Флотська енциклопедія
моделі суден
Моделі судів будували ще в глибоку давнину. Вони служили тоді в основному лише прикрасами та іграшками. І тільки в кінці XIX століття суднобудівники навчилися робити і відчувати моделі судів так, щоб по цих випробувань можна було ще до побудови судна дізнатися всі його якості.
До моделі судна прийшли не відразу. Ще в середині XVI століття англійські суднобудівники намагалися на моделях перевіряти якість споруджуваних вітрильних кораблів. Ці спроби були дуже боязкими, а їх результати в більшості своїй - невірними. Наприклад, для випробування судна на ходу під вітрилами користувалися хутром, які створювали «вітер». Тепер-то ми знаємо, що випробування моделі парусного судна проводиться в аеродинамічних трубах.
В середині XVIII століття французькі вчені проводили з моделями вітрильних кораблів досліди із більш «науковим» підходом. Цей захід проводився на ставку, в одній місці якого була встановлена щогла висотою близько 23 м с одним роликом у топа і другим лише на рівні води. На протилежному кінці озера ставили на воду модель парусного судна з прикріпленою до неї шовковою ниткою, яку натягували вздовж ставка і пропускали через обидва ролики на щоглі. На вільному кінці нитки прикріплювався вантаж, який, опускаючись, змушував модель судна проходити шлях довжиною близько 20 м. Після того як модель судна опускалася на воду, вона спочатку рухалася з прискоренням, а потім рівномірно зі сталою швидкістю.
Суднобудівники міркували: якщо модель судна йде рівномірно і при цьому не тягне сила, рівна вазі вантажу, значить вода затримує модель судна з силою, рівною вазі вантажу. Цю силу і назвали опором води. При такому способі випробувань, коли для всіх моделей грузик залишався одним і тим же, опір всіх моделей судів було однаковим: воно дорівнювало вазі грузика а, значить, було відомо заздалегідь. Випробування ж полягала в тому, що вимірювали сталу після розгону швидкість ходу моделі судна. Зрозуміло, що модель, що володіє обводами, мала найменший опір, а значить і її швидкість теж була найбільшою. Але як обчислити опір і швидкість корабля, знаючи спротив і швидкість моделі судна, що перерахувати опір і швидкість з моделі в «натуру». Цього ще ніхто не знав.
Випробування моделей суден для порівняння між собою обводів і парусного озброєння вироблялося значно пізніше, ще сто років тому назад. У ті роки в Англії конкурували між собою кілька торгових компаній, щорічно привозили з Китаю чай нового врожаю. Чай доставлявся на спеціальних невеликих, але досить швидкохідних вітрильних кораблях - кліперах. Звичайно, кожна компанія хотіла першої привезти свій чай, і кліпер, що прийшов з Китаю першим, отримував премію. Кожна морська компанія прагнула побудувати найшвидкохідніші судно, і кожна з них в секреті від інших будувала за різними проектами моделі вітрильних суден в однаковому масштабі і влаштовувала у морського узбережжя гонки невеликих суден. Модель, яка показала найкращі результати в швидкості, вважалася найкращою, і по ньому будувалося вітрильне судно. Такі випробування допомагали виявляти переваги та недоліки різних обводів і парусного озброєння.
В кінці XIX століття вже багато будувалося і пароплавів. При їх проектуванні потрібно знання потужності машини, яку було необхідно змонтувати на судно, щоб воно могло долати опір води і йти із заданою швидкістю. Але для цього потрібно було, перш за все, знати опір судна. Як визначити опір судна, навіть якщо відомо опір моделі судна. в той час цього ще ніхто не знав. Вперше такі розрахунки зробив в 1870 році англієць Вільям Фруда. Він знайшов спосіб випробування моделей і перерахунку їх результатів з метою визначення опору корабля. Фруда запропонував використовувати для цього відомий науці «закон механічного подібності», який був виведений ще Ньютоном. Британське Адміралтейство ретельно провело випробування моделі та «натури», і переконалося, що його метод дає досить точні результати. З того часу суднобудівники отримали потужна зброя - лабораторії, які тепер називаються опитовимі басейнами.
