного места в другое на парусном судне, мы должны были бы ожидать смены погоды, смены ветра, чтобы вернуться обратно. К счастью, хорошие парусные суда могут ходить как по ветру, так и навстречу ветру почти с одинаковой скоростью. Именно этим и определяется практическая ценность парусного судна. В противном случае никогда бы развитие парусного мореплавания не получило такого размаха, какой наблюдался в эпоху до изобретения паровых двигателей.
Движение парусного судна навстречу ветра может осуществляться только за счет подъемной силы паруса Y. Будучи направлена перпендикулярно ветру, она всегда имеет определенную составляющую вперед по движению судна, если только нос судна не направлен строго против ветра (см. рис. 3.7).
Рис. 3.7.
Тогда, если мы каким-либо образом исключим возможность бокового сноса судна, оно под действием подъемной силы будет идти вперед при любом курсе, лишь бы был какой-нибудь, пусть малый, угол между направлением ветра и направлением судна. Однако прямо против ветра даже подъемная сила двигать судно не может. Но это не беда: достаточно лишь отклониться от направления ветра, как судно пойдет ему навстречу. Если же из точки А (рис. 3.7) необходимо попасть в точку В, находящуюся прямо в направлении, от которого дует ветер, следует после того, как судно достаточно прошло одним галсом, отклоняясь от цели, сделать поворот на другой галс, и уклониться в другую сторону так, чтобы попасть как раз в заданную точку.
Этот способ движения парусного судна против ветра называется лавировкой. Способность к лавировке определяется как раз подъемной силой, точнее соотношением величины подъемной силы к величине лобового сопротивления. Наличие лобового сопротивления приводит к тому, что при лавировке встречный ветер все-таки сносит судно назад, и если поставить судно под слишком малым углом к ветру, то лобовое сопротивление будет тянуть его назад с большей силой, чем подъемная сила – вперед. Иначе говоря, следует при лавировке выбирать оптимальный угол движения к ветру (угол лавировки) такой, при котором имеется достаточная тяга вперед, но уклонение от направления ветра не слишком значительно.
Способность к лавировке в наибольшей степени и напрямую определяется аэродинамическим качеством судна – отношением величины подъемной силы парусов к силе лобового сопротивления.
Аэродинамическое качество паруса в первую очередь зависит от угла атаки. Как при очень малых углах атаки (около 0°), так и при очень больших подъемная сила снижается до нуля. Следовательно, до нуля снижается и качество. При отклонении потока воздуха от нулевого угла атаки подъемная сила паруса резко растет, а лобовое сопротивление остается практически постоянным. Поэтому максимальное аэродинамическое качество паруса наблюдается при небольших углах атаки. Точке максимального качества на поляре паруса соответствует та точка, где поляры касается луч, проведенный из центра координат. Соответствующий угол является оптимальным углом установки паруса при лавировке против ветра. Его величина обычно находится где-то около 15°. Следует обратить внимание на то, что в точке оптимального качества парус развивает не максимальную подъемную силу, а обеспечивает наилучшее соотношение подъемной силы и лобового сопротивления.
Снижение аэродинамического качества паруса при увеличении угла атаки происходит по двум причинам. Первая состоит в том, что равнодействующая разницы давлений по сторонам полотнища паруса, направленная перпендикулярно поверхности паруса, отклоняется от перпендикуляра к направлению воздушного потока, и часть ее дает вклад в силу лобового сопротивления. Вторая причина – в том, что начиная с некоторого критического угла атаки поверхность паруса в задней его части оказывается сильно отклоненной от исходного потока, поэтому струи воздуха отрываются от поверхности паруса, и за точкой отрыва образуется область завихрений с повышенным давлением и потерями энергии на вихреобразование. При этом одновременно снижается подъемная сила и возрастает сопротивление.
Рассмотрим теперь влияние различных конструктивных особенностей на аэродинамическое качество и тяговые свойства паруса.
Наиболее очевидная причина появления силы лобового сопротивления паруса, снижающей аэродинамическое качество, - это трение ветра о его поверхность.
По своей физической природе трение воздушного потока о поверхность паруса является не однородным фактором, а складывается из двух различных процессов, которые рассмотрим ниже.
Струя, непосредственно прилегающая к парусной ткани, как бы прилипает к ней и обволакивает ее неподвижным слоем воздуха, поверх которого скользят замедленные слои, и лишь на некотором удалении от поверхности скорость потока принимает значение, свойственное открытому пространству. Это – так называемое, ламинарное обтекание. Толщина замедленного поверхностного слоя при ламинарном обтекании очень мала и составляет не более 5% от длины обтекаемого профиля. Тем не менеее на замедление потока в поверхностном слое тратится определенная энергия, которая и приводит к появлению силы лобового сопротивления, причем эта сила становится тем больше, чем толще поверхностный слой.
Толщина поверхностного слоя возрастает по мере движения потока вдоль обтекаемой поверхности и тем интенсивнее, чем менее гладка эта поверхность, Отсюда следуют две рекомендации по уменьшению силы трения: нужно уменьшать по мере возможности неровность поверхности паруса и длину хорды паруса (ширину паруса) так, чтобы поверхностный слой не успевал развиваться до полного размера.
Однако ламинарное обтекание сохраняется только при достаточно малых скоростях потока. При больших скоростях в поверхностном слое образуются значительные перепады скорости отдельных слоев потока, что ведет к образованию завихрений, перемешивающих слои друг с другом. Обычно эти завихрения возникают не сразу. Возле передней кромки обтекаемого профиля поверхностный слой имеет ламинарный характер (рис. 3.8 а). Лишь после определенного накопления возмущающих воздействий со стороны шероховатостей поверхности, происходит скачкообразное преобразование потока в вихревой, или, как говорят, турбулентный поток (рис. 3.8 б). При этом часть паруса обтекается ламинарным, а часть – турбулентным поверхностным слоем.
Рис. 3.8.
Толщина турбулентного поверхностного слоя может в 4 раза превосходить толщину ламинарного поверхностного слоя. Соответственно увеличивается потеря энергии в поверхностном слое и сила трения. Существенным является также различие во взаимодействии ламинарного потока и турбулентного с неровностями обтекаемой поверхности. Если ламинарный поверхностный слой как бы сглаживает все неровности, обволакивая их гладкой поверхностью заторможенного воздуха, то в турбулентном слое неровности ведут к дополнительному образованию вихрей, потере энергии и росту силы сопротивления. Кроме того, наличие неровностей, превышающих толщину ламинарного поверхностного слоя, ведет к преждевременной турбулизации его и к тем большему росту сопротивления. За счет неровностей сопротивление турбулентного трения может, в свою очередь, возрасти в три раза. Отсюда видно, что гладкость паруса обеспечивает значительное снижение сопротивления трения; при этом особенно существенно обеспечить гладкость передней части паруса, которая препятствует развитию турбулентности.
Меры по обеспечению гладкости парусов особенно эффективны на малых туристских судах. Это видно из нижеследующей численной оценки коэффициента сопротивления трения.
Величина коэффициента трения в потоке показана на графиках рис. 3.9. Она определяется независимо от размеров тела и свойств обтекающего вещества некоторым безразмерным параметром R, называемым числом Рейнольдса. Это число пропорционально скорости потока V, длине обтекаемого профиля L и обратно пропорционально коэффициенту вязкости ν: R = VL / ν
Рис. 3.9.
