А сегодня флаг на мачте висит безжизненно. Вода, насколько видно
глазу, как застыла. Штиль. У Жореса Ивановича - никаких хлопот. Сидит,
потягивает трубку. Ребята расположились рядом. - Вы думаете, нет ветра -
яхтсмену можно спокойно спать?
Помню, такая вот абсолютная тишь застала нас на крейсерской гонке в
Гданьском заливе. Стоят яхты, как фигуры на шахматной доске, - какая
куда смотрит. У нас на борту снасти чистят, книжечки почитывают. Рулевой
загорает, румпель бросил. Спустился я в каюту - подремать. Поднимаюсь
через часок - на первый взгляд все то же: ветра - нуль, вода как
зеркало. Только смотрю - положение фигур несколько изменилось. Польская
яхта "Университет" - наш главный конкурент - позади нас штилевала, а
сейчас почему - то мы ей в корму смотрим! Я к компасу: думаю, может, нас
просто развернуло. Нет. Оказывается, пока мы дремали, поляки отыграли
добрый кабельтов. Вроде бы, тревожиться нечего. Что такое сотня - другая
метров, когда впереди много миль? Только море даже малых ошибок не
прощает: после полудня полосой пошел ветер, и первыми его поймали те,
кто был хоть ненамного, но впереди. Когда у нашего борта только - только
зарябило, "Университет" уже взял ветер и под полными парусами шел на
добрую милю впереди. И догнать его было невозможно...
Три основные - базовые - плоскости
теоретического чертежа.
Ходкость парусного судна - дело тонкое. Управлять нужно сразу и
парусами, чтобы они работали в полную силу, и рулем, чтобы яхта не
рыскала из стороны в сторону, теряя ход, а лежала на курсе. Немаловажное
дело - и качества самой яхты. Экипаж польской яхты использовал легчайшее
дуновение, которое и воды не коснулось, а лишь задело верх парусов. На
тихой воде даже такое дыхание зефира может задать яхте ход, если корпус
ее идеально обтекается водой.
Мы подошли к следующему разделу теории корабля, изучающему ходкость.
Сейчас постройке большой яхты непременно предшествуют испытания ее
моделей в опытовом бассейне. На моделях производится выбор и отработка
обводов, т. е. наивыгоднейшей, легко обтекаемой формы корпуса, киля и
руля яхты. А в старину было иначе. Никаких теоретических обоснований не
имелось. Обводы нового парусника копировали форму корпуса судна,
построенного тем же мастером раньше. Но вот в середине прошлого века
американец Джордж Стирс пришел к выводу, что традиционные обводы морской
яхты нуждаются в изменении. Он взялся построить для Нью-Йоркского яхт -
клуба "сверхбыстроходную" яхту с новыми усовершенствованными обводами.
Он был так уверен в ее высоких скоростных качествах, что предложил
внести в контракт с заказчиком особое условие: если в течение первого
сезона его яхту обгонит хотя бы одно судно равного водоизмещения,
причитающаяся автору проекта за работу сумма будет уменьшена вдвое! По
иронии судьбы эта новая яхта - ее назвали "Америка" - самую первую
"прикидочную" гонку проиграла (наверное, не все было отлажено в
вооружении!). Зато потом она не имела равных и с блеском выигрывала одну
гонку за другой, обходя лучшие яхты "владычицы морей" Англии.
И сейчас нет - нет да и бывают случаи, когда все сходятся на том, что
"гонку выиграл конструктор": одна яхта явно идет быстрее других, хотя и
те имеют совершенные паруса, управляются опытными капитанами. Очень
советую всем перечитать по этому поводу замечательный рассказ "Мираж"
Бориса Житкова.
Итак, поговорим о ходкости яхт. Чтобы получить представление о
скоростных возможностях яхты, опытному человеку достаточно посмотреть на
ее подводную часть или познакомиться с теоретическим чертежом, на
котором условно изображены обводы ее корпуса. Теоретический чертеж
служит основой всех расчетов, выполняемых при проектировании любого
судна, чтобы убедиться в его надежности и высоких качествах. Наконец, он
необходим и при постройке корпуса: иначе не будет никакой уверенности в
том, что построенная яхта действительно имеет те самые обводы, которые
хотел ей придать автор проекта.
Вот, для примера, я покажу вам теоретический чертеж швертбота "Финн".
Поначалу трудно что - либо понять среди множества линий, не так ли?
Однако несложно научиться читать этот чертеж так же, как вы научились
разбираться в географических картах.
