Мотосуда, построенные с
общепринятыми соотношениями главных размерений
имеют, как правило, достаточно хорошую
остойчивость. Низкое расположение двигателя, топливного бака, сидений,
отсутствие палубы, используемой для груза, и высоких рубок, создающих
большую парусность, - все это положительно сказывается на остойчивости
моторных судов. Однако следует помнить, что низкобортные мотосуда даже
при небольшом крене могут зачерпнуть воду, а перетекание воды в корпусе
резко ухудшает остойчивость; Поэтому мотосуда, предназначенные для
больших рек, озер, водохранилищ и т. п., должны иметь более высокий
надводный борт, что связано не только с обеспечением остойчивости, но и
с непотопляемостью.
Непотопляемостью называется способность судна сохранять плавучесть в
случае попадания большого количества воды через пробоину в корпусе или
вырезы в палубе.
Мероприятия, обеспечивающие непотопляемость, можно подразделить на две
группы: а) предотвращающие попадание воды в корпус; б) обеспечивающие
сохранение плавучести при попадании воды внутрь судна.
В первую группу входят: устройство палубы в носовой и кормовой частях
корпуса, установка ветрового стекла или водоотбойных козырьков перед
передним кокпитом, устройство фальшборта вокруг кокпитов, ограждение
кожухами вентиляционных горловин в палубе и т. п.
К числу мероприятий второй группы относится установка в корпусе
водонепроницаемых переборок так, чтобы объем каждого из образованных
отсеков был не более запаса плавучести судна, а также устройство
воздушных ящиков и установка в корпусе <плавучестей> - материалов с
малым удельным весом (например, пенопласта).
Носовая часть судна чаще всего подвергается ударам, следовательно, там
скорее всего может образоваться трещина или пробоина. Поэтому на
моторных судах всех типов, кроме разряда JI, на расстоянии одной-двух
шпаций от форштевня, но не менее 0,55 необходимо устанавливать
поперечную водонепроницаемую переборку. Места установки стационарных
двигателей - моторные отсеки также рекомендуется ограждать
водонепроницаемыми переборками. Помимо обеспечения непотопляемости, эти
переборки предотвратят распространение загрязненной топливом и маслом
воды из моторного отсека по всему судну.
Объем воздушных ящиков, пенопласта и т. п. рекомендуется принимать в
пределах и в зависимости от назначения и
района плавания мотосудна. Во всяком случае этот объем должен
обеспечивать поддержание на плаву затопленного корпуса с
двигателем и при наличии одного-двух человек, при этом судно должно
сохранить положительную остойчивость (h0 >0).
Ходкостью называется способность судна двигаться по воде с определенной
заданной скоростью при наименьшей мощности двигателя.
В сравнении с наземными и воздушными видами транспорта рост скоростей на
воде был значительно более медленным. Причина такого отставания
заключается в физической природе среды, в которой движется судно, т. е.
воды. При одинаковых скоростях сопротивление воды движению судна
примерно в 800 раз больше, чем сопротивление воздуха движению самолета.
Это сопротивление воды и является пока неопреодоленным барьером для
дальнейшего увеличения скорости судов.
Судно, находящееся в покое, испытывает со стороны воды действие только
одной гидростатической силы поддержания, которая уравновешивается его
весом. При движении картина меняется.
Вода обладает определенной вязкостью, т. е. способностью сопротивляться
перемещению ее частиц, поэтому при движении судна вблизи его поверхности
образуется тонкий слой воды, движущийся вместе с судном. Этот
пограничный слой увлекает за собой, но уже с меньшей скоростью,
соседний, за ним - следующий с еще меньшей скоростью и т. д. Силы
сцепления частиц воды между собой и с обшивкой корпуса противодействуют
перемещению судна. Равнодействующая этих сил называется сопротивлением
трения.
Под воздействием движущегося судна образуется система волн, на что
расходуется часть энергии двигателя. Возникающее при этом сопротивление
движению судна называется волновым. Образующиеся за кормой завихрения
воды обусловливают появление вихревого сопротивления, или сопротивления
формы.
Таким образом, можно записать
R = RTр + RB +Rф,
где R - полное сопротивление воды движению судна, Rrp - сопротивление
трения, RB - волновое сопротивление, Rф - сопротивление формы.
Сопротивление трения Rrp зависит в основном, от площади смоченной
поверхности, ее <гладкости> и скорости движения судна.