На рисунке обозначено: 1 – график коэффициента трения при ламинарном обтекании; 2 – коэффициент трения на переходном режиме, когда передняя часть поверхности обтекается ламинарно, а задняя – турбулентно; 3 – коэффициент трения при турбулентном обтекании идеально гладкой поверхности; 4-7 – графики коэффициента трения при турбулентном обтекании поверхностей с шероховатостями высотой k.
В формуле для числа Рейнольдса коэффициент вязкости воздуха
ν = 1,5 .10-5, длина профиля L = 2 м (для гротов типичных разборных судов), а скорость V < 10 м/сек (5-6 баллов), что соответствует R = 1,3∙105. Именно в диапазоне чисел Рейнольдса от 105 до 106, характерной для малых судов, наблюдается наиболее существенная разница в силе трения при переходе от ламинарного к турбулентному обтеканию. Когда число Рейнольдса превосходит 2.106 (точка А) сохранить ламинарное обтекание становится практически невозможным. Поэтому для больших судов с хордой паруса в несколько метров обтекание будет всегда турбулентным, независимо от гладкости паруса. Но при R < 106 необходимо прилагать все возможные усилия для сохранения ламинарного обтекания. Для этого необходимо, чтобы шероховатости на парусе целиком помещались внутри поверхностного слоя. Они заведомо не должны превышать 0,5% от хорды паруса, т.е. должны составлять в задней части паруса не более 0,5 см при характерной хорде – 1 м. На передней кромке паруса толщина поверхностного слоя гораздо меньше, и опыт показывает, что ламинарность сохраняется, если в этой части поверхность имеет неровности, не превышающие k = 1,5 V, где скорость ветра V выражена в м/сек а k - в миллиметрах. Для скорости ветра 6 м/сек (4 балла) допустимая высота шероховатости составляет 0,25 мм. Такая степень гладкости недостижима для хлопчатобумажных парусов (с учетом швов), но может быть достигнута при применении синтетических тканей и пленок.
Наличие шероховатости паруса приводит не только к росту силы лобового сопротивления. Как мы видели в разделе 3.1.2, подъёмная сила парусов возникает главным образом за счёт разности скоростей потока с наветренной и подветренной стороны паруса. Сильное развитие поверхностного слоя, особенно при турбулёнтном обтекании существенно притормаживает обтекающий поток в целом и приводит к выравниванию его скорости по обе стороны парусины. Опыт показывает, что на шероховатой поверхности подъёмная сила может снижаться втрое по сравнению с гладкой. А если учесть, что гладкость паруса может уменьшить втрое лобовое сопротивление, приходим к выводу, что она может дать улучшение аэродинамического качества паруса чуть ли не в 10 раз.
Остановимся еще на одном свойстве парусной ткани, существенной для аэродинамического качества, на ее продуваемости.
Как мы видели выше, аэродинамическая сила на парусе возникает, главным образом, за счет разницы давления по разные стороны от парусины. Если же материал паруса заметно пропускает воздух, давления выравниваются, и силы на парусе убывают. При этом давления в максимальной степени выравниваются там, где разность была наибольшей, т.е. в передней части парусной поверхности, которая направлена почти параллельно набегающему потоку. Следовательно общая аэродинамическая сила снижается именно здесь, где она является чистой подъемной силой. Поэтому из-за продувания снижается именно подъемная сила, а лобовое сопротивление даже увеличивается, так как протекающий через поры ткани воздух интенсивно затормаживается парусом, отбирает от паруса энергию, а на подветренной стороне, поступая в поверхностный слой, увеличивает его толщину и провоцирует переход в турбулентный режим. Таким образом, действие продуваемости сродни действию шероховатости парусины.
Выбирая материал для паруса, следует испытывать его на продувание ртом. Хороший парусный материал вызывает ощущение полной непроницаемости. Во всяком случае, он должен требовать значительного усилия для продувания ртом. При визуальном контроле в ткани, пригодной для шитья парусов, не просматриваются на просвет дырочки между волокнами. Практически, подходящими хлопчатобумажными тканями кроме специальных являются разнообразные брезенты (для больших тяжелых парусов), пропитанные плащпалаточные ткани и плотные ткани для пера (для легких парусов). Специальные синтетические парусины проходят особую обработку (каландрирование), при которой поры между волокнами заплавляются материалом ткани. Такие парусины, а также пленочные материалы являются лучшими для паруса с точки зрения аэродинамики.
Для завершения разговора о свойствах парусных материалов упомянем еще о растяжимости. В этой связи следует иметь в виду два аспекта - абсолютная величина и неравномерность растяжения по направлению.
Определенная степень растяжимости является полезной для паруса, так как она под действием ветровой нагрузки помогает парусу принять плавную выпуклую форму, оптимальную для работы. Но избыточная растяжимость, особенно при неравномерности по направлению, приводит к выдуванию паруса мешком и образованию на его поверхности фалд (складок). О влиянии излишней пузатости паруса мы поговорим ниже, здесь же ограничимся анализом влияния неровностей поверхности паруса.
Любой резкий изгиб на обтекаемом теле приводит к значительному отклонению поверхности от направления набегающего потока и к отрыву потока от поверхности тела. Поэтому фалды на парусе приводят к отрыву потока, образованию завихрений и застойных зон, где повышается давление воздуха с подветренной стороны паруса. В результате выравнивания давлений в застойных зонах снижается подъемная сила, а в результате потери энергии на вихреобразование повышается сила лобового сопротивления. В итоге резко снижается аэродинамическое качество.
Особенно вредны фалды и другие неоднородности вблизи передней шкаторины паруса. Образовавшиеся здесь завихрения распространяются на всю подветренную поверхность и нарушают обтекание на большой площади. Одной из таких неоднородностей на передней шкаторине является сама мачта, которая редко образует с парусом вполне совершенный аэродинамический профиль.
На туристских парусных судах применяются различные способы крепления паруса к мачте, которые оказывают существенное влияние на характер обтекания паруса и его аэродинамическое качество.
Самым невыгодным является крепление паруса на ползунках, двигающихся по рельсу, укрепленному на задней образующей неподвижной мачты (см. рис. 3.10 а). За мачтой на подветренной стороне паруса образуется обширная зона завихрений, которая усиливается продуванием воздуха в щель между мачтой и парусом. Кроме того, продувание приводит к снижению разности давлений по сторонам паруса. По сравнению с парусом без мачты такой способ крепления может привести к двукратному снижению подъемной силы и аэродинамического качества на лавировочных углах атаки.
Рис. 3.10.
Крепление паруса к неподвижной мачте с помощью ликпаза, в который продергивается передняя шкаторина, дает значительно лучшие результаты, так как ликвидирует щель и исключат перетекание воздуха. Опыт гонок яхт, различающихся только способом крепления паруса (ползуны или ликпаз) свидетельствует, что ликвидация щели между мачтой и парусиной дает выигрыш 3-4 мин. на 1 час гонки.
