Конечно, все замечали волны, которые расходятся в стороны от носа и
кормы идущего судна; хорошо видны и поперечные волны, перпендикулярные к
направлению движения судна. И расходящиеся и поперечные волны появляются
вследствие изменения давления воды вдоль корпуса судна во время его
движения.
Величина волнового сопротивления, которое приходится преодолевать судну
при движении, зависит от относительной скорости V/корень
квадратный из L, где V
- скорость судна в м/сек, L - длина по конструктивной ватерлинии в м.
В судостроении обычно вместо этой характеристики пользуются безразмерной
величиной - числом Фруда, которое отличается от приведенного отношения
введением под знак корня в знаменателе постоянной величины - ускорения
силы тяжести g = 9,81 м/сек2:
Fri=V/корень квадратный из
gL
Чем большую скорость будет развивать судно, тем выше и длиннее будут
образуемые его корпусом волны, а следовательно больше будет и волновое
сопротивление, и тем большую массу воды придется судну вовлекать в
движение, расходуя на это все большую энергию двигателя.
Увеличение волнового сопротивления при повышении скорости хода
происходит значительно интенсивнее, чем сопротивления, вызываемого
трением воды об обшивку судна (сопротивления трения). Важно отметить,
что растет волновое сопротивление не плавно (рис. 9), а по кривой,
имеющей местные перегибы, максимумы. Это является отражением
интерференции поперечных волн, образующихся у носовой и за кормовой
частями корпуса судна. Если вершина носовой волны будет совпадать с
вершиной кормовой волны, то общая высота волны
возрастет, и наоборот, когда гребень носовой волны придется на впадину
кормовой волны, произойдет как бы выравнивание взволнованной поверхности
воды. В первом случае волновое сопротивление возрастет, во втором
уменьшится, отсюда и такой характер кривой.
Рис. 9. Зависимость коэффициента волнового
сопротивления от числа Фруда Fr.
Рис. 10. Схема образования поперечных волн в
зависимости от относительной скорости лодки (от числа Фруда). Справа
показаны оптимальные обводы корпусов для данной скорости.i - длина волны (расстояние между соседними гребнями)1; L - длина
лодки по КВЛ.
Число Фруда характеризует расположение системы волн, поднимаемых
судном, относительно его корпуса. Например, при Frz = 0,31 на длине
корпуса судна, независимо от его размеров, всегда будут располагаться
два гребня (рис. 10), а впадина носовой волны совпадет со впадиной
кормовой волны. Такое явление объясняется так называемым законом
подобия, основываясь на котором можно сравнивать по обводам (и выбирать
из них лучшие) суда любой длины, имеющие одинаковую относительную
скорость, или число Фруда. Нетрудно представить, что абсолютная скорость
сравниваемых судов, имеющих большую длину, будет выше (рис. 11). Следует
заметить, что, при одинаковом числе Fri и
близких обводах, на создание волн затрачивается примерно одна и та же
удельная мощность (мощность двигателя в лошадиных силах, приходящаяся на
1 т водоизмещения судна).
Лучшие результаты (Fri= 0,31) дают плавные,
заостренные в корме по ватерлиниям обводы с выходящими из воды и
достаточно круто поднимающимися вверх линиями батоксов. Применяется
вельботная 1крейсерская 2, как у каноэ,и транцевая формы кормы, причем в последнем случае днище у транца
имеет значительную килеватость, а сам транец обычно в воду не
погружается.
Рис. 11. Зависимость числа Фруда от скорости и
длины судна.
Для уменьшения сопротивления трения на судах этого типа важно
максимально уменьшить площадь подводной (смоченной) поверхности корпуса.
Для рассматриваемого значения относительной скорости характерна
сравнительно небольшая потребная удельная мощность - примерно 1-1,5 л.
с. на 1 т водоизмещения судна; при этом скорость судна с увеличением
нагрузки практически изменяется мало.
При повышении относительной скорости,X (длина
поперечных волн - см. рис. 10) постепенно увеличивается и при Fr, = 0,40
становится равной длине корпуса судна, которое при этом будет идти на
двух соседних гребнях поперечных волн. Соответственно будет возрастать и
мощность, затрачиваемая на волновое сопротивление; теперь она будет
составлять уже не половину, а около 70-80% от всей мощности двигателя.
