Сопротивление движению судна

Сопротивление движению судна

Корпус, движущийся в воде, испытывает сопротивление воды и воздуха, препятствующее его движению.

Сопротивление воды складывается из сопротивления трения, формы (вихревого) и волнового сопротивления. Если внимательно пронаблюдать за движущейся моделью, то можно заметить, что часть воды движется вместе с ней. Модель, даже если ее днище совершенно гладкое, во время движения сопровождает слой воды. При малых скоростях поток воды, обтекающий днище, имеет упорядоченное движение (это ламинарный поток), а при высоких скоростях — беспорядочное (турбулентный поток).

Закон, определяющий величину сопротивления трения, был получен Фрудом. Он установил, что сопротивление зависит от размеров подводной части корпуса, состояния наружной поверхности и пропорционально квадрату скорости. Более длинная подводная часть имеет меньшее удельное сопротивление, чем более короткая. Более шероховатая поверхность создает большее трение, чем более гладкая.

При повышении скорости не только значительно увеличивается сопротивление трения, но и образуются волны, на что затрачи вается ощутимая доля мощности. Это приходится учитывать при скоростях более 5—6 км/ч. Высота создаваемых волн в основном зависит от длины и щирины корпуса судна: более короткий корпус вызывает волны большей высоты, чем более длинный.

Величина вихревого сопротивления зависит от формы тела, способствующей образованию завихрений в потоке в кормовой части судна: завихрения уменьшают давление на корму судна и, следовательно, увеличивают сопротивление движению. Вихревое сопротивление возрастает с увеличением скорости.

Таким образом, сопротивление движению модели в воде пропорционально плотности среды (воды), поперечному сечению модели по мидель-шпангоуту, размерам и форме корпуса и состоянию его подводной поверхности, а также квадрату скорости. Для уменьшения сопротивления желательно, чтобы подводная часть корпуса по отношению к ширине была бы довольно длинной. Обводы, образующие нос, корму и среднюю часть корпуса, должны быть плавными, если нужно уменьшить возникновение волн и завихрений. Важно и состояние внешней поверхности корпуса: она должна быть совершенно гладкой.

Ветер тоже действует на корпус судна и его вооружение. Он вызывает сопротивление движению, хотя и в меньшей степени, чем вода. Для уменьшения воздушного сопротивления у моторных и спортивных моделей надводные формы корпуса делают обтекаемыми, а у парусных моделей и мачты должны иметь обтекаемое поперечное сечение, кроме того, на них, по возможности, уменьшают стоячий такелаж.

Наконец, нельзя забывать, что и судовые винты вызывают в воде вихревые потоки, которые накладываются на завихрения, вызываемые корпусом судна. Это увеличивает сопротивление движению ^. Необходимо следить, чтобы упор движителя модели совпадал с осью корпуса. В противном случае модель начнет двигаться под углом к диаметральной плоскости и сопротивление воды резко возрастет. Такое боковое движение называют дрейфом. Чтобы уменьшить его, многие корпуса выполняют с постоянными или выдвижными килями — швертами. Кили противодействуют боковому смещению и помогают удерживать судно на курсе.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДОВ

 

 

Любое волнообразование связано с безвозвратной потерей мощности двигателя. Для такого явления было найдено определение — сопротивление формы, поскольку понятие «волновое сопротивление» не выражает причину возникновения сопротивления. На всех кромках обтекаемого контура и у выступающих частей образуются вихри. Все конструктивные части катера, такие, как руль, кронштейн гребного вала, водоприемные козырьки, боковые кили, обусловливают весьма существенное частичное сопротивление и входят в понятие «сопротивление формы».

Значительная часть мощности двигателя затрачивается на преодоление важной части сопротивления — трения воды о корпус катера. Действительное сопротивление трения часто недоойенивается, и поэтому к нему относятся недостаточно внимательно. Доля трения в полном сопротивлении может быть легко рассчитана, во всяком случае, легче, чем сопротивление формы, но сопротивлению трения моторных катеров не придают серьезного значения. Из спортивных судов только гоночные парусные яхты составляют похвальное исключение, так как прилагается немало усилий, чтобы придать гладкость их подводной поверхности. Вода не может струиться вдоль стенки, не образуя значительного грения. Это характерно как для внутренних стенок водопроводной трубы, берегов русла реки или стенок канала, так и для омываемой наружной поверхности корпуса катера. Очевидно, трения оды часто не замечают по той причине, что оно не так отчетливо видно, как волнообразование. Кроме того, оно почти не зависит от формы катера, а обусловлено только размером смоченной поверхности и скоростью. Трение неизбежно, поскольку катер на ходу омывается водой.

Распространенным заблуждением является предположение об отсутствии трения у судна с очень гладким днищем. Полагают, что благодаря использованию современных красок для подводной части судна, к примеру краски с графитом, вода полностью отталкивается, так что нет площади для приложения силы трения. Неверно! Трение возникает всегда! Хотя у очень шероховатых поверхностей оно сильнее, чем у гладких, однако ни жир, ни графит, никакая высокоглянцевая политура не могут устранить грения воды или хотя бы значительно уменьшить его.