Еще лучшие результаты дает при этом применение поворотной мачты (рис. 3.10 б). Если парус перемещается на подветренную кромку мачты, она перестает затенять его подветренную поверхность, на которой образуется основная подъемная сила. При этом завихрений образуется меньше, а аэродинамическое качество возрастает процентов на 20-30 по сравнению с неподвижной мачтой. Поворотность мачты оказывает такое же положительное влияние и при наличии щели у мачты. В тех случаях, когда при самодеятельной постройке судна оказывается сложным обеспечить вращение мачты или сделать ликпаз, вполне приемлемым способом является крепление паруса на кольцах (сегарсах), скользящих по мачте, или при помощи слаблиня (трос, обвивающий мачту и проходящий через люверсы передней шкаторины паруса). Эти способы, хотя и не обеспечивают плотного прилегания паруса к мачте, но автоматически приводят к перемещению парусины на подветренную кромку мачты.
Как показывают измерения, круглая мачта сама по себе имеет очень большой коэффициент лобового сопротивления. Если мачте придать каплевидную форму, вытянутую вдоль потока, ее сопротивление снизится чуть ли не в 7 раз. В сочетании с парусом этот эффект будет не таким разительным, но все-таки существенным: аэродинамическое качество возрастет на 30%, Однако мачту обтекаемого сечения надо обязательно делать поворотной, так как в противном случае ее сопротивление будет не меньше, чем у круглой, а больше – из-за увеличения площади сечения, обращенного к ветру
Обеспечить каплевидность обтекаемого профиля можно и при круглой мачте, если ее пропустить в свободный карман по передней шкаторине паруса. Но обычно этот способ не дает идеального решения, так как в силу неоднородности растяжения полотнищ кармана и паруса в районе шва образуется фалда. Идеальное решение мы получим, если весь парус выполнен двухслойным, охватывающим мачту с двух сторон (рис. 3.10 е). Именно этот способ можно рекомендовать самодеятельным строителям небольших парусных судов (площадь паруса до 5 кв. м), особенно при применении недостаточно плотного парусного материала
Выше были рассмотрены факторы, отрицательно влияющие на аэродинамическое качество паруса. Теперь обсудим способы, которыми можно повысить аэродинамическое качество. Важнейшим из этих способов является выбор правильного профиля паруса.
По полярам, изображенным на рис. 3.6, мы на примерах различных профилей видели, что они существенно различаются по подъемной силе и аэродинамическому качеству, особенно при малых углах атаки, необходимых для лавировки.
Прогиб паруса - пузо - характеризуют отношением стрелки прогиба h к длине хорды паруса l, соединяющей самую наветренную и самую подветренную точки паруса. Величину пуза часто измеряют в процентах.
Чем больше пузо, тем больше величина подъемной силы и аэродинамическое качество практически на всех углах атаки, особенно на малых. Однако фактически удается добиться работы мягкого паруса без заполаскивания только на достаточно большом угле атаки, когда его качество ниже максимального. Поэтому паруса с пузом более 10% применяют только на слабых ветрах и то в тех случаях, когда не требуется длительная лавировка. Применение сквозных лат позволяет добиться хорошей работы парусов даже с пузом 15%, но от такого паруса мы можем получит эффект только на достаточно полном курсе и угле атаки около 20°. Практика показывает, что для средних ветров оптимальна величина пуза для лавировки около 8%
Абсолютный максимум подъемной силы имеют паруса, приближающиеся к квадратной форме (удлинение = 1)2. Это вызвано тем, что у вытянутых парусов происходит более интенсивное перетекание воздуха из области повышенного давления на наветренной стороне в область пониженного давления на подветренной стороне паруса, что приводит к выравниванию давлений, появлению завихрений и как следствие – к снижению подъемной силы и росту сопротивления. К сожалению, максимальная тяга квадратных парусов (при угле атаки 45°) сочетается с максимальным лобовым сопротивлением. Аэродинамическое качество такого паруса близко к 1, т.е. в 10 раз меньше, чем у вытянутых бермудских парусов. Это делает невозможным использование максимальной тяги квадратного паруса на лавировке, когда желание уменьшить силу лобового сопротивления заставляет снижать угол атаки да 20°-30°, где аэродинамическое качество становится приемлемым (более 2), но тяга становится на 30-40% меньше чем у бермудского. Математическая теория показывает, что наилучшей формой паруса при заданном удлинении является эллиптическая, с плавно скругленными углами.
Из анализа влияния формы паруса в плане видно в частности, что для тех туристских судов, которые не предназначены для плавания под парусом против ветра, оптимальным является низкий четырехугольный парус, например, рейковой конструкции. Такой парус обеспечивает наивысшую тягу на полных курсах.
На рис 3.13 (его нет!) поляры бермудских парусов с одинаковым пузом, но разным удлинением, показаны в увеличенном масштабе. Мы видим, что абсолютный максимум подъемной силы у них один, но при большом удлинении он достигается на меньших углах атаки и с меньшим лобовым сопротивлением, т.е. с большим аэродинамическим качеством. Если удастся заставить парус работать с углом атаки 10°, мы получим максимальное аэродинамическое качество паруса, и тяга высокого грота при этом угле атаки будет на 20% выше, чем низкого. Более реальна работа с углом атаки 15°, но и тогда высокий грот дает преимущество в 7%. Если же сравнивать режимы максимальной подъемной силы, то у высокого паруса он осуществляется при силе лобового сопротивления на 25% ниже чем у низкого. Зато с высоким парусом судно лучше пойдет в лавировку против ветра, чем с низким равной площади.
Из предыдущего рассуждения следует, что для лавирующих судов следует конструировать паруса с большим удлинением – чем выше, тем лучше. Это было бы так, если бы не было связано с рядом затруднений. Во-первых, все-таки и с попутным ветром приходится ходить. Во-вторых, высокий парус требует прочного высокого, а следовательно тяжелого и развитого такелажа, что нежелательно для транспортабельных судов. И в третьих, у высоких парусов ухудшается аэродинамическое качество за счет скручивания. Дело в том, что в большинстве конструкций парусов управление углом атаки осуществляется путем установки направления гика, на котором крепится нижняя шкаторина паруса. Остальная поверхность его устанавливается более или менее в соответствии с направлением гика, благодаря жесткости конструкции паруса. Однако, парус не может быть абсолютно жестким, и верхняя часть паруса под действием силы ветра в той или иной мере отклоняется под ветер, стремясь уменьшить угол атаки и стать во флюгерное положение. Если не принимать мер борьбы с этим скручиванием, оно может оказаться очень значительным и определить общий характер внешнего вида паруса, который иногда наблюдается на художественных картинах и рисунках, где паруса часто бывают изображены в форме характерных восьмерок. При наличии скручивания приходится нижнюю часть паруса ставить под углом атаки, гораздо большим оптимального, чтобы верхняя часть начала работать без заполаскивания.
Трудность обеспечить нескручиваемость высоких парусов ограничивает стремление к удлинению паруса, выгодному с точки зрения аэродинамики.
Нет надобности доказывать, что ветер действует не только на паруса, но также на корпус судна, экипаж, на все снасти и предметы, находящиеся в потоке обтекающего судно ветра. Действие ветра на парус мы рассматривали выше и видели, что оно может быть сведено к двум силам: лобовому сопротивлению и подъемной силе. Благодаря специфической форме паруса эти силы изменяются в широких пределах в зависимости от ориентации паруса относительно ветра. Остальные объекты, находящиеся в ветровом потоке, обычно не имеют специально выбранной аэродинамической формы. Поэтому мы можем смело принять, что воздействие ветра на них ограничивается силой лобового сопротивления, которая стремится сдвинуть предмет прямо по направлению ветрового потока.
