Б. Карлов, В. Певзнер, П. Слепенков
УЧЕБНИК СУДОВОДИТЕЛЯ ЛЮБИТЕЛЯ
(Управление маломерными судами)

§ 41. ОСТОЙЧИВОСТЬ

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения нормального равновесия какими-либо внешними силами, возвращаться в свое первоначальное положение после прекращения действия этих сил. К внешним силам, способным вывести судно из положения нормального равновесия, относятся ветер, волны, перемещение грузов и людей, а также центробежные силы и моменты, возникающие при поворотах судна. Судоводитель обязан знать особенности своего судна и правильно оценивать факторы, влияющие на его остойчивость. Различают поперечную и продольную остойчивость.

Рис 89 Статические силы, действующие на судно при малых накренениях

Поперечная остойчивость судна характеризуется взаимным расположением центра тяжести G и центра величины С.

Если судно накренить па один борт на малый угол (5—10°) (рис. 89), ЦВ переместится из точки С в точку С 1. Соответственно сила поддержания, действующая перпендикулярно к поверхности, пересечет диаметральную плоскость (ДП) в точке М.

Точка пересечения ДП судна с продолжением направления силы поддержания при крепе называется начальным метацентром М. Расстояние от точки приложения силы поддержания С до начального метацентра называется метацентрическим радиусом.

Расстояние от начального метацентра М до центра тяжести G называется начальной метацентрической высотой h 0.

Начальная метацентрическая высота характеризует остойчивость при малых наклонениях судна, измеряется в метрах и является критерием начальной остойчивости судна. Как правило, начальная метацентрическая высота мотолодок и катеров считается хорошей, если она больше 0,5 м, для некоторых судов она допустима меньше, но не менее 0,35 м.

Рекомендуется практически начальную метацентрическую высоту (для килеватых судов) определять следующим приближенным способом.

Рис. 90. Зависимость начальной метацентрической высоты от длины судна

Резким наклонением вызывается поперечная качка судна и секундомером замеряется период свободной качки, т. е. время полного размаха от одного крайнего положения до другого и обратно. Поперечную метацентрическую высоту судна определяют по формуле:

h 0 = 0,525( ) 2 м,

где В — ширина судна, м;

Т — период качки, сек.

Для оценки полученных результатов служит кривая на рис. 90, построенная по данным удачно спроектированных катеров. Если начальная метацентрическая высота ао, определенная по вышеприведенной формуле, окажется ниже заштрихованной полосы, то означает, что судно будет иметь плавную качку, но недостаточную начальную остойчивость, и плавание на нем может быть опасным. Если метацентр расположен выше заштрихованной полосы, судно будет отличаться стремительной (резкой) качкой, но повышенной остойчивостью, и следовательно такое судно более мореходно, но обитаемость на нем неудовлетворительна. Оптимальными будут значения, попадающие в зону заштрихованной полосы.

Остойчивость мотолодки и катеров должна выдерживать следующие условия: угол крена полностью укомплектованного судна с мотором от размещения на борту груза, равного 60% установленной грузоподъемности, должен быть меньше угла заливания.

Установленная грузоподъемность судна включает в себя вес пассажиров и вес дополнительного груза (снаряжение, провиант).

Крен судна на один из бортов измеряется углом между новым наклоненным положением диаметральной плоскости с вертикальной линией. При крене на угол q равнодействующая веса судна образует с плоскостью ДП тот же угол q .

Накрененный борт будет вытеснять воды больше, чем противоположный, и ЦВ сместится в сторону крена.

Тогда равнодействующие силы поддержания и веса будут неуравновешенными, образующими пару сил с плечом, равным

l = h 0sin q .

Повторное действие сил веса и поддержания измеряется восстанавливающим моментом

M = Dl = Dh 0sin q .

Где D — сила плавучести, равная силе веса судна;

l — плечо остойчивости.

Эта формула называется метацентрической формулой остойчивости и справедлива только для малых углов крена, при которых метацентр можно считать постоянным. При больших углах крена метацентр не является постоянным, вследствие чего нарушается линейная зависимость между восстанавливающим моментом и углами крена.