Вот стоит этот швертбот на берегу. Как изобразить его сложную форму на
плоском листе бумаги? Ведь кривизна поверхности одновременно изменяется
и по длине, и по ширине, и по высоте? Единственный способ - мысленно
рассечь корпус несколькими параллельными плоскостями и на каждой из них
начертить след или, правильнее, обвод наружной поверхности корпуса.
Когда - то теоретический чертеж так и строили. Сначала мастер по опыту и
разумению вырезал из дерева масштабную модель. Убедившись, что модель
имеет именно те обводы, которые он хотел бы придать судну, он разрезал
ее на определенное число одинаковых по длине частей, каждую часть по
очереди укладывал на бумагу и обводил по контуру.
В соответствии с установившимися в судостроении правилами как при
построении теоретического чертежа, так и при постройке корпуса базовыми
являются три плоскости.
Диаметральная плоскость (ДП) - это вертикальная продольная плоскость
симметрии, разделяющая корпус на одинаковые правую и левую половины.
След пересечения ДП с корпусом задает очертания форштевня, ахтерштевня,
линий киля и палубы.
Основная плоскость (ОП) - это горизонтальная плоскость, касательная к
самой нижней точке обшивки; линия пересечения основной плоскости с
диаметральной плоскостью называется основной линией (ОЛ).
Плоскость мидель - шпангоута - это вертикальная поперечная плоскость,
проходящая посередине длины судна (чтобы запомнить, имейте в виду, что
слово мидель происходит от английского миддл -середина).
Теперь попробуем себе представить очертания сечений корпуса секущими
плоскостями, параллельными этим трем базовым плоскостям.
Продольные вертикальные сечения, параллельные ДП, называются батоксами.
При пересечении ими поверхности корпуса образуются пинии батоксов. Если
их перенести на ДП, то получится проекция бок теоретического чертежа.
Горизонтальные сечения, параллельные ОП, называют ватерлиниями.
Спроецировав очертания всех ватерлиний на ОП, получим проекцию
полуширота. Поскольку корпус симметричен относительно ДП, обычно
вычерчивают одну (правую) половину корпуса, поэтому проекция и получила
такое название.
Наконец, поперечные сечения, параллельные миделю, называются
шпангоутами, а их проекции на плоскость миделя называются корпусом
теоретического чертежа.
Для удобства расчетов и упрощения постройки все секущие плоскости
располагают на равном расстоянии друг от друга. Какую бы проекцию
теоретического чертежа мы не рассматривали, две из трех групп секущих
плоскостей всегда будут представлять собой прямые линии. Вот, например,
проекция корпус. Ватерлинии и батоксы образуют сетку из взаимно -
перпендикулярных прямых линий, а шпангоуты дают точное представление о
форме поперечных сечений корпуса "Финна".
Как вы уже знаете, чем шире корпус яхты, тем лучше он сопротивляется
крену, тем выше остойчивость. Зато относительно узкий длинный корпус
оказывает меньшее сопротивление движению - легче разрезает воду,
позволяет развивать большую скорость. Для килевой яхты, остойчивость
которой обеспечивается тяжелым фальшкилем, конечно, предпочтительнее
второй вариант. Поэтому - то все гоночные яхты и строились раньше с
очень длинными и узкими корпусами. Был у корабелов афоризм: "Длина
бежит". Понимать его надо так же, как и изречение волжан по поводу того,
что длинное судно "попрогонистей", т. е. быстроходнее.
Современная наука дает гораздо более точное объяснение. Любое судно
на ходу вовлекает в движение большие массы воды - хорошо видны волны,
расходящиеся в стороны от форштевня и от кормы судна, а также
заключенные между ними поперечные волны. На образование этих волн и
затрачивается энергия: у катера - развиваемая двигателем, у парусного
судна - преобразованная парусами в силу тяги энергия ветра. Кроме того,
значительная часть энергии тратится на преодоление сил трения
поверхности движущегося корпуса о воду.
На малой скорости именно сопротивление трения поглощает почти всю
энергию. В слабый ветер яхта скользит, почти не нарушая покоя
поверхности воды: тяги парусов хватает лишь на преодоление сил трения. С
увеличением силы ветра повышается скорость яхты, все больше становится
высота и длина волн, образующихся у корпуса.
На большой скорости хода поперечные волны достигают таких размеров, что
на длине яхты укладывается одна единственная волна. Можно сказать и
иначе: образуется один провал между высокими гребнями, первый из которых
поднимается к самому носу, а второй - к корме; судно оказывается как бы
защемленным этими гребнями, которые не дают ему идти быстрее. Величина
волнового сопротивления при этом уже столь велика, что тяги парусов для
дальнейшего повышения скорости не хватает.
При числе Фруда Fr = 1,5 любая яхта, независимо от ее длины, оказывается
идущей на двух гребнях поперечных волн.