Площадь смоченной поверхности определяется размерами судна, формой
поперечного сечения корпуса и характером движения (о влиянии этих
параметров на величину смоченной поверхности, а следовательно, и на
сопротивление трения см. 6).
<Гладкость> смоченной поверхности характеризуется высотой и количеством
различных неровностей на ней. Сопротивление движению в воде оказывают
даже так называемые технически гладкие поверхности, т. е. такие,
уменьшение шероховатости которых уже не может снизить величину
сопротивления трения. С увеличением шероховатости выше определенного
предела, зависящего от скорости и размеров поверхности, увеличивается и
сопротивление трения. Так, для мотосудна длиной
5 м при скорости 15 км!ч критическая высота бугорков составляет примерно
0,03 мм. В действительности даже тщательно отделанный корпус имеет
большую шероховатость. Неровная стыковка отдельных листов или досок
наружной обшивки, выступающие головки заклепок и шурупов, небрежная
окраска без шлифовки и другие неровности могут увеличить сопротивление
тренияна 40-50% по
сравнению с технически гладкой поверхностью. Этоособенно сказывается на коротких поверхностях и
кромках обтекаемых деталей при высоких скоростях движения; в данном
случае требуется особенно тщательная отделка.
Волновое сопротивление носит сложный характер зависимости от скорости
хода и размеров судна. При некоторых соотношениях этих параметров оно
достигает своего максимального значения, составляя наибольшую долю в
общем балансе сопротивления воды, при других - резко уменьшается (об
этом подробнее ниже).
Сопротивление формы, в основном, определяется плавностью обводов
подводной части корпуса, оно имеет существенное значение при малой
скорости движения.
На преодоление трения, на образование завихрений и волн необ ходимо
затратить некоторую силу, которой и является упор движителя Т,
сообщающий судну желаемую скорость хода. На рассматриваемых мотосудах
упор Т, как правило, приложен под днищем и направлен горизонтально (подвесные
моторы, Z-образные колонки) или под некоторым углом к горизонтали (обычный
наклонный валопровод стационарного двигателя). При этом, если
направление упора проходит ниже ЦТ мотосудна, упор винта создает момент
Мт относительно ЦТ, стремящийся дифферентовать судно на корму.
Одновременно в противоположном направлении действуют момент от сил
сопротивления MR и вертикальной реакции винта. Соотношение величин этих
моментов может в некоторых случаях привести к дифференту на корму,
вследствие чего сила поддержания Аст как равнодействующая сил плавучести
погруженного объема также перемещается в корму, создавая
уравновешивающий момент МАст. Перемещение это, однако, незначительно,
поэтому для простоты в данном случае его можно не рассматривать. Тогда
силы, действующие на судно при движении, можно свести к схеме,
приведенной на рис. 7. Если скорость движения судна постоянна, то эти
силы создают уравновешенную систему.
Движение судна, при котором его вес полностью уравновешивается
гидростатической силой поддержания, называется плаванием. На этом режиме
наблюдается некоторое увеличение осадки вследствие уменьшения давления
воды на корпус по сравнению с неподвижным судном.
При достаточной мощности двигателя, обеспечивающей дальнейшее увеличение
скорости, происходит существенное изменение системы сил, показанной на
рис. 7.
С увеличением скорости вследствие весьма малой сжимаемости воды нос
судна приподнимается, при этом днище будет перемещаться под
некоторым углом атаки а по отношению к поверхности воды, что вызовет
появление новой силы, направленной перпендикулярно к плоскости днища.
Рис. 7. Силы, действующие на
судно в режиме плавания.
Рис. 8. Гидродинамические
силы, действук щие на днище глиссирующего судна
Дополнительную силу (полное гидродинамическое давление),
действующую на днище, можно разложить на две
-составляющие (рис. 8): гидродинамическое сопротивление воды А и
гидродинамическую подъемную силу Аz. Таким
образом, вес судна в этом случае уравновешивается двумя силамиD == Aст +Az
Поскольку вес судна D остается неизменным, появление
гидродинамической подъемной силы А, вызывает всплытие судна, при этом
гидростатическая сила поддержания Аст уменьшается до наступления
равновесия.