Взаимным расположением груза на судне судоводитель всегда может найти наиболее выгодное значение метацентрической высоты, при которой судно будет достаточно остойчивым и меньше подвергаться качке.

Кренящим моментом называется произведение веса груза, перемещаемого поперек судна, на плечо, равное расстоянию перемещения. Если человек весом 75 кг, сидящий на банке, переместится поперек судна на 0,5 м, то кренящий момент будет равен 75*0,5 = 37,5 кг/м.

Рис 91. Диаграмма статической остойчивости

Для изменения момента, накреняющего судно па 10°, надо загрузить судно до полного водоизмещения совершенно симметрично относительно диаметральной плоскости. Загрузку судна следует проверить по осадкам, измеряемым с обоих бортов. Креномер устанавливается строго перпендикулярно диаметральной плоскости таким образом, чтобы он показал 0°.

После этого надо перемещать грузы (например, людей) на заранее размеченные расстояния до тех пор, пока креномер не покажет 10°. Опыт для проверки следует произвести так: накренить судно на один, а затем на другой борт. Зная крепящие моменты накреняющего судно на различные (до наибольшего возможного) углы, можно построить диаграмму статической остойчивости (рис. 91), что оценит остойчивость судна.

Остойчивость можно увеличивать за счет увеличения ширины судна, понижения ЦТ, устройства кормовых булей.

Если центр тяжести судна расположен ниже центра величины, то судно считается весьма остойчивым, так как сила поддержания при крене не изменяется по величине и направлению, но точка ее приложения смещается в сторону наклона судна (рис. 92, а). Поэтому при крене образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом, стремящимся вернуть судно в нормальное вертикальное положение па прямой киль. Легко убедиться, что h>0, при этом метацентрическая высота равна 0. Это типично для яхт с тяжелым килем и нетипично для более крупных судов с обычным устройством корпуса.

Если центр тяжести расположен выше центра величины, то возможны три случая остойчивости, которые судоводитель должен хорошо знать.

Первый случай остойчивости

Метацентрическая высота h>0. Если центр тяжести расположен выше центра величины, то при наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает диаметральную плоскость выше центра тяжести (рис. 92, б).

Рис. 92. Случай остойчивого судна

В этом случае также образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом. Это типично для большинства судов обычной формы. Остойчивость в этом случае зависит от корпуса и положения центра тяжести по высоте. При крене кренящийся борт входит в воду и создает дополнительную плавучесть, стремящуюся выровнять судно. Однако при крене судна с жидкими и сыпучими грузами, способными перемещаться в сторону крена, центр тяжести также сместится в сторону крена. Если центр тяжести при крене переместится за отвесную линию, соединяющую центр величины с метацентром, то судно опрокинется.

Второй случай неостойчивого судка при безразличном равновесии

Метацентрическая высота h = 0. Если центр тяжести лежит выше центра величины, то при крене линия действия силы поддержания проходит через центр тяжести MG = 0 (рис. 93). В данном случае центр величины всегда располагается на одной вертикали с центром тяжести, поэтому восстанавливающаяся пара сил отсутствует. Без воздействия внешних сил судно не может вернуться в прямое положение. В данном случае особо опасно и совершенно недопустимо перевозить на судне жидкие и сыпучие грузы: при самой незначительной качке судно перевернется. Это свойственно шлюпкам с круглым шпангоутом.

Третий случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Метацентрическая высота h<0. Центр тяжести расположен выше центра величины, а в наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает след диаметральной плоскости ниже центра тяжести (рис. 94). Сила тяжести и сила поддержания при малейшем крене образуют пару сил с отрицательным восстанавливающим моментом и судно опрокидывается.

Рис. 93. Случай неостойчивого судна при безразличном равновесии

Рис. 94. Случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Разобранные случаи показывают, что судно остойчиво, если метацентр расположен выше центра тяжести судна. Чем ниже опускается центр тяжести, тем судно более остойчиво. Практически это достигается расположением грузов не на палубе, а в нижних помещениях и трюмах.

§ 42. КАЧКА

Существует бортовая (боковая) качка, когда судно совершает колебательные движения вокруг своей продольной оси, и килевая (продольная), когда судно совершает колебания вокруг поперечной оси. При движении под каким-либо углом к гребням волн судно обычно одновременно подвергается как бортовой, так и килевой качке.