Для туристских парусных судов, имеющих относительно малую площадь парусов, влияние дополнительного (паразитного) сопротивления судна весьма велико. Оно почти всегда является вредным фактором. Следует всеми мерами стараться снизить паразитную парусность судна.
Известно только два случая, когда влияние корпуса может оказать полезное воздействие на ход судна. Если на острых курсах нижняя шкаторина паруса располагается низко над палубой, корпус перекрывает щель между парусом и поверхностью воды, что приводит к прекращению перетекания воздуха вокруг нижней шкаторины и к заметному возрастанию подъемной силы паруса. На однокорпусных парусных судах прирост подъемной силы может даже оказаться существеннее, чем паразитное сопротивление судна. Из наличия этого эффекта исходит рекомендация ставить паруса как можно ниже над палубой и располагать экипаж и груз на судне по возможности так, чтобы он перекрывал щель между гиком и палубой.
Другой способ полезного использования добавочного сопротивления очевидна: на курсах фордевинд и бакштаг при не слишком сильном ветре экипаж и снаряжение располагаются так, чтобы максимально увеличить общую парусность судна.
В остальных условиях влияние корпуса, экипажа и оборудования судна сводится к добавлению к аэродинамическим силам паруса силы паразитного сопротивления судна. Поэтому эффективность парусного вооружения с учетом паразитного сопротивления можно характеризовать теми же полярами паруса, но сдвинутыми на определенную величину вправо.
Паразитное сопротивление наиболее распространенных туристских судов может составлять более 50% суммарного сопротивления судна. При этом наибольшую долю составляет для многокорпусников сопротивление корпуса, а для швертботов – сопротивление экипажа. Сопротивление корпуса может быть уменьшено только конструктивными приемами – уменьшение длины, ширины и высоты борта, а также применением обтекателей, скрывающих детали конструкции. Эти приемы отрицательно сказываются на эксплуатационных свойствах судна, а уменьшение размерений противоречит требованиям мореходности. Поэтому соотношение размеров корпуса и площади парусности определяется как компромисс между требованиями ходкости и мореходности в зависимости от условий плавания судна: для морских условий строят суда с относительно более развитым корпусом и меньшей парусностью, чем для речных условий.
Сопротивление экипажа, напротив, является величиной, которую можно изменять в широких пределах непосредственно в плавании. Если принять за исходный случай, когда экипаж откренивает судно, сидя на палубе наветренного борта, то в лежачем положении сопротивление экипажа уменьшается втрое, а убирая экипаж в кокпит швертбота, можно почти совсем свети его к нулю. Эти приемы дают на лавировке такой же выигрыш, как все усовершенствования, которые мыслимы для улучшения работы паруса. В наименьшей мере можно снизить сопротивление экипажа катамаранов и тримаранов, не имеющих кокпита, но здесь рациональная конструкция обвесов и рубки–убежища обтекаемой формы позволяет добиться положительного эффекта.
По сравнению с корпусом и экипажем, сопротивление такелажа невелико, если он ограничен необходимым минимумом снастей. Поэтому применять сложные конструктивные приемы для того, чтобы, например, провести фалы внутри мачты, видимо, нецелесообразно. Достаточно обеспечить хорошее натяжение всех снастей и прилегание их к рангоуту. Из числа специальных приемов можно рекомендовать проводку грота-фалов внутри мачтового кармана грота, если грот крепится к мачте посредством кармана. Туда же можно убрать и стаксель-фал при топовой постановке стакселя.***
Значительный выигрыш дает применение стакселя, передняя шкаторина которого играет роль штага, по сравнению со стакселем, крепящемся к штагу раксами. Этот выигрыш обусловлен не только ликвидацией лобового сопротивления штага, но также улучшением условий работы самого стакселя в невозмущенном воздушном потоке.
Однако нужно отдавать себе отчет в том, что увеличение числа снастей такелажа сверх необходимого минимума (проводка флага-фалов, дублирующих вант, бакштагов, ахтерштага) могут существенно увеличить сопротивление такелажа, особенно если эти снасти недостаточно сильно обтянуты и вибрируют в ветровом потоке. Во всех случаях следует бороться с вибрацией снастей, которая приводит к росту их воздушного сопротивления.
До сих пор мы рассматривали возникновение сил на парусе без учета того, что парус расположен на судне и эти силы действуют в конечном счете на судно. В зависимости от положения паруса и направления ветра аэродинамическая сила паруса может быть направлена под любым углом к продольной оси корпуса, вдоль которой должно двигаться судно. Поэтому не вся аэродинамическая сила паруса соответствует движению судна по курсу (см. рис. 3.15).
Рис. 3.15.
Та ее часть, которая направлена вдоль оси корпуса, вносит прямой непосредственный вклад в движение и называется силой тяги (Fт). Та часть, которая направлена перпендикулярно оси, приводит к сносу поперек курса (дрейфу) и называется силой дрейфа (Fд). Эта сила приводит также к крену судна и поэтому еще называется силой крена. Величина этих сил определяется углом, под которым направлено судно относительно ветра (β – угол ветра) и углом, под которым установлен парус относительно ветра (α – угол атаки). В свою очередь, угол атаки определяется углом, под которым установлен парус относительно диаметральной (осевой) плоскости судна (γ – угол установки паруса). α + γ = β
Кроме аэродинамических сил паруса на судно действует также сила лобового сопротивления корпуса Fс , которая также дает дополнительный вклад в силу дрейфа Fд‘, и в силу тяги Fт”. Сопротивление корпуса всегда увеличивает силу дрейфа, а вклад в тягу может быть как положительным, так и отрицательным. Сопротивление корпуса в дальнейшем будет учитываться как дополнительная часть в лобовом сопротивлении паруса: Fх = X + Fс
Влияние аэродинамических сил на движение судна зависит от его положения относительно ветра, или направления движения судна (курса). Различают следующие курсы парусного судна по их соотношению с направлением ветра (см. рис. 3.16). Курс фордевинд характеризуется совпадением направления движения судна и ветра. Курс бакштаг соответствует ветру, дующему сзади-сбоку (угол ветра от 90˚ до 180˚). На курсе галфвинд ветер дует сбоку. При курсе бейдевинд ветер дует сбоку-спереди (угол ветра менее 90˚). На курсах бейдевинд и бакштаг различают острые и полные курсы в зависимости от величины угла ветра. В тех случаях, когда ветер дует почти прямо с носа судна (угол ветра менее 30˚), паруса не могут обеспечить эффективного движения судна: такое положение судна относительно ветра называется левентик.
Рис. 3.16.
При этом нужно учесть, что, поскольку судно движется, на паруса действует поток воздуха, обусловленный как ветром, так и собственным движением судна. Этот поток называется вымпельным ветром; именно относительно него и рассматриваются курсы судна.
