Авторизация
В продаже - № 3(78) 2017
Тест-драйв
>

 

 

 

Поиск по журналу
Настройки поиска:
в номере:
по рубрике:
тема:
статьи автора:
Гидродинамика движения судна
Тема: ------; Автор: Парфенюк Стас; Страница в журнале: 88;

Многие настырные яхтсмены нередко «перегружаются» парусами, тщетно пытаясь выжать из своих лодок запредельные скорости. Некоторые владельцы моторных яхт, сбавляя круизный ход ради экономии топлива, на самом деле только перерасходуют горючее. Другие искренне удивляются, почему это их 20-метровая красавица всё ещё не глиссирует при 20-ти узлах, тогда как небольшие круизёры – уже...
Зная интерес к подобным вещам, «Фарватер» решил освежить у читателя понимание процессов, в буквальном смысле протекающих при движении судна. И, обойдясь, по возможности, минимумом формул, на простых примерах показать, как эффективнее использовать своё плавсредство.

Волнообразование
Начнём с того, что любое тело при движении в жидкости генерирует волны. Конечно, всем известные из школьной физики силы трения никто не отменял, но в основном (речь не идёт о самых малых скоростях – там действительно почти всё определяется трением – Ред.) судну препятствует волновое сопротивление – бОльшая часть мощности движителя (паруса или винтов…) идёт на образование волн.
Форштевень, набегая на воду, резко повышает в ней давление – создаётся носовая волна. За ней вдоль борта в сторону кормы видна вторая, третья… Пока скорость относительно (запомните термин!) небольшая, все эти (а также расходящиеся от носа и кормы) волны малы и удельные энергозатраты на их создание минимальны. Плавающие в таком режиме (т.е., поддерживаемые только силой Архимеда) суда называют водоизмещающими: для уменьшения волнообразования им специально заостряют нос и корму, придают корпусу обтекаемую китообразную форму. Им достаточно двигателя очень малой мощности – стало быть, очень мало потребление топлива, низкая шумность и вибрация.
С ростом скорости судна ускоряется и созданная его носом волна (а куда ей деться?!). При этом она становится всё выше и длиннее, поскольку размеры волны напрямую зависят от её скорости. И вот уже она растянулась на всю длину корпуса, вытеснив остальные за корму… В конце концов наступает момент, когда корма оказывается в ложбине носовой волны (помним, что нос по-прежнему на её гребне). И вот он, момент истины: судно с визуально задранным носом пытается вскарабкаться на собственную носовую волну, как на горку. А за «провалившейся» кормой катится поперечный вал спутной волны. Это и есть жутко неэкономичный переходной режим: бОльшая часть расходуемой мощности тратится именно на создание той самой спутной волны – деньги на ветер (точнее, в воду).
А что, если двигатель нашей моторки достаточной мощности? В этом случае она «перепрыгнет» свою носовую волну (или, как говорят моряки, преодолеет горб сопротивления), перейдя из водоизмещающего плавания в режим гидродинамического поддержания – другими словами, «выйдет на глиссирование». Теперь лодку выталкивает из воды та же сила, что и воднолыжника. Вот почему глиссирующий катер явно «вылезает» из воды (гидродинамическим силам ведь нужен не погруженный объём, а опорная плоскость), но лишь стоит остановиться – он снова притапливается по обычную стояночную ватерлинию
Но не только мощность двигателя определяет способность глиссировать. Судну с удлинёнными килеватыми обводами и зауженной кормой этого не достичь с любым мотором – его корпус создан именно для водоизмещающего плавания. А глиссирующему катеру нужна широкая плоскость в кормовой части днища – именно на неё «обопрётся» судно, чтобы перевалить через свою носовую волну и, рывком увеличив скорость, скользить по поверхности.
Суда, рассчитанные на глиссирование, редко бывают большими: с увеличением габаритов лодки необходимая для преодоления «горба» мощность растёт квадратично. Однако скорость нравится многим, потому 20-, 25- и даже 30-метровые глиссирующие моторные яхты пользуются всё большим спросом. Не редкость они и на страницах «Фарватера».