Ввиду неравномерного погружения судна в волны во время качки затрудняется его плавание, уменьшается скорость хода. Во время качки могут перемещаться грузы, ухудшается состояние людей, особенно на малом судне. При качке мелкое судно может залить водой, опрокинуть. Поведение судна при килевой качке зависит от формы обводов носа и кормы. Если образование носа острое, то судно на волнении зарывается носом в воду, тяжело всплывает на волну. Широкое образование и достаточный развал бортов в носовой оконечности судна выше грузовой ватерлинии увеличивают запас плавучести в носу, что препятствует погружению и обеспечивает подъем носа на волну. Чрезмерно полная носовая часть при встречном волнении уменьшает скорость судна и тяжело воспринимает удары волны. Если корма судна имеет подзор, свес, отвесный или наклонный транец, то волна, ударяясь о корму, сбивает судно с курса. Кроме того, корму с подзором или отвесом большая попутная волна стремится закинуть вверх и в сторону.

Остойчивость и качка взаимозависимы. Чем больше начальная метацентрическая высота, тем больше остойчивость и стремительнее, порывистее, беспокойнее качка.

Опасность опрокидывания малого судна увеличивается при заливании корпуса водой. Вода, особенно при отсутствии водонепроницаемых переборок, переливается при качке от борта к борту и способствует увеличению крена, уменьшает остойчивость. Опасно также смещение грузов или людей к одному из бортов, особенно на верхних палубах моторных яхт и пассажирских катеров. Бывали случаи, когда от скопления людей и грузов на одном борту опрокидывались крупные паротеплоходы.

Наличие в корпусе свободно переливающейся воды резко снижает остойчивость судна. Поэтому при плавании в неблагоприятных погодных условиях борьба с поступлением воды является главной задачей судоводителя. Уменьшить поступление воды можно выбором рациональных курсов относительно волнения с одновременным увеличением метацентрической высоты путем правильного расположения грузов на судне. Грузы следует располагать как можно ниже и равномерно относительно диаметральной плоскости для того, чтобы не создавать дополнительного крена от неравномерно расположенного груза. Увеличение метацентрической высоты позволит несколько уменьшить размах качки и тем самым будет содействовать предотвращению заливания судна.

§ 43. НЕПОТОПЛЯЕМОСТЬ

Непотопляемостью судна называется его способность держаться на воде, сохраняя свои мореходные (навигационные) качества, несмотря на поступление воды в один или несколько отсеков корпуса судна через борт или через повреждения в обшивке корпуса. Непотопляемость обеспечивается устройствами, не пропускающими в корпус воду, в том числе водонепроницаемой палубой, фальшбортом, ветровым стеклом, ограждениями вокруг кокпитов, комингсов и другими подобными мерами. Непотопляемость в случае повреждений обеспечивается достаточным запасом плавучести, созданным за счет разделения корпуса судна водонепроницаемыми переборками на ряд обособленных отсеков или с помощью других устройств. Например, воздушных ящиков, «плавучестей» — материалов с малым удельным весом (пенопласта и т. д.).

Объем воздушных ящиков, пенопласта и т. п. рекомендуется

иметь ( ) LВН м 3в зависимости от назначения района плавания. Этот объем должен обеспечивать поддержание на плаву затопленного судна при наличии 1—2 человек и сохранении положительной остойчивости.

На маломерных судах носовая часть судна принимает наибольшое количество ударов и наиболее подвержена повреждениям. Поэтому для обеспечения непотопляемости эффективна установка первой от форштевня водонепроницаемой поперечной переборки. Эти переборки на маломерных судах обычно устанавливают на расстоянии одной-двух шпаций от форштевня, но не менее 0,5 В. Суда со стационарным двигателем имеют водонепроницаемые переборки, ограждающие двигатель как с носа, так и с кормы. Эти переборки не позволяют воде переливаться из отсека в отсек и тем предотвращают перегрузку носа или кормы при дифференте.