Лишь недавно добавкой химикалиев нашли возможность эказать влияние на способность воды создавать трение и уменьшать его. Сразу за форштевнем изменяется и перемешивается ровно идущий ламинарный поток воды. Завихренный поток воды вдоль корпуса катера, внутри того значительно повышается :опротивление трения, называют турбулентным.

Если удастся сохранить ламинарное обтекание потока по зозможно большей длине подводной части судна, то сопротивление грения уменьшится. Добавка полимеров (нитевидных молекул) i воде настолько сильно способствует ламинаризации потока здоль наружной обшивки, что в среднем исключается 30% сопротивления трения; при испытании модели было получено даже до 15% экономии. Разумеется, использование такого химического :редства для уменьшения сопротивления трения запрещено )рганизациями парусного спорта. Между тем известны результаты 1спытания, проведенного в 1968 г. на английском минном траль-цике «Хайбэтон». Из носовой части судна во время хода постоянно напускали очень слабый раствор полиоксиэтилена (1 : 100 ООО). Сопротивление трения катера благодаря этому уменьшалось ) зависимости от скорости и волнения на 22–36%. Экономия мощности двигателя или топлива составила 12–20%. Хотя поли-жсиэтилен — недорогой продукт, экономия топлива не покрыла расходов по использованию полимера.

В среднем половина мощности двигателя моторного катера используется на преодоление сопротивления трения. В области пика сопротивления, когда r = 5,25, доля трения снижается до /3 полного сопротивления, поскольку на волнообразование затрачивается большая часть сопротивления. При очень медленном движении во время дрейфа полное сопротивление практически целиком состоит из трения (рис. 17).

Рис. 17. Соотношение основных видов сопротивления. На очень малом ходу при R — 1 возникает только сопротивление трения. Резко поднимается большой пик сопротивления при R = 5,25; он зависит от усиления волнообразования, сопротивление от того составляет здесь Vs полного сопротивления. При наибольшем ходе до R = 20 волнообразование понижается настолько сильно, что сопротивление от него становится почти равным также значительно пониженному сопротивлению трения. Силуэты судов показывают соотношение типов катеров и значений относительной скорости R = v/VL.

1 — сопротивление формы; 2 — сопротивление треиня.

До сих пор говорилось о сопротивлении трения как о чем-то неизменном, но его действительное значение определяется состоянием подводной части судна. Чем больше ее шероховатость, тем сильнее трение воды. При обрастании днища трение может возрасти на 50 или даже 100% по сравнению с нормальным. В случае очень сильного обрастания трение иногда увеличивается даже в три раза по сравнению с трением при гладком днище.

Воздушное сопротивление в основном зависит от величины и формы надводной части судна, т. е. от корпуса катера с надстройками и соответствующего такелажа. В среднем оно составляет 2–3% полного сопротивления. Но это действительно лишь в идеальном техническом смысле, а именно, для безветренных дней, когда сопротивление воздуха возникает лишь от потока, образуемого движением катера, и таким вводится в расчет. При 30

сильном встречном ветре и даже шторме или очень высокой скорости судна возникает значительно большее воздушное сопротивление. Здесь рекомендуется упомянуть также о том, что ветер может в значительной степени помешать причаливанию и отчаливанию, поскольку во время выполнения этих маневров судно почти не имеет хода. Моторные катера в подобных условиях довольно часто получали повреждения.