Легче всего представить себе действие парусов на курсе фордевинд. При этом сила тяги совпадает с силой лобового сопротивления. Следовательно для получения максимальной скорости необходимо поставить паруса в положение максимального лобового сопротивления. Как видно на полярах парусов, почти всегда такое положение соответствует расположению паруса поперек курса и поперек ветра. Впрочем, небольшие отклонения от поперечного расположения паруса мало влияют на величину силы тяги, но приводят к возникновению силы дрейфа.
Дрейф отрицательно сказывается на скорости судна, так как приводит к увеличению гидродинамического сопротивления корпуса. Поэтому возникновению аэродинамической силы дрейфа следует всячески противодействовать. При многопарусном вооружении на курсе фордевинд паруса следует располагать «бабочкой», по разные стороны от продольной оси судна так, чтобы они перекрывали возможно больше сечение ветрового потока, а возникающие на них силы дрейфа компенсировали бы друг друга.
Работа парусов на курсе бакштаг мало отличается от фордевинда. Оптимальное положение парусов следует выбирать из двух возможностей: поперек направления ветра и поперек направления курса. В первом случае лобовое сечение паруса будет наибольшим и аэродинамическая сила достигнет максимума, но она будет иметь вредную компоненту, приводящую к дрейфу. Во втором случае суммарное усилие на парусе может оказаться несколько меньше, но оно целиком будет создавать полезную силу тяги.
На курсе галфвинд ветер дует поперек направления судна, поэтому сила тяги образуется только за счет подъемной силы парусов. Аэродинамическое сопротивление образует силу дрейфа, которая приводит к вредному крену судна, смещению под ветер и ухудшению условий обтекания подводной части корпуса. Таким образом, на галфвинде существенным становится аэродинамическое качество судна: подъемную силу паруса необходимо всячески повышать, а силы сопротивления – снижать.
Чрезвычайно важным вопросом на галфвинде становится выбор угла установки паруса. Именно на этом курсе (при слабом ветре) можно часто наблюдать, как два одинаковых судна, идущих рядом в одном направлении, имеют скорости, различающиеся чуть ли не вдвое потому, что одно из них несёт паруса слишком выбранными (под слишком большим углом атаки). На рис 3.5 в разделе 3.1 было показано, насколько сильно меняется подъёмная сила в зависимости от угла атаки. При галфвинде подъёмная сила и является силой тяги по курсу, так что величину её можно непосредственно определить по полярам. Такое исследование показывает, что бермудский парус развивает максимальную тягу при установке паруса около 75˚ к диаметральной плоскости, что соответствует углу атаки в 15˚. При этом тяга составляет около 95% от максимальной результирующей аэродинамической силы на парусе. Такая постановка паруса возможна только при отсутствии вант. На мачте с вантами минимальный угол атаки будет около 30˚. При этом сила тяги также достаточно велика – до 80% максимальной. Но при дальнейшем увеличении угла атаки за счёт выбирания паруса к диаметральной плоскости судна сила тяги существенно падает, доходя до 40% при угле атаки 60˚. Одновременно стремительно возрастает сила дрейфа – от 30% до 80% максимальной аэродинамической силы. Из такого рассмотрения мы должны сделать вывод, что на галфвинде (также как и на остром бакштаге) грот должен быть растравлен до вант, но так, чтобы ванты не сильно искажали его профиль, что само по себе ведёт к снижению аэродинамического качества паруса.
Курс бейдевинд является самым важным для оценки качества парусного вооружения. Как видно из рис. 3.15, на этом курсе только часть подъемной силы Y создает тягу Fт, в то время как другая ее часть входит в силу дрейфа. Аэродинамическое сопротивление как корпуса Fс, так и паруса X оказывают вредное влияние не только тем, что приводят к крену и дрейфу судна, но и тем, что создают силы противотяги, которые вычитаются из тяги парусов. Обычным является превышение суммарной силы дрейфа Fрс над суммарной силой тяги Fтс. Вопрос о том, почему же все-таки судно движется вперед, в сторону меньшей силы, а не в бок, в сторону большей силы, мы отложим на потом (см. разделы 3.2 и 3.3), а пока примем это как факт и рассмотрим, каким способом можно увеличить необходимую для движения силу тяги.
Поскольку подъемная сила дает положительный вклад в тягу, а лобовое сопротивление – отрицательный, их отношение, называемое аэродинамическим качеством, напрямую характеризует тяговые возможности парусного вооружения, и все, что было сказано о повышении качества паруса в разделе 3.1.3 способствует ходкости судна на бейдевинде. Не менее важным фактором является угол установки паруса, который выбирается экипажем в процессе плавания.
На рис 3.19 и 3.20 показана раскладка аэродинамических сил на курсе крутой (острый) бейдевинд (угол ветра β ≈ 45°), при котором типичное туристское судно лавирует наиболее эффективно. На первом рисунке угол атаки паруса α = 15°. При этом подъемная сила Y максимально, а сила лобового сопротивления X близка к минимуму. С учетом дополнительного сопротивления Fx‘, результирующая аэродинамическая сила R направлена примерно под углом 60° к курсу. В итоге сила тяги Fт равна 50 % подъемной силы, а сила дрейфа Fд - около 90%.
На втором рисунке изображен случай, когда парус поставлен слишком круто, образуя угол атаки 30°. При этом величина подъемной силы Y уменьшилась всего на 10%, но существеннее то, что увеличилась более чем вдвое сила лобового сопротивления X. По этой причине результирующая аэродинамическая сила R направлена теперь под углом около 75° к курсу, и сила тяги составляет всего 20% от возможного максимума подъемной силы, т.е. снизилась по сравнению с предыдущим случаем в два с половиной раза.
Это рассмотрение показывает, что на бейдевинде незначительные перемещения паруса могут приводить к радикальным изменениям величины силы тяги. Искусство рулевого состоит в том, чтобы обеспечивать ее максимальное значение в течение всего плавания. Поскольку обычные мягкие паруса при углах атаки менее 15° практически не работают, так как начинают заполаскивать, то в оптимальном положении парус находится на грани заполаскивания, а дальнейшее выбирание шкотов приводит к потере силы тяги.
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:
FR H = P l
где - FR - 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:
Механизм возникновения сил гидродинамического сопротивления корпуса в целом аналогичен механизму аэродинамических сил лобового сопротивления паруса, рассмотренных в разделах 3.1.2 и3.1.3. Они могут быть разложены на три составляющих: силы трения, силы вихреобразования и силы волнообразования. Лишь последняя составляющая не находит аналогий в теории паруса, поскольку в воздушном потоке отсутствует граничная поверхность, на которой бы возникали волны, подобные волнам на поверхности воды.