Зараз у всіх країнах світу налічується близько 100 таких басейнів. Їх довжина становить від 20 до 1200 м. Опитовий басейн
Сучасні дослідному басейні мають дуже точне і різноманітне обладнання, яке дозволяє вивчати на моделях всі якості і поведінку будь-якого споруджуваного судна в різних умовах плавання. Тепер відчувають не тільки моделі корпусів, а й моделі гребних гвинтів, рулів, підводних крил. У басейнах перевіряють, як модель судна буде реагувати на качку під різними кутами до хвилях тощо. Але основними, найчисленнішими випробуваннями є буксирувальні випробування, за якими визначається величина опору, з яким буде надавати на майбутнє судно вода.
Хоча питаннями, пов'язаними з вивченням опору судів, вчені займаються вже багато століть, без випробувань моделі точно обчислити цей параметр неможливо. Це відбувається тому, що опір залежить від дуже багатьох причин, врахувати які точно неможливо. Найважливіше врахувати вплив на величину опору форми тіла (обводів).
Сучасний опитовий басейн - це довгий, виритий в землі бетонований і заповнений водою котлован, закритий стінами і дахом. Довжина басейну в 20-50 разів більше ширини, а глибина приблизно вдвічі менше ширини. Уздовж кожного берега котловану прокладається по одній рейці. За цими двома рейках над котлованом ходить велика, в кілька метрів завдовжки, металева платформа на колесах, на якій під час випробування перебувають дослідники. Ця платформа обладнана рушійними її електромоторами і вимірювальними приладами. У середній частині статі цієї платформи, званої буксирувальної візком, зроблений виріз, над яким встановлено динамометр (силомір) з важелем, що спускається до води.
Модель судна ставлять на воду під виріз візки і тросом прикріплюють до нижнього кінця важеля. Коли буксировочная візок з динамометром, а за ним і модель буде рухатися вздовж басейну, динамометр покаже горизонтальну силу, з якою модель судна тягне його важіль назад.
Ця сила і є опір, яке зустрічає модель судна. Руху судна пручається не тільки вода, але і повітря. Звичайно, опір повітря набагато менше опору води (щільність повітря в 800 разів менше щільності води). Воно має значення тільки при дуже сильному зустрічному вітрі або дуже великій швидкості ходу судна.
Буксировочная візок може ходити з будь-якою швидкістю. На випробуваннях вимірюють опір, починаючи з найменших швидкостей і закінчуючи найбільшими, які тільки потрібні. В результаті буксирувального випробування отримують діаграму опорі моделі судна. Записавши свідчення динамометра при всіх швидкостях, їх відкладають на діаграмі догори, проти відповідних ділень горизонтальної шкали швидкості.
Для буксирувальних випробувань виконують модель тільки корпуса, без палуб, надбудов, щогл і т. П.
Але якщо потрібно, то на днище корпусу ставлять виступаючі підводні частини - гребні вали, що підтримують їх кронштейни, бортові кили, а також керма. Моделі корпусів роблять з парафіну з воском. Розплавленої сумішшю парафіну з воском обливають грубо зроблений з дранок і фанери каркас, поміщений вгору днищем у ящику; застиглу болванку з каркасом обробляють зовні за лекалами.
Такі морехідні якості судна. як плавучість, остійність і непотоплюваність, в басейнах майже ніколи не визначають. Їх дуже точно обчислюють з теоретичного креслення. При проектуванні знаменитого криголама «Єрмак» для визначення сили тиску носа криголама зверху на лід і його дифферента довелося зробити модель криголама. Ніс моделі піднімали над водою на невелику висоту, вимірюючи прикладається для цього силу і створився дифферент. Тепер такі випробування замінюють розрахунками.
