Опір руху судна

Корпус, що рухається в воді, відчуває опір води і повітря, що перешкоджає його руху.

Опір води складається з опору тертя, форми (вихрового) і хвильового опору. Якщо уважно поспостерігати за рухомою моделлю, то можна помітити, що частина води рухається разом з нею. Модель, навіть якщо її днище абсолютно гладке, під час руху супроводжує шар води. При малих швидкостях потік води, що обтікає днище, має впорядкований рух (це ламінарний потік), а при високих швидкостях - безладне (турбулентний потік).

Закон, який визначає величину опору тертя, було отримано Фруде. Він встановив, що опір залежить від розмірів підводної частини корпусу, стану зовнішньої поверхні і пропорційно квадрату швидкості. Більш довга підводна частина має меншу питомий опір, ніж коротша. Більш шорстка поверхня створює більше тертя, ніж більш гладка.

При підвищенні швидкості не тільки значно збільшується опір тертя, але і утворюються хвилі, на що витрачено ється відчутна частка потужності. Це доводиться враховувати при швидкостях більше 5-6 км / год. Висота створюваних хвиль в основному залежить від довжини і Щирін корпусу судна: більш короткий корпус викликає хвилі більшої висоти, чим довший.

Величина вихрового опору залежить від форми тіла, що сприяє утворенню завихрень в потоці в кормовій частині судна: завихрення зменшують тиск на корму судна і, отже, збільшують опір руху. Вихровий опір зростає зі збільшенням швидкості.

Таким чином, опір руху моделі в воді пропорційно щільності середовища (води), поперечним перерізом моделі по мидель-шпангоуту, розмірами і формою корпусу і станом його підводної поверхні, а також квадрату швидкості. Для зменшення опору бажано, щоб підводна частина корпусу по відношенню до ширини була б досить довгою. Обводи, що утворюють ніс, корму і середню частину корпусу, повинні бути плавними, якщо потрібно зменшити виникнення хвиль і завихрень. Важливо і стан зовнішньої поверхні корпусу: вона повинна бути абсолютно гладкою.

Вітер теж діє на корпус судна і його озброєння. Він викликає опір руху, хоча і в меншій мірі, ніж вода. Для зменшення повітряного опору у моторних і спортивних моделей надводні форми корпусу роблять обтічними, а у вітрильних моделей і щогли повинні мати обтічне поперечний переріз, крім того, на них, по можливості, зменшують стоячий такелаж.

Нарешті, не можна забувати, що і суднові гвинти викликають у воді вихрові потоки, які накладаються на завихрення, що викликаються корпусом судна. Це збільшує опір руху ^. Необхідно стежити, щоб упор рушія моделі збігався з віссю корпусу. В іншому випадку модель почне рухатися під кутом до діаметральної площині і опір води різко зросте. Таке бічний рух називають дрейфом. Щоб зменшити його, багато корпусів виконують з постійними або висувними колами - шверт. Кілі протидіють бічному зсуву і допомагають утримувати судно на курсі.

ОПІР ВОДИ РУХУ СУДЕН

Значна частина потужності двигуна витрачається на подолання важливої частини опору - тертя води об корпус катера. Дійсне опір тертя часто недоойенівается, і тому до нього ставляться недостатньо уважно. Частка тертя в повному опорі може бути легко розрахована, в усякому разі, легше, ніж опір форми, але опору тертя моторних катерів не надають серйозного значення. Зі спортивних судів тільки гоночні вітрильні яхти складають похвальне виняток, так як додається чимало зусиль, щоб надати гладкість їх підводної поверхні. Вода не може струмувати уздовж стінки, не утворюючи значного Грень. Це характерно як для внутрішніх стінок водопровідної труби, берегів русла річки або стінок каналу, так і для омивається зовнішньої поверхні корпусу катера. Очевидно, тертя оди часто не помічають з тієї причини, що воно не так чітко видно, як волнообразованіе. Крім того, воно майже не залежить від форми катера, а обумовлено тільки розміром змоченою поверхні і швидкістю. Тертя неминуче, оскільки катер на ходу омивається водою.

Поширеною помилкою є припущення про відсутність тертя у судна з дуже гладким днищем. Вважають, що завдяки використанню сучасних фарб для підводної частини судна, наприклад фарби з графітом, вода повністю відштовхується, так що немає площі для прикладання сили тертя. Невірно! Тертя виникає завжди! Хоча у дуже шорстких поверхонь воно сильніше, ніж у гладких, проте ні жир, ні графіт, ніяка високоглянсова політура не можуть усунути Грень води або хоча б значно зменшити його.

Лише недавно добавкою химикалиев знайшли можливість еказать вплив на здатність води створювати тертя і зменшувати його. Відразу за форштевнем змінюється і перемішується рівно йде ламінарний потік води. Завихрення потік води вздовж корпусу катера, всередині того значно підвищується: опротівленіе тертя, називають турбулентним.