3.2.2.1. Трение
Так же как и при обтекании воздушным потоком паруса, при движении корпуса судна в воде вокруг него образуется слой жидкости как бы прилипающий к поверхности корпуса (пограничный слой). В пределах этого слоя скорость частиц воды изменяется от нуля до скорости судна, и происходит трение слоёв жидкости друг о друга. Течение жидкости в пограничном слое в зависимости от условий обтекания может быть ламинарным, когда струи воды плавно огибают корпус, либо турбулентным, при котором возникают перемешивающиеся потоки, микроскопические вихри, и толщина пограничного слоя значительно увеличивается. Трение при ламинарном обтекании гораздо ниже чем при турбулентном. Его величина и условие перехода ламинарного обтекания в турбулентное характеризуется числом Рейнольдса Re аналогично тому, как мы это видели в теории паруса. Применительно к корпусу судна справедливы те же расчёты, которые мы делали для паруса (раздел 3.1.3.1), если в них изменить характерную скорость обтекания и размер обтекаемого профиля, а вязкость воздуха заменить на вязкость воды. Характерные скорости V парусных туристских судов редко превышают 10 км/час, или 3 м/сек. Длина корпуса по ватерлинии находится в пределах 5 м. Вязкость воды ν = 1,2 ∙ 10-6 м2/сек. Эти значения параметров дают величину числа Рейнольдса Re = VL/ν около 1∙106. Судя по рис. 3.9, именно в этой области происходит переход ламинарного течения в турбулентное, при котором коэффициент трения возрастает в 6 раз. Конкретная точка перехода определяется формой и гладкостью корпуса. Опыты показывают, что при зеркально гладком корпусе ламинарное обтекание сохраняется до скоростей, соответствующих Re = 5∙106, что наблюдается при 4,5 км/час для судна пятиметровой длины и 6 км/час для трехметрового судна.
Реальные материалы, из которых изготавливают оболочку корпуса, не обладают «зеркальной» гладкостью, поэтому в большинстве случаев в пограничном слое существует две области: передняя часть корпуса обтекается ламинарно, а задняя – турбулентно. Хорошие результаты дает оболочка «гладкая на ощупь», т. е. такая, шершавость которой не ощущается рукой. Использование в качестве оболочки грубых тканей, не имеющих пленочного покрытия, с этой точки зрения, не может быть рекомендовано: такая оболочка турбулизует обтекающий поток уже на первом метре от носа судна.
За счет выбора материала корпуса и его аккуратного изготовления можно снизить коэффициент сопротивления в два раза. На малых скоростях, когда нет заметного волнообразования, это ведет к прямому увеличению скорости судна. Поскольку сила трения пропорциональна квадрату скорости Fтр = ½ κ ρ V2 S (здесь κ – коэффициент трения, ρ – плотность воды и S – смоченная поверхность), то снижение κ вдвое приведет к увеличению V на 70%. Иначе говоря, гладкое судно на легком бризе вместо скорости 2 км/час будет иметь 3,5 км/час.
Из указанной выше формулы также следует, что сила трения тем ниже, чем меньше смоченная поверхность S. Поскольку эта величина снижается при приближении формы ватерлиний к окружности, она значительно меньше у швертботов, чем у многокорпусников с вытянутыми корпусами. Так, площадь смоченной поверхности швертбота типа «Мева» можно оценить величиной 1,5 м2, а катамарана с поплавками 5 м – величиной 2 м2. Эта разница ведет к пропорциональному преимуществу в скорости швертботов при слабом ветре, которое еще усиливается тем, что у швертбота легче добиться ламинарного обтекания по всей смоченной поверхности.
3.2.2.2. Волнообразование
Двигаясь по поверхности воды, судно смещает ее массы из равновесного положения: нос судна раздвигает водную среду в стороны; при этом часть воды смещается вверх, освобождая пространство, которое занимает корпус судна. В районе кормы происходит обратный процесс: освобожденное корпусом пространство заполняется водой, которая приобретает при этом горизонтальную скорость, направленную к оси судна, а также вертикальную скорость, направленную вверх. Оба процесса смещения воды приводят к образованию волн – носовой волны и кормовой волны. С определенным огрублением эту картину можно представить таким образом, что нос судна все время въезжает на носовую волну, двигаясь как бы в гору, а корма оставляет за собой впадину, в которую ее тянет назад часть веса, не имеющая опоры. При этом и нос и кормы как бы находятся на наклонной поверхности и часть веса судна, направленная вдоль этой поверхности вниз, тормозит движение. Действие этих сил и объясняют механизм волнового сопротивления.
На образование носовой и кормовой волн уходит часть энергии, получаемой судном от паруса. Вложенная в волну энергия рассеивается по поверхности воды системой волн, расходящихся в стороны от судна и остающиеся за кормой (см. рис. 3.30).
Расходящиеся волны представляют собой серию гребней, фронт которых развернут примерно под углом 20° к курсу судна независимо от его скорости. Скорость фронта расходящихся волн Vф ≈ V sin20° ≈ 0,3 V, где V – скорость судна.
Поперечные волны распространяются в пределах конуса расходящихся волн со скоростью равной скорости судна. Длина волн жестко связана с их скоростью формулой λ = 0,64 V2. Кормовые волны обычно бывают заметно ниже носовых, что объясняется потерей части энергии на трение и вихреобразование при обтекании корпуса. В районе кормы, из-за взаимодействия с корпусом, вода частично уже движется вместе с судном, так что волны образуются не так интенсивно. Расходящиеся волны обычно намного круче и короче поперечных.
При скоростях движения, характерных для туристских парусных судов, на длине корпуса помещается несколько длин поперечной носовой волны. В зависимости от соотношения длины волны и длины корпуса меняется характер взаимодействия носовой и кормовой поперечных волн. В тех благоприятных случаях, когда впадина одной волны приходится на гребень другой, происходит их взаимное погашение, след судна становится более спокойным, и волновое сопротивление относительно снижается. Наоборот, совпадение гребней носовой и кормовой волн является неблагоприятным событием. Особенно оно неблагоприятно, когда длина волны сравнивается с длиной корпуса. При этом наступает настолько резкое усиление волнообразования и повышение сопротивления движению, что практически эта ситуация является предельной для увеличения скорости судна в режиме водоизмещающего плавания. Типичное разборное парусное судно длиной 4 – 5 м не может превзойти предел скорости 5 узлов (9 км/час). При этом, чем длиннее корпус, тем выше достижимая для судна скорость. Поэтому при сильных ветрах катамараны с узкими и длинными корпусами имеют преимущество перед швертботами. Это преимущество обусловлено не только большим значением предельной скорости, но также и меньшим коэффициентом волнообразования, так как узкий корпус в меньшей степени раздвигает воду и образует менее значительные волны.
Из теории волн известно, что энергия волны пропорциональна квадрату ее высоты h2. В такой же мере от высоты волны зависит и сила сопротивления. В свою очередь высота носовой волны определяется тем расстоянием, на которое нужно отбросить воду при движении судна – шириной корпуса. Следовательно, можно считать, что сопротивление пропорционально квадрату ширины судна (при одной и той же скорости). Корпус байдарки шириной 0,8 м испытывает в 4 раза меньшее сопротивление волнообразованию, чем швертбот шириной 1,6 м. Поплавок катамарана шириной 0,4 м встречает сопротивление волнообразованию в 16 раз меньшее (конечно, при условии движения без дрейфа, строго вдоль осевой линии).
Правда, всё это относится к сопротивлению одиночного корпуса, а у многокорпусников обычно два корпуса одновременно находятся в воде и волнообразование на них происходит совместно. Из этого следует, что силу сопротивления нужно умножить на 2. Но и в таком случае преимущество узкокорпусных судов остаётся очевидными. Это преимущество наблюдается в том случае, когда каждый из корпусов образует волну независимо от другого. Если волны, возникающие у корпусов, складываются друг с другом, их суммарная энергия и сопротивление растет также в квадратной зависимости. Поэтому если бы волны целиком совпадали друг с другом, их высота возросла бы в 2 раза, а сопротивление – в 4 раза. Но как мы видели выше, волны образуются только в пределах довольно узкого конуса, и при широко разведенных корпусах накладываются друг на друга только частично.