Непотопляемость мелких судов, не имеющих водонепроницаемых переборок, в том числе спасательных шлюпок, даже в случае полного их затопления водой обеспечивается устройством герметических воздушных ящиков. Общий объем воздушных ящиков на маломерных деревянных судах должен быть не менее 1/10 объема судна. На металлических судах для обеспечения достаточной плавучести потребуется больший объем воздушных ящиков.

§ 44. ХОДКОСТЬ И ИНЕРЦИЯ

Ходкостью называется способность судна перемещаться на воде с заданной скоростью при определенной мощности двигателя. Ходкость является одновременно мореходным качеством и маневренным элементом судна. Инерция является только маневренным элементом судна.

1. Ходкость

Скорость движения или ход сообщается судну в результате работы двигателя и движителя.

Сила, которая сообщает судну движение, называется упором. Мощность судового двигателя, приводящего в действие движитель (гребной винт и т. д.), зависит от назначения судна и его габаритов. Не вся мощность двигателя используется движителем для создания упора. Часть мощности теряется бесполезно в виде потерь на трение в подшипниках и в других движущихся частях машины и гребного вала. Часть мощности теряется еще и при взаимодействии винта с водой.

Отношение полезной мощности, использованной на создание упора N y к полной мощности двигателя N называется полным коэффициентом полезного действия — к.п.д. Для маломерных судов в зависимости от качества выполнения линии гребного вала и винта полный к.п.д. обычно составляет от 0,45 до 0,55.

Чем меньше сопротивление воды, тем большую скорость сообщит упор судну. Поэтому скорость движения зависит не только от мощности мотора, но и от обводов корпуса, от качества его окраски и от соотношения ширины, длины и осадки судна.

Обводы корпуса с малым сопротивлением движению существенны для судов с большой скоростью, например для спасательного катера, но совершенно не обязательны для туристских катеров. При дальних туристских плаваниях на судах с большой скоростью все внимание судоводителя будет направлено на отыскание фарватера. Обход препятствий лишит его возможности испытать прелести похода. Кроме того, быстрое движение судна лишает и других участников похода возможности любоваться окружающей природой, а при волнении, даже небольшом, утомляет их.

При разгоне судна упор растет с увеличением скорости судна, но это продолжается до некоторого предела, после чего сила сопротивления становится равной упору, т. е. судно начинает двигаться равномерно, с постоянной скоростью.

Для водоизмещающих круглодонных небыстроходных судов (катеров), больших туристских и рабочих лодок с подвесными моторами скорость можно ориентировочно определить по формуле:

V = 4,2 .

Для полуглиссирующих быстроходных катеров с V-образными обводами и водоизмещением до 5 т, а также для лодок с подвесным мотором скорость определяется по формуле

V = 6 ,

где N — мощность двигателя, л с.;

L — длина корпуса по грузовой ватерлинии, м;

D — весовое водоизмещение с командой, грузом и топливом, т;

V — скорость хода, км/час.

На очень малом ходу судно плохо слушается руля, так как давление воды на руль небольшое. Увеличение скорости способствует улучшению поворотливости судна.

Самой малой скоростью или самым малым ходом называют наименьшую скорость, при которой судно слушается руля и способно управляться. Малый ход равен 50% полного хода, который принимают за 100%, а средний — 75%.

Скорость хода измеряется расстоянием, которое проходит судно в единицу времени и выражается в узлах (милях в час), километрах в час и в метрах в секунду.

Скорость хода для каждого судна определяется опытным путем (см. §26).

Ходкость судна характеризуется скоростью хода и инерцией, от которых зависит успешное маневрирование судна, и для каждого судна они индивидуальны.

В режиме плавания судна, при котором его вес полностью уравновешивается гидростатической силой поддержания, с началом движения на судно действует горизонтальная сила сопротивления водной среды. Эта сила направлена противоположно движению судна и называется сопротивлением воды. Чем больше скорость хода судна, тем больше сопротивление воды. Кроме сопротивления водной среды, или гидродинамического сопротивления, на судно действует сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), особенно увеличивающееся при сильном встречном ветре.

Полное гидродинамическое сопротивление состоит из сопротивления формы (вихревого и волнового сопротивления) и сопротивления трения.