Любое волнообразование связано с безвозвратной потерей мощности двигателя. Для такого явления было найдено определение — сопротивление формы, поскольку понятие «волновое сопротивление» не выражает причину возникновения сопротивления. На всех кромках обтекаемого контура и у выступающих частей образуются вихри. Все конструктивные части катера, такие, как руль, кронштейн гребного вала, водоприемные козырьки, боковые кили, обусловливают весьма существенное частичное сопротивление и входят в понятие «сопротивление формы». Значительная часть мощности двигателя затрачивается на преодоление важной части сопротивления — трения воды о корпус катера. Действительное сопротивление трения часто недооценивается, и поэтому к нему относятся недостаточно внимательно. Доля трения в полном сопротивлении может быть легко рассчитана, во всяком случае, легче, чем сопротивление формы, но сопротивлению трения моторных катеров не придают серьезного значения. Из спортивных судов только гоночные парусные яхты составляют похвальное исключение, так как прилагается немало усилий, чтобы придать гладкость их подводной поверхности. Вода не может струиться вдоль стенки, не образуя значительного трения. Это характерно как для внутренних стенок водопроводной трубы, берегов русла реки или стенок канала, так и для омываемой наружной поверхности корпуса катера. Очевидно, трения воды часто не замечают по той причине, что оно не так отчетливо видно, как волнообразование. Кроме того, оно почти не зависит от формы катера, а обусловлено только размером смоченной поверхности и скоростью. Трение неизбежно, поскольку катер на ходу омывается водой. Распространенным заблуждением является предположение об отсутствии трения у судна с очень гладким днищем. Полагают, что благодаря использованию современных красок для подводной части судна, например краски с графитом, вода полностью отталкивается, так что нет площади для приложения силы трения. Неверно! Трение возникает всегда! Хотя у очень шероховатых поверхностей оно сильнее, чем у гладких, однако ни жир, ни графит, никакая высокоглянцевая политура не могут устранить трения воды или хотя бы значительно уменьшить его. Лишь недавно добавкой химикалиев нашли возможность оказать влияние на способность воды создавать трение и уменьшать его. Сразу за форштевнем изменяется и перемешивается ровно идущий ламинарный поток воды. Завихренный поток воды вдоль корпуса катера, внутри которого значительно повышается сопротивление трения,   называют  турбулентным. Если удастся сохранить ламинарное обтекание потока по возможно большей длине подводной части судна, то сопротивление трения уменьшится. Добавка полимеров (нитевидных молекул) к воде настолько сильно способствует ламинаризации потока вдоль наружной обшивки, что в среднем исключается 30% сопротивления трения; при испытании модели было получено даже до 45% экономии. Разумеется, использование такого химического средства для уменьшения сопротивления трения запрещено организациями парусного спорта. Между тем известны результаты испытания, проведенного в 1968 г. на английском минном тральщике «Хайбэтон». Из носовой части судна во время хода постоянно выпускали очень слабый раствор полиоксиэтилена (1 : 100 000). Сопротивление трения катера благодаря этому уменьшалось в зависимости от скорости и волнения на 22—36%. Экономия мощности двигателя или топлива составила 12—20%. Хотя поли-оксиэтилен — недорогой продукт, экономия топлива не покрыла расходов по использованию полимера. В среднем половина мощности двигателя моторного катера используется на преодоление сопротивления трения. В области пика сопротивления, когда R = 5,25, доля трения снижается до 1/8 полного сопротивления, поскольку на волнообразование затрачивается большая часть сопротивления. При очень медленном движении во время дрейфа полное сопротивление практически  целиком состоит  из трения  До сих пор говорилось о сопротивлении трения как о чем-то неизменном, но его действительное значение определяется состоянием подводной части судна. Чем больше ее шероховатость, тем сильнее трение воды. При обрастании днища трение может возрасти на 50 или даже 100% по сравнению с нормальным. В случае очень сильного обрастания трение иногда увеличивается даже в три раза по сравнению с трением при гладком днище. Воздушное сопротивление в основном зависит от размера и формы надводной части судна, т. е. от корпуса катера с надстройками и соответствующего такелажа. В среднем оно составляет 2—3% полного сопротивления. Но это действительно лишь в идеальном техническом смысле, а именно, для безветренных дней, когда сопротивление воздуха возникает лишь от потока, образуемого движением катера, и таким вводится в расчет. При сильном встречном ветре и даже шторме или очень высокой скорости судна возникает значительно большее воздушное сопротивление. Здесь следует упомянуть также о том, что ветер может в значительной степени помешать причаливанию и отчаливанию, поскольку во время выполнения этих маневров судно почти не имеет хода. Моторные катера в подобных условиях довольно часто получали повреждения. Не имея хода, катер не слушается руля, оказывается во власти сильного ветра и попадает в трудное положение; его может нанести на стоянку других катеров, на  чужие  якорные цепи,  на  берег. Сравнивая три основные части полного сопротивления (рис. 18) — сопротивление формы, трения и воздуха, можно сделать полезный вывод: поскольку сопротивление воздуха, как и сопротивление трения, подчиняется в основном закону увеличения сопротивления пропорционально квадрату скорости, то для того чтобы в два раза увеличить скорость, необходимо преодолеть в четыре раза возросшее сопротивление. Но сопротивление формы зависит от особых закономерностей волнообразования. От самого малого хода до пика сопротивления при R = 5,25 сопротивление формы по отношению к скорости возрастает значительно больше, чем в квадрате. За пиком сопротивление формы увеличивается меньше,   чем   скорость   в   квадрате. Если на тихоходных катерах развить повышенные скорости, то катера окажутся в невыгодном положении, так как сопротивление их увеличится в значительной степени. Катера со средними скоростями (полуглиссирующие) будут иметь преимущество, поскольку у них сопротивление формы становится относительно меньшим с увеличением скорости. Однако не следует смешивать сопротивление с мощностью. По закону о квадратичном увеличении сопротивления при увеличении скорости в два раза возникает четырехкратное сопротивление (что в основном совершенно правильно). Однако это сопротивление нельзя преодолеть четырехкратно увеличенной мощностью двигателя, так как мощность равна именно сопротивлению, помноженному на скорость. Если сопротивление повышается в квадрате, то для получения мощности его необходимо еще раз помножить на скорость. Иными словами, мощность повышается в третьей степени — в кубе увеличения скорости. Удвоенная скорость возбуждает четырехкратное сопротивление, но при этом требуется  2X2x2 = 8-кратная  мощность двигателя!