Число Фруда
Если помните, говоря о скорости судна, мы акцентировали ваше внимание на слове «относительная».
Дело в том, что скорость переходного режима каждого судна различна и напрямую зависит от его эффективной длины (обычно – длины по ватерлинии). Английский физик Уильям Фруд (1810–1879) подметил это, наблюдая за снующими по Темзе баржами (тогда – на лошадиной тяге). И не только подметил, но и вывел формулу, описывающую характер образуемых судном волн в зависимости от его длины и скорости:
Fr=v/√gl
Где:
v – скорость судна, м/с;
g – ускорение свободного падения, 9,81м/с2;
Lwl – длина судна по КВЛ, м;
Fr – число Фруда.

«Числа Фруда» описывают режим волнообразования для судов разного размера. Так, буксируя стократно уменьшенную модель в 10 раз медленнее реального судна, увидим такие же волны, как и у прототипа – только в масштабе 1:100.
Но что же числа Фруда означают практически? А вот что:

  • вплоть до Fr = 0,4 – водоизмещающий режим (при Fr = 0,4 судно начинает «карабкаться» на собственную носовую волну);
  • Fr = 0,5 – волновое сопротивление максимально; диапазон переходного режима Fr = 0,4…0,8;
  • при Fr = 1,0-1,2 – начало глиссирования, при котором судно поддерживается на поверхности как силой Архимеда, так и набирающей со скоростью удельный вес гидродинамической составляющей;
  • Fr = 1,5 – начало чистого глиссирования (судно поддерживается только гидродинамическими силами).

Водоизмещающее судно рассчитывают так, чтобы оно двигалось в диапазоне чисел Фруда до 0,2-0,3; для малых глиссирующих Fr≥2-3. Важная оговорка: граничные значения Фруда, отвечающие переходам одного режима в другой, весьма условны, так как зависят от формы погружённой части корпуса. Поэтому применять их для определения минимальной скорости воднолыжника или выхода судна на подводные крылья нельзя – на этот счёт есть формулы посложнее. Более того: для описания глиссирующего режима специалисты чаще оперируют не вышеописанным Fr (или FrL – по длине), а FrV (по водоизмещению), ибо в гидродинамическом режиме поддержания водоизмещение «важнее» длины...
Однако оставим тонкости профессионалам. А сами посчитаем абсолютные скорости входа и выхода из переходного режима для конкретно вашей лодки (по формуле выше). Лень считать – найдите «свою» пару цифр (в км/ч или узлах – как больше нравится) в таблице (напоминаю: для входа в неё нужна длина по КВЛ, а не габаритная!). Запомните их или нанесите метками на циферблат стрелочного лага (это нагляднее). А теперь главное: избегайте двигаться в диапазоне скоростей МЕЖДУ ними (т.е., в переходном режиме).

Мощность двигателя
Определимся и с «достаточной» мощностью силовой установки – так сколько «лошадей» нам нужно? Это зависит от обводов днища (для «глубокого V» нужен движок гораздо мощнее, чем для такого же «Джонбота») и, главное, от веса судна. Вот приблизительно-достаточное условие: на каждую лошадиную силу должно приходится не более 25 кг загрузки (включая вес экипажа с припасами и сам двигатель). Отсюда, к примеру, 1000-килограммовый катер должен иметь «на вооружении» двигатель уж никак не меньше 40 л.с.

Обратная сторона скорости
Но только ли повышенной шумностью и негуманным расходом горючего (для быстроходной 50-футовой яхты 100-мильный переход обойдётся в 1000 Евро!) расплачивается владелец глиссирующего судна за скорость? Отнюдь.
Во-первых, те же особенности, которые помогают судну глиссировать (малый вес, плоские обводы в широкой корме, очень острый нос), отрицательно сказываются на мореходности – водоизмещающие яхты в бурных условиях ведут себя на порядок лучше как на ходу, так и на стоянке. Более того, даже относительно небольшая волна – уже проблема для глиссера: удары носом и днищем столь сильны, что приходится снижать скорость вплоть до водоизмещающего режима. Да и с автономностью у быстроходных судов всегда «напряг»: объём топливных баков ведь ограничен – лишний вес мешает глиссированию.
В итоге скоростные катера и яхты хорошо подходят для нечастых и недалёких выездов «с ветерком» по хорошей погоде. Те же, кто помногу путешествуют, обычно выбирают водоизмещающие суда.