Режим движения судна, при котором Аст остается существенно частью
суммарной силы поддержания, называется переходным Точка приложения
гидродинамической подъемной силы Аz на ходится
на расстоянии 0,70-0,75 смоченной длины днища от кормовой кромки днища
(отрезок а на рис. 8) в зависимости от величины угла атаки а, т. е. в
носовой части. Это приводит к появлению значительного дифферентующего на
корму момента МАг, который вместе с моментом упора винта Мт создает
дифферент на корму. Момент гидростатической силы плавучести МД
вследствие уменьшения силы Аст не может уравновесить дифтующие на корму
моменты. Поэтому с увеличением скорости происходит увеличение дифф рента
до наступления такого положения, когда момент силы плаву чести МАСТ,
сдвинутой значительно в корму, и момент сил сопрот вления МАх становятся
равными дифферентующим моментам образуется уравновешенная система. Этому
положению соотвествуют максимумы сопротивления воды движению судна и
углом дифферента. Схема сил и моментов, действующих на этом режим
движения, показана на рис. 9 (моменты определяются относительно ЦТ
судна).
С дальнейшим увеличением скорости возрастающая гидродинамическая
подъемная сила, пропорциональная квадрату скорости и углу атаки,
заставляет судно все более всплывать, вследствие чего
длина смоченного участка днища уменьшается и точка приложения силы Аг
смещается в корму. Гидростатическая сила поддержания при этом
уменьшается до тех пор, пока, наконец, не станет менее 10% суммарной
силы поддержания. Такой режим движения судна называется глиссированием.
Момент гидродинамической подъемной силы МАг при этом значительно
уменьшается из-за приближения силы к ЦТ судна, поэтому дифферент на
корму перестает увеличиваться (на большой скорости необходимое значение
гидродинамической подъемной силы обеспечивается и при меньших углах
атаки). Система сил на этом режиме движения имеет такой вид, как
показано на рис. 10.
Рис. 9. Силы, действующие иа
судно в переходном режиме движения.
Для облегчения перехода на глиссирование корпусу
мотосудна придают особые обводы с острыми очертаниями скулы (участка
перехода днища в борт). Уменьшая поверхность, соприкасающуюся с водой,
такая форма обводов способствует всплытию корпуса на ходу, что приводит
к уменьшению сопротивления трения и других составляющих полного
сопротивления воды и, следовательно, к увеличению скорости.
Рис. 10. Силы, действующие на
глиссирующее судно.
Равновесие при движении в режиме глиссирования
поддерживается, в основном, за счет равенства моментов МАг и Мт.
Вследствие незначительной величины силы поддержания Лст и малой длины
смоченного участка это равновесие крайне неустойчиво и под действием
разных причин может привести к резкому изменению посадки судна. Так, при
очень высокой скорости и избыточной мощности наступает явление
рикошетирования, т. е. отскока от поверхности воды. Действие
гидродинамических сил при этом носит ударный характер.
Нарушение продольной остойчивости на ходу может происходить и вследствие
неправильной центровки (взаимного расположения ЦТ и равнодействующей сил
поддержания) или нарушения ее под действием внешних сил (например, удара
волны). При этом происходит перераспределение сил, и судно получает
продольные и вертикальные колебания, напоминающие прыжки дельфина, - это
явление называют дельфинированием.
Ходовые характеристики глиссирующего мотосудна при дельфинировании
ухудшаются, и движение может стать опасным. Чтобы избежать этого
вредного явления, улучшить продольную ходовую остойчивость и еще больше
сократить площадь соприкосновения с водой, несущую поверхность выгодно
разделить на две части и разнести их по длине. Это достигается
устройством поперечных уступов - реданов на днище глиссеров. Реданные
глиссеры касаются воды только небольшими участками днища перед реданами
(причем, роль одного из них выполняет транец), поэтому сопротивление
воды их движению может быть уменьшено на 30-35%.
Несмотря на получение хороших результатов, реданные глиссирующие суда
обладают существенными недостатками: при выходе на редан наряду с
сопротивлением трения значительно увеличивается волновое сопротивление и
появляется новый вид сопротивления воды - брызговое (усы с бортов и
брызговая струя, направленная вперед); большое сопротивление в момент
выхода на редан требует значительной мощности для установления режима
глиссирования; днище глиссирующего мотосудна подвержено ударам даже
небольших волн, что сужает район плавания реданных глиссеров и ставит
плавание в большую зависимость от состояния погоды.