закон механічного подібності
Щоб все виміряний і помічене під час випробування моделі можна було перерахувати на даний судно, треба модель робити подібної «натурі». Всі умови випробувань повинні бути також подібними умовами плавання судна. Тільки тоді можна буде користуватися законом механічного подібності і по поведінці моделі судна з упевненістю сказати, як буде вести себе судно, якими будуть його опір, осаду, остійність, хитавиця і всі інші якості.
Якщо модель судна подібна «натурі», то вона насамперед подібна їй геометрично. А це значить, що всі зовнішні лінійні розміри її корпусу по довжині, ширині й висоті менше, ніж у судна, в один і той же число раз. Якщо вибране масштабне число дорівнює, наприклад 10 і, отже, масштаб моделі дорівнює 1:10, то все лінійні розміри подібному моделі судна повинні бути в 10 разів менше, ніж у справжнього корабля. Легко здогадатися, що в цьому випадку всі площі моделі судна (площа палуби, площа вітрил, площа зовнішньої обшивки) будуть виходити в 10x10 = 10. то є в 100 разів меншими, а обсяги (об'ємне водотоннажність) в 10X10X10 = 10. тобто в 1000 разів меншими, ніж в «натурі», в той час як всі кути на моделі судна залишаться тими ж, що і на «натурі». Геометричної подоби було б достатньо, якби ми будували лише настільну модель судна. Коли така модель буде спущена на воду, одного геометричного подібності не вистачить: її осаду і диферент не відповідатимуть вимогам, що пред'являються до цього судну.
Для того щоб у моделі, що стоїть на воді, домогтися необхідних значень опади, дифферента і крену, треба, щоб вага моделі судна був менше ваги «натури» в число разів, рівна масштабного кількістю в третього ступеня і аби відстані від центральної точки моделі до носа або корми, до основної лінії були геометрично подібними. Це означає, що при масштабному числі, рівному, наприклад, 10, повна вага моделі (тобто вагове водотоннажність) повинен бути в 10? = 1000 разів менше ваги судна, а відстані до центральної точки по довжині, ширині і висоті моделі повинні бути в 10 разів меншими, ніж у судна.
Тільки за цих умов осаду, диферент і крен моделі судна будуть подібними. При цьому осаду буде в 10 разів менше, ніж у «натури», а кути дифферента і крену будуть такими ж, як у «натурі». Але тепер вважають за краще обчислювати об'ємне водотоннажність і осадку судна і, не роблячи для цього модель - робити обчислення швидше і дешевше.
Поки модель коштує на воді, геометричного і вагового подоб буде досить, але якщо модель почне рухатися, то для повної подібності треба, щоб і її швидкість була подібною, а саме: менше швидкості судна в число разів, рівна кореню квадратному з масштабного числа. Так, при масштабі 1:10 швидкість моделі судна повинна бути в v10 = 3,16 рази менше швидкості судна. При такій швидкості опір моделі буде подібним: менше опору судна в число разів, рівна масштабного числу в кубі. Так як при випробуваннях моделей суден в дослідному басейні строго дотримуються повне подобу, то результати випробувань легко перерахувати на «натуру»: досить швидкість моделі помножити на корінь квадратний, а опір - на куб масштабного числа.
У таблиці 1 вказано, в скільки разів треба зменшити величини судна, щоб отримати подібну модель і, отже, подібні результати випробувань. У цій таблиці масштабне число позначено літерою «a». При перерахунку з моделі на «натуру» і назад зручно користуватися таблицею 2.
Таблиця 1
Таблиця 2
- Круїзний річковий пароплав «American Queen»
- Теплохід «Михайло Лермонтов»
- Океанський лайнер «Queen Mary 2»
Безліч прекрасних вітрильних кораблів було збудовано майстрами в 16-18-х століттях, вони були неповторно красиві.
Однак, кораблебудування не стоїть на місці, і на прикладі сучасних круїзних лайнерів і новітніх яхт ми бачимо високий рівень його розвитку.