И ещё…
«Мощная поперечная волна, образующаяся при достижении судном скорости, близкой к критической, не подчиняется теории волн относительно малой амплитуды, и скорость её дальнейшего движения уже не зависит от скорости судна. Эта волна («спутная волна») может самостоятельно перемещаться на очень большие расстояния со скоростью, при которой она образовалась. Академик А.Н.Крылов в книге «Мои воспоминания» описывает случай, когда в 1912 году спутной волной, образовавшейся в 6 милях от берега при прохождении миноносца «Новик», с пристани был смыт 6-летний мальчик».
Слава Богу, по Днепру миноносцы ещё не ходят, но больших моторных яхт в крупных городах уже хватает. И когда напротив пляжа этакая красавица участливо «скидывает ход» до 10-15 узлов – уж лучше бы и дальше пёрла полным ходом!.. Потому что «переходные» волны гораздо вреднее «глиссирующих» – казалось бы, каждый водномоторник должен это знать.
Грамотный шкипер сбросит газ задолго до «точки» и пройдёт мимо ошвартованных катеров и яхт не более чем 3-узловым ходом. Я бы назвал это морским этикетом.

 


Linssen Grand Sturdy 430 AC Mark II – стальной тихоходный круизёр, с изысканным комфортом и большим запасом хода. Длина по КВЛ 11,52 м, вес 19 тонн, двигатели 2х114 л.с. (83 кг/л.с.), максимальная скорость 17 км/ч (9 узлов), что соответствует Fr = 0,5. Как видим, полным ходом этой яхте идти невыгодно, да она обычно и не ходит: толковый капитан наслаждается 7-узловым ходом (Fr = 0,34), а излишек мощности использует лишь против бурного моря.

Buster XXL – средняя разъездная мотолодка из ал-сплава. Длина по КВЛ ~5,8 м, ходовой вес ~ 1500 кг, двигатель 150 л.с. (10 кг/л.с.), максимальная скорость 68 км/ч (37 узлов), что соответствует Fr = 2,5 (чистейшее глиссирование). А переходной режим для этой лодки – 11-27 км/ч.

Aquador 25C – скоростной всепогодный семейный катер со всеми удобствами. Длина по КВЛ ~6,5 м, ходовой вес ~ 2600 кг, двигатель 260 л.с. (10 кг/л.с.), максимальная скорость 70 км/ч (38 узлов), что соответствует глиссирующему Fr = 2,4. Капитан должен избегать диапазона скоростей 11,5-29 км/ч.

Dominator 86 – пластиковая супер-яхта имиджевого класса. Длина по КВЛ 24 м, ходовой вес 70 т, двигатели 2х1550 л.с. (22,5 кг/л.с.), максимальная скорость 70 км/ч (38 узлов), что соответствует глиссирующему Fr ~ 1,0. Судно относится к классу «полуглиссирующих», которые разгоняются лишь настолько, чтобы только-только перевалить собственную носовую волну. На этом судне есть смысл или идти в водоизмещающем режиме (до 12 узлов), или уже полным ходом.

«А» (проект Sigma) – новейшая (спущена в 2008-м) мега-яхта, созданная по заказу Андрея Мельниченко, основателя МДМ-Банка (Россия). Длина по КВЛ 119 м, ходовой вес 5900 т, двигатели 2х6120 л.с. (482 кг/л.с.). 19 узлов и 2,35 тонны топлива в час – вот крейсерский ход этой лодки (Fr = 2,8)! Даже на максимальной скорости – 23 узла (в других источниках 25) – этой мега-яхте не дотянуться до собственного переходного режима (при такой ватерлинии он начинается с 27 узлов). «Длина бежит», как говорят яхтсмены…