В тех случаях, когда волновые конусы пересекаются сзади кормы судна, мы можем считать, что их взаимодействие не сказывается на характере обтекания корпусов и не влияет на волновое сопротивление. Иными словами, для получения всех преимуществ узкокорпусного катамарана его корпуса должны быть разведены на такое расстояние, при котором волновые конусы пересекаются за кормой. Оценка показывает, что для этого необходимо обеспечить расстояние между осями корпусов примерно равное их длине. Это сопряжено со значительными конструкционными сложностями и практически никогда не реализуется для туристских судов. Реально туристские катамараны из-за взаимодействия волновых систем от двух корпусов не обеспечивают максимально возможного снижения волнового сопротивления. Но при конструировании судна нужно стараться по возможности сильнее развести корпуса друг от друга. Обычно считается удовлетворительным решением развести корпуса на половину их длины. При меньшем расстоянии каждый корпус входит в пределы волнового конуса другого корпуса, волны накладываются друг на друга, и все судно начинает гнать волну как монолитная конструкция.
Конструкция тримарана должна также удовлетворять требованию достаточного расстояния между основным корпусом и откренивающим поплавком. Но поскольку тримаранный поплавок обычно гораздо уже основного корпуса, он вызывает не столь сильное волнообразование, и взаимодействие волн менее значительно, чем у катамаранов. Если откренивающий поплавок намного короче основного корпуса, то появляется возможность влиять на волнообразование выбором места расположения коротких поплавков – около середины корпуса. При смещении поплавков к носу будет происходить увеличение волнообразования за счет сложения носовых волн. При смещении к корме будут складываться кормовые волны, что не так вредно, но нежелательно. При центральном расположении поплавков наоборот поперечные волны основного корпуса будут уменьшаться за счет наложения на них в противофазе поплавковых волн при режиме максимальной скорости, когда длина волны сравнивается с длиной основного корпуса. Это будет способствовать относительному снижению волнообразования и достижению судном более высокой скорости при достаточно сильном ветре.
Как мы видели при рассмотрении аэродинамики паруса, кроме силы тяги, направленной вдоль оси судна, ветер обычно вызывает появление силы дрейфа, направленной вбок. Часто сила дрейфа намного превосходит тягу, однако хорошее парусное судно не должно иметь заметного дрейфа (т.е. смещаться под ветер относительно направления корпуса). У классических спортивных судов это достигается тем, что корпус, имеющий значительное удлинение, оказывает гораздо меньшее сопротивление движению вдоль своей оси, чем поперек. При этом боковое сопротивление корпуса увеличивают приданием ему специальной формы с глубоко опущенным килем.
Современная практика яхтостроения показала, что задачу создания бокового сопротивления и противодействия дрейфу целесообразно решать с помощью устройства плавниковых элементов, которые собственно не являются частью корпуса. Такое решение представляется единственно возможным для разборных парусных судов, поскольку еще не предложено приемлемой схемы разборного судна с глубоко погруженным конструктивным килем. В действительности на всех разборных парусных судах борьба с дрейфом обеспечивается опусканием в воду крыловидных плавников (шверта или шверцев), плоскость которого примерно параллельна диаметральной плоскости судна.
Действие шверта полностью подобно работе крыла, поставленного вертикально. От работы паруса оно отличается только тем, что шверт имеет жесткую форму, которая не зависит от силы набегающего потока. Поэтому для усвоения дальнейшего материала полезно повторно рассмотреть разделы, посвященные аэродинамике паруса.
Под действием суммарной аэродинамической силы, имеющей как составляющую силы тяги, так и составляющую силы дрейфа, судно должно приобрести определенную скорость как по направлению оси судна, так и в перпендикулярном направлении. Следовательно шверт, находящийся в диаметральной плоскости, окажется в потоке воды, набегающем на него, с определенным углом атаки δ (угол дрейфа).
Этот угол определяется численным равенством силы дрейфа и подъемной силы шверта, которая может быть определена по поляре крыла. При малых углах дрейфа подъемная сила, возникающая на шверте симметричного профиля, может быть выражена формулой
F = ½ (ρ V2) C1у δ S , где ρ – плотность воды, V – скорость судна, C1у - коэффициент прироста силы на один градус угла атаки шверта, δ – угол дрейфа, S – площадь шверта.
Принимая во внимание, что эта сила уравновешивает силу дрейфа D, получим следующую формулу для угла дрейфа: δ = 2D/(ρ V2 C1у S) (*). Иными словами: угол дрейфа прямо пропорционален силе дрейфа и обратно пропорционален площади шверта и квадрату скорости. Эффективность шверта кроме того определяется коэффициентом C1у , связанным с коэффициентом подъемной силы простым соотношением Cу = C1у δ . Из полученной формулы следует, что угол дрейфа сильно зависит от скорости судна. Поэтому площадь шверта, достаточно обеспечивающая противостояние дрейфу на максимальных скоростях данного судна, оказывается недостаточной при слабых ветрах. Однако увеличение площади шверта не только утяжеляет конструкцию судна, но и приводит к повышению его гидродинамического сопротивления, которое особенно на малых скоростях прямо зависит от площади смоченной поверхности. Повышенное лобовое сопротивление шверта в свою очередь снижает скорость судна и следовательно может привести к росту дрейфа.
На практике площадь шверта выбирается как компромисс между тремя факторами: вес судна, необходимая подъемная сила и дополнительное лобовое сопротивление. Поскольку шверт должен компенсировать силу дрейфа D, пропорциональную площади лавировочных парусов, площадь шверта выбирается как определенная доля от площади парусности судна. Считается, что достаточным является шверт площадью погруженной части в 5% от площади лавировочных парусов, (во всяком случае он должен быть не менее 3%). Так для 10-метровой парусности площадь шверта – 0,5 кв.м. Такая величина шверта определяется тем, что гидродинамические силы при прочих равных условиях значительно больше аэродинамических сил, пропорционально отношению плотности воды (ρводы ≈ 1 г/см3 ) к плотности воздуха (ρвоздуха ≈ 0,0013 г/см3 ), т.е. в 800 раз. Однако при этом характерная скорость ветра (10 м/сек) в 3 раза превышает характерную скорость набегающего потока воды (8 м/сек), что приводит к уменьшению гидродинамических сил в 10 раз. С учетом этого мы можем взять площадь шверта в 20 раз меньше площади паруса и получить силу на нем в 4 раза больше силы тяги паруса при равном коэффициенте подъемной силы Cу . Равенство сил на парусе и шверте наступит тогда, когда угол атаки шверта (равный углу дрейфа) снизится в 4 раза по сравнению с углом атаки паруса и будет находиться в пределах до 5°, что является вполне приемлемым дрейфом на острых углах.
Увеличить подъемную силу шверта и, следовательно, уменьшить его площадь можно путем выбора оптимальной формы, обеспечивающей высокий коэффициент Cу . Как мы видели в разделе о подъемной силе паруса, этот коэффициент при малых углах атаки зависит от формы в плане (удлинение) и формы профиля в разрезе.