Лодка немного будет погружаться и получит легкий дифферент на корму, так
как в корме гребень носовой волны в известной мере гасится подошвой
кормовой волны.
Соответствующая описанной картине скорость для катеров длиной 4 м будет
9 км/час, длиной 20 м- 14 км/час. Еще небольшое увеличение скорости -
всего на 3-4 км/час, и картина волнообразования резко изменится. Носовая
волна станет длиннее лодки, лодка как бы начнет взбираться на гребень
этой волны, высоко задрав нос. Вот тут-то конструктор и должен помочь
судну одолеть эту <гору>, т. е. сдвинуть в корму носовой гребень за счет
большего заострения носовых обводов, а главное - не допустить при этом
слишком большого погружения кормы в воду.
Таблица 1 Мощность двигателя и скорость водоизмещающего катера
Для катеров, рассчитанных на еще более высокие скорости (Fr, =
0,8-И,2) характерна широкая плоская корма с погруженным в воду транцем.
Осадка транца равна примерно четверти наибольшей осадки корпуса;
подводный объем, таким образом, смещается в корму еще больше, чем в
предыдущем случае (соответственно перемещается и гребень носовой
поперечной волны). Линии батоксов в корме более пологие, поэтому на
днище возникает уже достаточной величины гидродинамическая подъемная
сила, выравнивающая катер на ходу. Если посмотреть за корму такого
катера, можно увидеть, что две струи воды, срывающиеся с бортов у
транца, смыкаются далеко за кормой, как бы увеличивая длину корпуса.
Катер со слишком узким транцем или с большой килеватостью днища в корме
буквально
проваливается кормой в воду; за его транцем образуются завихрения,
поглощающие энергию двигателя. Дифферент на корму при вельботной или
крейсерской корме может составлять 5-7°; подобные катера достигают
относительной скорости 0,5-0,6 (Frz = 0,5ч-0,6) только за счет установки
очень мощного двигателя.
При правильных обводах корпуса и Fr, = = 0,5 -4-0,7, на волнообразование
тратится уже 85-90% мощности двигателя, которая обычно равна 15-20 л. с.
на 1 т водоизмещения. Судно становится чувствительным к увеличению
нагрузки и изменению положения центра тяжести.
При дальнейшем увеличении скорости (до Fr, = 0,8 -;-0,9) гребень носовой
волны перемещается в кормовую часть судна. Если днище здесь достаточно
плоское и с пологими, почти горизонтальными линиями батоксов, то
благодаря действующей на него гидродинамической подъемной силе судно
будет всплывать, рост волны приостановится, и судно пойдет в близком к
глиссированию режиме. Но, помимо обводов днища, все более существенную
роль будет играть нагрузка судна. Если полный вес превышает 35 кг на 1
л. с. мощности двигателя, перехода в глиссирование может и не наступить.
Выше речь шла об обводах, рекомендуемых для некоторых наиболее
характерных диапазонов скоростей судна. Какой же мощности двигатель
нужно взять для достижения той или иной заданной скорости при условии,
что обводы корпуса будут выполнены оптимальными? Достаточно точный ответ
можно получить из табл. 1, составленной по данным большого числа
построенных катеров. Из этой таблицы особенно хорошо видно, как сильно
влияет на потребную мощность длина корпуса. Например, для скорости 15
км/час катеру длиной по ватерлинии 6 м и водоизмещением 2,0 т требуется
двигатель в 22 л. с. Катер того же водоизмещения и с тем же двигателем,
но длиной 9,2 м, пойдет на 4 км/час быстрее (или при сохранении той же
скорости 15 км/час может принять дополнительно 1,5 т полезного груза).
Такое влияние длины корпуса должно быть для нас уже понятно: ведь с ее
увеличением при данной скорости понижается число Фруда, уменьшаются
потери на волнообразование. Не случайно поэтому катера с маломощными
двигателями строят максимально длинными, чаще 6-10 м, и узкими.
Из других характерных соотношений размерений водоизмещающих катеров,
наиболее существенно влияющих на их ходовые качества и остойчивость,
следует отметить относительную длину LID1/3 = 5 ч-6; отношения LIB = =
3,2 ч-4,5 и BIT = 3,5 ч-5,5.