Волновое сопротивление — это сила сопротивления воды, возникающая при движении судна, раздвигающего воду, и связанная с потерей энергии на волнообразование. Волновое сопротивление зависит от скорости судна, размерений и обводов его, глубины фарватера. С уменьшением скорости уменьшается волновое сопротивление. Относительная величина волнового сопротивления зависит от ободов подводной части корпуса судна. Судно с неудачными обводами вызывает большую волну при своем движении. Судно с хорошими обводами может волны почти не вызывать.

Вихревое сопротивление вызывается выступающими частями подводной части судна, например транцем, угловым ахтерштевнем, а также шероховатостями днища.

Сопротивление трения определяется вязкостью или силой сопротивления взаимному перемещению слоев воды. Слой воды, прилипший к обшивке корпуса, увлекается движущимся судном и называется пограничным слоем. Благодаря хаотическому тепловому движению молекулы воды из пограничного слоя переходят в прилегающий к нему слой воды и уносят некоторое количество движения, сообщенное им движителем судна. Уменьшение количества движения по второму закону Ньютона равно отрицательному импульсу силы, что и объясняет возникновение сил вязкого трения. Шероховатости увеличивают толщину пограничного слоя. Величина сопротивления трения тем больше, чем больше площадь смоченной поверхности обшивки корпуса и степень ее шероховатости, чем больше скорость хода и вязкость, определяемая плотностью и температурой воды. Сопротивление трения увеличивается с увеличением плотности воды и с уменьшением ее температуры. При одинаковой длине, ширине и осадке судна сопротивление трения всегда меньше у судов с закругленным поперечным сечением корпуса.

При увеличении скорости движения судна ввиду плохой сжимаемости воды давление в носовой части судна увеличивается и падает перед винтом. Носовая часть судна поднимается из воды, корма садится (увеличивается дифферент на корму) и днище судна начинает двигаться под углом к поверхности воды. На глиссирующее судно начинает действовать гидродинамическая подъемная сила, уменьшающая гидростатическую силу поддержания. При малой скорости гидродинамическая подъемная сила незаметна, но с увеличением скорости она увеличивается. Поэтому судно с плоским днищем при определенной скорости можно заставить скользить по поверхности воды или глиссировать.

В режиме глиссирования гидродинамическое сопротивление значительно меньше, чем при водоизмещающем режиме движения судов. Особая конфигурация корпуса глиссера обеспечивает ему быстрый переход из водоизмещающего режима в режим глиссирования, особенно если на днище имеется выступ-редан. Редан при сравнительно небольшом увеличении мощности значительно увеличивает скорость, которая у некоторых групп глиссеров достигает 200 км/час.

Общей оценкой глиссера является отношение его полного водоизмещения к мощности его двигателя. Иногда для той же цели применяют обратную величину, т. е. мощность двигателя, приходящуюся на единицу веса.

Глиссеры при хорошей скорости не обладают хорошими мореходными качествами, грузоподъемность их сравнительно мала. Поэтому глиссеры обычно используются только как спортивные суда.

При встрече даже с небольшой волной плоское днище глиссера испытывает сильнейшие удары, вызывая тряску. Это не только отражается па прочности судна, но и быстро утомляет команду.

Безреданные катера с глиссирующими обводами движутся при небольшом остаточном водоизмещении, они могут развивать большую скорость и иметь большую грузоподъемность. Эти суда менее чувствительны к волне, чем глиссер, и успешно преодолевают небольшие волны. Поэтому у них район плавания больше, чем у глиссеров. Такие катера используются как спасательные, разъездные, туристские.

Сейчас построены и строятся суда на подводных крыльях, у которых корпус судна глиссирующий, а под корпусом делаются несущие поверхности — подводные крылья. На самом полном ходу корпус такого судна движется в воздухе — над водой.

При одинаковой площади и скорости подъемная сила подводного крыла в три-четыре раза больше, чем у редана. Гидродинамические качества крыла зависят от угла атаки и удлинения крыла. Суда на подводных крыльях имеют большие скорости, экономичны, более мореходны, чем глиссеры. Это обусловлено тем, что при движении на крыльях корпус находится над водой и не испытывает ударов волн, а при плавании на малых скоростях уменьшается качка. Наилучшая мореходность достигается тогда, когда вес катера приблизительно поровну распределяется на носовое и кормовое крыльевые устройства.

