Основний навантаженням, що діє на щоглу парусної яхти, є сила стиснення під дією натягу навітряних вант, тому розрахунок елементів поперечного перерізу щогли можна виконувати за відомою формулою Ейлера для критичної сили працюючого на поздовжній вигин тонкого стрижня.
Мінімальний момент інерції перетину щогли:
де РКР = n · Ро - критична сила, при якій відбувається втрата стійкості щогли, кгс (n - коефіцієнт запасу міцності; Ро - осьова сила, що діє на щоглу, кгс);
L - розрахункова довжина прольоту щогли, м;
Е - модуль нормальної пружності матеріалу, кгс / см 2.
Очевидно, що осьова сила Ро залежить від водотоннажності D і остійності яхти і приблизно може бути визначена за формулою:
де k - коефіцієнт, який має такі значення (за даними розрахунків остійності): для катамаранів - 1,0; гоночних швертботів, від-креніваемих з трапецією, - 0,70; крейсерсько-гоночних і гоночних кільових яхт - 0,45; крейсерських яхт - 0,40; крейсерських швертботів - 0,36.
Коефіцієнт k являє собою подвійну значення відносини плеча статичної остійності до ширини яхти (k = 2lст: BWL) для розрахункового випадку максимальною експлуатаційною навантаження на щоглу: для катамаранів - це максимум, що відновлює моменту; для швертботів - відновлює момент при максимальному откреніваніі екіпажем; для кільових яхт - відновлює момент при нахилі 35-45 °. Природно, якщо конструктор має діаграмою статичної остійності, слід скористатися уточненими значенням k.
Коефіцієнт n залежить від типу яхти і умов її експлуатації. Найменше значення n≈3 приймається для гоночних швертботів і яхт; для крейсерських яхт, що плавають в суворих морських умовах, n = 5 ÷ 6.
Розрахункова довжина прольоту щогли L, яка залежить від схеми розкріплення щогли стоячим такелажем, може бути визначена лише приблизно. Чим більше рядів краспіц в межах висоти переднього парусного трикутника H, тим менше ця довжина. Коефіцієнт η залежно
визначається експериментальним шляхом для типових схем оснащення щогл стоячим такелажем.
Практично формула для визначення мінімального моменту інерції перетину щогли, що забезпечує достатню міцність, може бути приведена до вигляду:
де H - в метрах, D - в тоннах.
Значення коефіцієнта С (слід мати на увазі - не безрозмірного!) Для різних типів яхт і матеріалів наведені в табл. 1, а в табл. 2 вказані деякі механічні властивості матеріалів, покладені в основу розрахунків. Кращим матеріалом для виготовлення рангоуту, мабуть, слід вважати алюмінієво-магнієві сплави, що володіють найбільшою питомою жорсткістю.
На рис. 1-3 показані типові поперечні перерізи щогл, для кожного з яких в табл. 3 наведені розрахункові формули для визначення моментів інерції щодо головних осей перерізу і площі перетину F.
Інформація про зображення
Мал. 1. Типові перетину дерев'яних щогл
Із запропонованих конструкцій дерев'яних щогл (рис. 1) найважчими будуть щогли типу «а», найлегшими - типу «г» (при рівній міцності їх вага на 30-34% нижче, ніж щогл типу «а»). Відносна вага щогл типу «б» і «в» становить відповідно 75% і 85% ваги щогли «а». За аеродинамічним показниками всі показані перетину приблизно рівноцінні: менш «обтічна», ніж у «б», форма перетинів «в» і «г» компенсується меншою площею щогли, нормальної до потоку.
Вага погонного метра щогли можна підрахувати за формулою
де F - площа її перетину, см 2;
Y - щільність матеріалу, г / см 3.
Інформація про зображення
Мал. 2. Типові перетину пресованих щогл з легкого сплаву
Перетину пресованих щогл з легкого сплаву показані на рис. 2. Перетини типу «а» зазвичай застосовують для швертботів і невеликих яхт водотоннажністю до 2,5-3 т, перетину «б» (еліптичні або овальні труби) з внутрішнім або зовнішнім рейкою для повзунків вітрила - для більших яхт. Однак зараз і на малих яхтах все частіше можна зустріти щогли з перетином типу «б» і з лікпазом (показаний пунктиром). Бічні стінки пресованих щогл роблять потовщеними, щоб забезпечити прийнятні значення напруг зминання в місцях кріплення оковок. Середня товщина стінки спеціально виготовлених щоглових профілів зазвичай становить δ = 0,022 ÷ 0,033 В, але не менше 2 мм.
Момент інерції круглої тонкостінної труби з зовнішнім діаметром D і товщиною стінки δ можна підрахувати за формулою:
Зазвичай застосовують перетину з відношенням розмірів k = Н / В, рівним для «гнучкого» рангоуту 1,25 ÷ 1,3 і для «жорсткого» - 1,4 ÷ 1,5. Такі співвідношення забезпечують відношення моментів інерції Imax. Imln = 1,6 ÷ 2,5.
Інформація про зображення
Мал. 3. Типові перетину зварних щогл з легкого сплаву
Еліптичні перетину виконують спрощеними, складеними з дуг кіл або з плоскими ділянками на бічних стінках, як показано на рис. 3, б. Щогли круглого перетину небажані, оскільки, забезпечуючи їх жорсткість в поздовжньому напрямку, доводиться кілька завищувати і поперечну жорсткість (див. Примітку 3 до табл. 1). Крім того, щоб краще розкріпити щоглу в поздовжньому напрямку, звичайно потрібні установка додаткових штагів і бакштаг, великий винос основних вант від траверзу щогли вперед і назад і т. П.
При виборі товщини зварних щогл (рис. 3) слід враховувати складність зварювання тонких стінок і кріплення до них оковок; крім того, тонкостінні щогли можуть мати недостатню міцність на стиск (перевірка робиться за звичайними схемами розрахунку тонкостінних стрижнів на поздовжній вигин) і схильні до втрати стійкості стінок при випадкових навантаженнях, ударах і т. п.
Визначивши найбільший перетин щогли в районі кріплення основних вант, можна встановити елементи перетинів в інших районах щогли. Для шлюпа з озброєнням типу «3/4» або «7/8» перетин від середини прольоту до шпору може бути зменшено (за лінійними розмірами) до 0,95 максимального, до вершини переднього трикутника - до 0,8-0,85 і до топу - до 0,5.
Для шлюпів з топовим стакселем щогли найчастіше роблять циліндричними, оскільки осьова навантаження на таких щоглах практично постійна по всій довжині. Припустимо зменшення перетину у топа не більше ніж на 20% максимального, причому звуження щогли можна починати не нижче 75-80% її висоти від палуби.
Якщо в межах висоти переднього трикутника ставиться одні ряд краспіц, то їх висота від палуби зазвичай дорівнює 52-60% висоти трикутника, якщо два, то нижні ставлять на висоті 40-47%, а верхні - 70-76% висоти щогли над палубою.
Довжину нижньої краспіци при звичайному озброєнні «3/4» або «7/8» не слід робити менше 7-8% висоти переднього трикутника. Такий же (але не менше) може бути і довжина нижніх краспіц при топовом стакселем і двох рядах краспіц. Якщо при топовом стакселем варто один ряд краспіц, то довжина їх повинна бути максимальною (дорівнює половині ширини яхти біля щогли або трохи менше її).
На закінчення в табл. 4 наведені довідкові розрахункові дані по щоглах кількох типових яхт різних класів; вибір розмірів зроблений розглянутим в статті способом і, для порівняння, за каталогом англійської фірми «Проктор», що випускає пресовані щогли з легких сплавів.