Оптимальный профиль шверта может быть выбран по специальным гидродинамическим атласам, но в практике самостоятельного изготовления трудно соблюсти требуемую форму. Однако достаточно хорошие результаты дает соблюдение нескольких простых условий:
а) Профиль шверта должен быть достаточно полным (аналогично пузу паруса). Толщина профиля – от 5 до 10% хорды.
б) Передняя кромка должна плавно соединять боковые поверхности без каких-либо резких изломов и острых граней.
в) Сечение профиля должно иметь каплевидную форму с максимальной толщиной, смещенной вперед. Поверхность шверта в каждой точке должна быть выпуклой, без провалов и вмятин.
г) Задняя кромка должна сходить на нет, но особенно заострять ее нет необходимости.
На многих спортивных парусных судах можно видеть шверты, изготовленные из одного тонкого листа фанеры или дюраля. Это, видимо, наихудший профиль. Его использование оправдывается исключительно простотой изготовления.
Форма шверта в плане должна характеризоваться достаточным удлинением.
Значительная подъемная сила при углах атаки менее 5° появляется при удлинении 3 и выше. При этом только за счет перехода от удлинения 3 к удлинению 5 можно увеличить подъемную силу, противодействующую дрейфу на 30% или соответственно снизить угол дрейфа.
Обтекаемое каплевидное сечение и достаточное удлинение шверта не только увеличивает его подъемную силу, но и снижает лобовое сопротивление. Особенность обтекания плавниковых элементов состоит в том, что за счет малой длины обтекающих профиль струй возникает реальная возможность добиться ламинарного потока на большинстве режимов движения. Рассматривая обтекание корпуса и парусов, мы уже отмечали, что ламинарное обтекание характеризуется гораздо меньшей величиной сопротивления, чем обычно наблюдаемое турбулентное. Опыты на моделях яхт показали, что в этих условиях сопротивление шверта может составлять всего лишь 10% от сопротивления корпуса, хотя разница площади смоченной поверхности вовсе не столь велика. (Шверт площадью 0,5 м2 имеет смоченную поверхность 1 м2 , а днище корпуса – 2–3 м2 ). Поэтому следует всячески заботиться о гладкой поверхности шверта, особенно в передней его части. Наличие зазубрин, выбоин, выступающих заклепок в районе передней кромки нарушает ламинарное обтекание и приводит к сильному росту сопротивления шверта.
Дополнительного снижения угла дрейфа можно добиться за счет несимметричности плавников. Действительно, если в условиях, когда шверт обеспечивает угол дрейфа 5°, его поставить не параллельно плоскости симметрии судна, а с углом атаки к курсу, равным также 5° в наветренную сторону, то корпус судна будет двигаться строго по курсу без дрейфа. Реализовать этот эффект можно, применяя шверт, качающийся вокруг вертикальной оси на 2-3° в стороны.
Другой способ используют на судах, оборудованных двумя шверцами. Их часто делают не с каплевидным сечением, а имеющими профиль самолетного крыла с выпуклой поверхностью, обращенной к борту, и плоской – снаружи. На каждом галсе работает только подветренный шверц, а наветренный выбирается из воды. При таком профиле шверц имеет заметную подъемную силу уже при нулевом угле атаки и может обеспечить движение судна без дрейфа.
Стараясь повысить эффективность швертов, следует помнить, что они создают силу, противостоящую дрейфу, только при наличии достаточной скорости. Но для парусного судна во многих случаях важно избавиться от дрейфа именно при малой скорости. На острых курсах сила тяги составляет только небольшую часть общей аэродинамической силы, поэтому судно не может развить значительной скорости. К тому же при поворотах оверштаг, необходимых для лавировки, легкое судно практически совсем останавливается и должно набирать скорость заново каждый раз. В этих условиях дрейф достигает значительных величин, и шверт должен работать при больших углах атаки. Если же обратиться к полярам, рис. 3.11, то мы увидим, что при больших углах атаки влияние формы на эффективность шверта перестает быть существенным, а удлинение становится даже отрицательным фактором. При больших углах дрейфа, характерных для малых скоростей, эффективность шверта определяется исключительно его площадью. Поэтому улучшение гидродинамических свойств шверта не дает возможность снижать его размеры, но позволяет улучшать ходовые качества судна, которое будет ходить с меньшим углом лавировки и с большей скоростью. При недостаточной площади шверта могут наблюдаться случаи «зависания в дрейфе», когда судно на курсе бейдевинд с нормально поставленными парусами двигается, не набирая скорости, с углом дрейфа около 30° и не слушается руля. Для исключения таких эффектов важно заботиться о сохранении достаточной скорости: прежде, чем ложиться на надлежащий курс, следует набирать скорость, идя с потравленными парусами менее круто к ветру, и лишь потом приводиться до того курса, при котором еще не теряется скорость.
Все выше сказанное о гидродинамике шверта полностью применимо к работе пера руля. Боковая подъемная сила, возникающая на пере, также может вносить свой вклад в компенсацию силы дрейфа. Поэтому площадь пера руля также учитывается наряду с площадью самого шверта при расчете необходимых размеров шверта. При этом необходимо только обеспечить такую настройку судна, чтобы руль в нормальных условиях на прямом курсе создавал силу, направленную на уваливание судна. Это означает, что подъемная сила пера направлена на ветер и складывается с подъемной силой шверта, уменьшая дрейф судна. Соответственно, при конструктивном расчете создаваемого судна ему стремятся сообщить небольшую склонность к приведению, располагая точку приложения аэродинамических сил слегка сзади точки приложения гидродинамических сил – центра бокового сопротивления.
Снизить сопротивление пера руля можно, если исключить его работу с большими углами атаки. Основная функция руля – создавать дополнительную боковую силу, которая поворачивает судно на нужный курс. Эффективность действия руля определяется произведением силы на длину рычага к которому она приложена. Следовательно, выгодно располагать перо руля как можно дальше от центра бокового сопротивления судна: тогда необходимый для поворота момент сил возникает при меньшем угле атаки пера руля, меньшей подъемной силе и меньшем лобовом сопротивлении.
На однокорпусных судах это достигается автоматически, когда рулевой механизм укрепляют на транце или ахтерштевне. Конструкция катамаранов позволяет более свободно выбирать систему подвески руля. Рекомендация относить руль как можно дальше в корму должна быть одним из факторов, влияющих на выбор того или иного варианта общей схемы судна. Хорошая уцентрованность судна также является способом снижения сопротивления руля, который не нужно будет постоянно держать в отклоненном положении.
1.Слово «пузо» в парусном деле не имеет жаргонного характера, а является общепринятым техническим термином.
2.Удлинением называют отношение высоты паруса к его средней ширине.
*Правильнее сказать - кинетическая энергия потока. Ниже: точнее, давление является мерой энергии потока.
**В общем случае это не так, но здесь речь о невысоких скоростях движения, когда сжимаемость воздуха не играет роли.
***При необходимость двигаться под одним стакселем, а потом сбросить и его, при спущенном гроте может быть трудно быстро отдать фал, проходящий через собравшийся гармошкой карман грота.
- Г.Ш.
Рис. 3.30.
3.2.3. Гидродинамика плавниковых элементов