Суда на подводных крыльях могут идти над небольшими волнами, а при большой волне уменьшить ход и двигаться как обычные водоизмещающие суда; они всегда должны следовать по судоходному фарватеру или по местам, где глубины известны. Эти суда ввиду увеличенной осадки не всегда могут подойти для стоянки к неизвестному и недооборудованному берегу и зайти в мелководный залив из опасения повредить крылья на малой глубине, но на полном ходу они имеют малую осадку и могут преодолевать мелководье. Моторная лодка на крыльях дли-пой 4—5 м обычно преодолевает волну высотой 0,2 м, а катер длиной 8—9 м — 0,4 м.

2. Инерция

Любое судно после выключения двигателя не сразу останавливается, а некоторое время продолжает двигаться по инерции.

Инерция как маневренный элемент судна характеризуется временем и расстоянием, которое пройдет судно от момента изменения режима работы двигателя до момента установления нового состояния движения судна.

Инерционные характеристики судна необходимо знать и учитывать при швартовке, расхождении, шлюзовании, постановке на якорь и т. д.

Инерционные характеристики своего судна судоводитель может установить опытным путем во время практического плавания. Нужно знать расстояние, проходимое судном после переключения хода с полного на стоп, со среднего на стоп и т. д., время от момента выключения двигателя до полной остановки судна, какие расстояния проходит судно в прежнем направлении после изменения ходов с переднего на задний, с заднего на передний и т. д.

В частности во внимание принимаются максимальные инерционные характеристики и конкретно выбег или свободное движение судна по инерции, проходимое после остановки двигателей, когда инерция гасится только за счет силы сопротивления воды. Выбег для глиссирующих мотолодок и катеров не превышает 50 м, а для катеров на подводных крыльях — 120 м.

Активное торможение производится путем реверса двигателей для гашения инерции движения работой двигателей на задний ход до величины, соответствующей остановке судна относительно (дна) берега.

Активное торможение совершается чаще всего экстренно при угрожающих судну обстоятельствах.

На речном флоте 30% аварий происходит из-за неправильного маневрирования, связанного с недостаточным знанием судоводителями маневренных характеристик флота, что в полной мере относится и к инерционным характеристикам судов в реальных путевых условиях *.

Определение расстояния, которое судно проходит по инерции с момента выключения мотора после хода на полной скорости, можно произвести следующим образом. Разогнав судно до полной скорости, нужно выключить мотор и одновременно выбросить на воду чурку; после того как судно прекратит свое движение, выбрасывают вторую чурку. Расстояние между чурками может быть измерено так же, как это описано в § 45 при определении циркуляции.

Желательно проверить инерционные характеристики, получаемые от остановки двигателя на различных режимах движения судна и свести их в специальную нижеприводимую таблицу.

Инерционные характеристики как маневренные элементы судна зависят от многих постоянных и изменяющихся причин и условий:

1. Инерционные характеристики судна тем больше, чем большую скорость развило судно и чем больше оно загружено.

2. Время остановки судна, изменения направления или скорости его движения зависит от того, насколько быстро изменится режим работы винта, от мощности двигателя и от упора винта при работе на задний или передний ход.

3. Чем больше глубина под килем судна, тем до определенных пределов больше инерционные характеристики движения судна.

4. Инерционные характеристики движения относительно дна у судна, идущего против течения, меньше, чем у судна, идущего по течению. Скорости относительно дна для судов, идущих вверх и вниз по течению, могут сильно отличаться.

5. Чем больше надводная часть судна, тем больше его парусность; при попутном ветре потребуются большие расстояния и много времени для того, чтобы погасить инерцию движения судна.

6. Встречный ветер уменьшает инерционные характеристики, попутный — увеличивает время и расстояние, необходимое для остановки судна.

Следует иметь в виду, что идущие с большой скоростью суда на крыльях имеют большее свободное торможение по расстоянию, чем водоизмещающиеся суда. На моторных лодках и катерах с подвесными моторами на подводных крыльях после резкого снятия газа набегающий поток воды энергично откидывает двигательное устройство на фиксатор, а судно на свободном торможении продолжает скользить на крыльях до потери скорости.