Теперь вам должно стать понятнее выражение "длина бежит". Ведь чем
длиннее судно, тем большую скорость оно разовьет, прежде чем поднять
волну, длина которой равна длине корпуса.
Наибольшая величина волнового сопротивления судна достигается при его
относительной скорости (эту величину называют числом Фруда - по имени
известного английского кораблестроителя и обозначают Fr) около
Fr = V V L = 1,5.
Это значит, что при скорости v = 1,5 > L м/с произойдет упомянутое
защемление корпуса двумя гребнями и ходить быстрее судно не сможет.
Например, если для яхты с длиной по ватерлинии 10 м верхний предел
возможной скорости составляет v ю = 1,5 > 10 =4,75 м/с или около 10
узлов, то для 6 - метровой он будет равен v 6 = 1,5 > 6 = 3,67 м/с или
7,3 узла, т. е. существенно ниже.
Конечно, это только приближенная оценка скоростных возможностей яхты.
Ведь сопротивление корпуса в очень большой степени зависит не только от
длины, но и от водоизмещения яхты (чем больше воды вытесняет яхта, тем
большие массы ее приводятся в волновое движение), от формы подводной
части корпуса - распределения водоизмещения по длине судна, соотношения
длины по ватерлинии к ширине, ширины к осадке и т. п. Мы уже и не
говорим о том, что, конечно, ходовые качества яхты зависят еще от ее
"энергетической установки" - площади парусности, которую она может нести
при ветре той или иной силы, и эффективности вооружения.
Сейчас редко можно увидеть (такую длинную и узкую яхту, какие строились
в начале века. Применяя легкие и прочные материалы - стеклопластик,
алюминиевые сплавы, клееные деревянные конструкции, судостроители смогли
добиться заметного уменьшения веса корпуса судна и площади его смоченной
поверхности. При одинаковой длине современная яхта оказывается на 30 -
40% легче лучших ходоков прошлого и идет быстрее. Стало возможным
строить корпуса более широкими, с большим объемом внутренних помещений
без ущерба для скорости хода. Как мы уже знаем, усовершенствовалось и
парусное вооружение. На основе достижений гидродинамики стали применять
высокоэффективные -узкие и глубокие кили - плавники.
Наконец, теперь значительно большую долю водоизмещения удается
"направить" на обеспечение остойчивости яхты, а выше мы уже говорили о
том значении,
которое имеет вес балласта. Казалось бы, "мертвый" вес, достигающий
половины водоизмещения яхты, является только препятствием к развитию
высокой скорости. Однако в сильный ветер яхта, не имеющая такого
балласта, не смогла бы нести достаточно большой площади парусности, а ее
экипаж не смог бы реализовать представившуюся возможность достичь
максимальной скорости.
С точки зрения ходкости большие возможности имеют многокорпусные суда -
катамараны, проа (лодки с узким и длинным основным корпусом и
вспомогательным поплавком-аутригером, закрепленным на большом расстоянии
у одного из бортов) и тримараны. Здесь удается обеспечить остойчивость
вообще без балласта, а узкие и длинные корпуса, как мы уже знаем,
испытывают минимальное волновое сопротивление. Не случайно же именно
катамаран является на сегодня обладателем абсолютного рекорда скорости
под парусами!
Благодаря тому, что камешек скользит по воде под
углом атаки, на его нижнюю поверхность действует гидродинамическая сила,
удерживающая камень на поверхности воды.
Конструкторы нашли пути и для повышения скорости легких "безбалластных"
швертботов, видоизменив придаваемые их корпусам обводы. Так, поскольку
парусное судно ходит обычно с креном, можно сделать узкой, т. е.
относительно длинной, именно ту часть корпуса, которая при крене
погружается в воду - креновую ватерлинию. При попутном ветре, правда,
крена не создашь, но оказывается, если сделать судно достаточно легким,
а его днище на кормовой половине длины -плоским и широким, то можно
преодолеть барьер скорости, заставив швертбот глиссировать. Здесь
помощником паруса становятся гидродинамические силы поддержания, которые
становятся все более ощутимыми при повышении скорости.
Каждый из вас, конечно, пускал по воде "блинчики", бросая с берега
плоские камешки. Главное -пустить камешек плоской частью вниз и под
нужным углом к поверхности воды. Бросок ваш должен быть сильным, чтобы
камень "приводнился" с достаточно большой скоростью. А вот кто из вас
может объяснить, почему камешек сразу не тонет? Ведь он весит в два -
три раза больше вытесненной им воды. Почему же не действует уравнение
плавучести, о котором ,мы говорили?
Вот здесь - то мы и имеем случай действия гидродинамической подъемной
силы.
Камешек ударяется о воду под небольшим углом к поверхности - углом
атаки. При его поступательном движении (по инерции) вода под ним
разделяется на два потока: одна часть воды вырывается вперед в виде
брызг, а другая - обтекает нижнюю поверхность камешка по направлению к
его заднему краю. В точке С, где происходит разделение потоков, вся
энергия удара при встрече с водой превращается в подъемную силу
гидродинамического давления, направленную перпендикулярно поверхности
камешка. Поскольку это давление действует на всей плоскости камешка,
соприкасающейся с водой, суммы сил оказывается достаточно, чтобы не
только поддерживать камень на поверхности, но и поднимать его в воздух!
До тех пор, пока заряд энергии, который вы придали камешку при броске,
не будет израсходован на преодоление трения его о воду и на создание
брызг, разлетающихся в стороны.
Точно такая же подъемная сила может быть получена и на днище швертбота.
В очень свежий ветер, когда швертбот разовьет свою максимальную
скорость, достаточно ему оказаться на гребне ветровой волны - смоченная
поверхность корпуса и соответственно его сопротивление начнет
уменьшаться, а лодка, получив небольшое дополнительное ускорение,
перейдет в режим скольжения по поверхности или иначе - глиссирования.
При этом днище располагается так же, как и камешек, - под небольшим
углом атаки к поверхности воды.
Благодаря гидродинамическому давлению на плоскость днища швертбот
всплывает. А "значит, существенно уменьшаются смоченная поверхность и
силы сопротивления. При этом снижаются одновременно и сопротивление
трения и волновое сопротивление. Теперь освободившаяся часть силы тяги
используется на повышение скорости!
Глиссирование возможно, однако, далеко не на всяком судне. Во - первых,
судно должно быть очень легким, чтобы объем погруженной части корпуса не
оказался слишком большим: оно должно иметь специальные обводы с плоским
днищем в корме и нести мощную парусность (не менее 5 м2 на каждые 100 кг
водоизмещения).
Благодаря использованию принципа глиссирования конструкторам удалось
намного повысить максимальную скорость швертботов. Например, "Летучий
Голландец" (его L = 5,5 м, а площадь парусности - 20,6 м2) при выходе на
глиссирование развивает скорость 17 узлов (31,5 км/ч), т. е. по крайней
мере на 10 узлов выше того потолка, который получается - по числу Фруда
- при обычных "неглиссирующих" обводах!
Корпуса не только швертботов, но и гоночных килевых яхт стараются теперь
проектировать с расчетом на возможность глиссирования в благоприятных
условиях - в сильный попутный ветер, когда яхта несет громадный по
площади дополнительный парус - спинакер. Корпус такой яхты во многом
напоминает швертбот: у нее такая же широкая и плоская корма, малая
осадка корпуса. Да и кили напоминают шверт: им придают вид узких и
тонких хорошо обтекаемых плавников, напоминающих самолетное крыло. А
чтобы меньше требовалось балласта, стараются всемерно уменьшить
водоизмещение. Вот почему для снижения веса корпуса применяют
сверхпрочные алюминиевые и титановые сплавы, углепластик и т. п.
Экономят каждый килограмм и на парусном вооружении: ведь его вес поднят
высоко и особенно заметно влияет на остойчивость.
Мы уже говорили, что в слабый ветер скорость яхты сильно зависит от
трения поверхности корпуса о воду. Что такое трение, объяснять не надо.
Каждому понятно, что гладкий, отполированный до блеска корпус будет
легче скользить в воде, чем покрытый старой отслаивающейся краской, на
которую, к тому же, наросла "борода". Вы видели, как тщательно весной,
перед спуском на воду, яхтсмены зачищают корпуса своих яхт, покрывают их
тонким слоем лучшей краски.
Не менее старательно гонщики моют яхту перед соревнованиями. Чистота на
судне - непреложное морское правило. Но яхтсмены, отмывая борта и днище
ниже ватерлинии, заботятся не только о соблюдении традиций. Слизь и
водоросли, а в южных морях еще и ракушки, которыми обрастает подводная
часть корпуса, иногда увеличивают сопротивление трения в полтора раза,
что равносильно потере 10 - 15% скорости.
Ясно, что меньшее сопротивление трения испытывает то судно, у которого
поверхность погруженной части корпуса, или, как говорят, смоченная
поверхность, меньше. Поэтому - то на широких яхтах и швертботах в слабый
ветер экипажи иногда специально закренивают судно, чтобы уменьшить
смоченную поверхность. И конечно, на попутных курсах, когда шверт не
нужен - дрейфа - то нет, его поднимают, убирая в колодец.