Якщо вдасться зберегти ламинарное обтікання потоку по зозможно більшій довжині підводної частини судна, то опір Грень зменшиться. Добавка полімерів (ниткоподібних молекул) i воді настільки сильно сприяє ламинаризации потоку здолу зовнішньої обшивки, що в середньому виключається 30% опору тертя; при випробуванні моделі було отримано навіть до 15% економії. Зрозуміло, використання такого хімічного: редства для зменшення опору тертя заборонено) рганізаціі парусного спорту. Тим часом відомі результати 1спитанія, проведеного в 1968 р англійською мінному траль-ЦВК «Хайбетон». З носової частини судна під час ходу постійно напускали дуже слабкий розчин поліоксиетилену (1. 100 ТОВ). Опір тертя катера завдяки цьому зменшувалася) залежно від швидкості і хвилювання на 22-36%. Економія потужності двигуна або палива склала 12-20%. Хоча полі-жсіетілен - недорогий продукт, економія палива не покрила витрат по використанню полімеру.

В середньому половина потужності двигуна моторного катера використовується на подолання опору тертя. В області піку опору, коли r = 5,25, частка тертя знижується до / 3 повного опору, оскільки на волнообразованіе витрачається велика частина опору. При дуже повільному русі під час дрейфу повне опір практично цілком складається з тертя (рис. 17).

Мал. 17. Співвідношення основних видів опору. На дуже малому ходу при R - 1 виникає тільки опір тертя. Різко піднімається великий пік опору при R = 5,25; він залежить від посилення хвилеутворення, опір від того становить тут Vs повного опору. При найбільшому ході до R = 20 волнообразованіе знижується настільки сильно, що опір від нього стає майже рівним також значно зниженого опору тертя. Силуети судів показують співвідношення типів катерів і значень відносної швидкості R = v / VL.

1 - опір форми; 2 - опір Трейн.

До цих пір йшлося про опір тертя як про щось незмінне, але його дійсне значення визначається станом підводної частини судна. Чим більше її шорсткість, тим сильніше тертя води. При обростанні днища тертя може зрости на 50 або навіть 100% в порівнянні з нормальним. У разі дуже сильного обростання тертя іноді збільшується навіть в три рази в порівнянні з тертям при гладкому днище.

Повітряне опір в основному залежить від величини і форми надводної частини судна, т. Е. Від корпусу катера з надбудовами і відповідного такелажу. У середньому вона становить 2-3% повного опору. Але це дійсно лише в ідеальному технічному сенсі, а саме, для тихих днів, коли опір повітря виникає лише від потоку, утвореного рухом катери, і таким вводиться в розрахунок. при 30

сильному зустрічному вітрі і навіть шторм або дуже високій швидкості судна виникає значно більший повітряний опір. Тут рекомендується згадати також про те, що вітер може в значній мірі перешкодити причалювання і відчалі, оскільки під час виконання цих маневрів судно майже не має ходу. Моторні катери в подібних умовах досить часто отримували ушкодження.

Будь-яке волнообразованіе пов'язано з безповоротною втратою потужності двигуна. Для такого явища було знайдено визначення - опір форми, оскільки поняття «хвильовий опір» не виражає причину виникнення опору. На всіх крайках обтічного контуру і у виступаючих частин утворюються вихори. Всі конструктивні частини катера, такі, як кермо, кронштейн гребного валу, водоприймальні козирки, бічні кили, обумовлюють досить істотне часткове опір і входять в поняття «опір форми». Значна частина потужності двигуна витрачається на подолання важливої частини опору - тертя води об корпус катера. Дійсне опір тертя часто недооцінюється, і тому до нього ставляться недостатньо уважно. Частка тертя в повному опорі може бути легко розрахована, в усякому разі, легше, ніж опір форми, але опору тертя моторних катерів не надають серйозного значення. Зі спортивних судів тільки гоночні вітрильні яхти складають похвальне виняток, так як додається чимало зусиль, щоб надати гладкість їх підводної поверхні. Вода не може струмувати уздовж стінки, не утворюючи значного тертя. Це характерно як для внутрішніх стінок водопровідної труби, берегів русла річки або стінок каналу, так і для омивається зовнішньої поверхні корпусу катера. Очевидно, тертя води часто не помічають з тієї причини, що воно не так чітко видно, як волнообразованіе. Крім того, воно майже не залежить від форми катера, а обумовлено тільки розміром змоченою поверхні і швидкістю. Тертя неминуче, оскільки катер на ходу омивається водою. Поширеною помилкою є припущення про відсутність тертя у судна з дуже гладким днищем. Вважають, що завдяки використанню сучасних фарб для підводної частини судна, наприклад фарби з графітом, вода повністю відштовхується, так що немає площі для прикладання сили тертя. Невірно! Тертя виникає завжди! Хоча у дуже шорстких поверхонь воно сильніше, ніж у гладких, проте ні жир, ні графіт, ніяка високоглянсова політура не можуть усунути тертя води або хоча б значно зменшити його. Лише недавно добавкою химикалиев знайшли можливість вплинути на здатність води створювати тертя і зменшувати його. Відразу за форштевнем змінюється і перемішується рівно йде ламінарний потік води. Завихрення потік води вздовж корпусу катера, всередині якого значно підвищується опір тертя, називають турбулентним. Якщо вдасться зберегти ламинарное обтікання потоку по можливо більшій довжині підводної частини судна, то опір тертя зменшиться. Добавка полімерів (ниткоподібних молекул) до води настільки сильно сприяє ламинаризации потоку уздовж зовнішньої обшивки, що в середньому виключається 30% опору тертя; при випробуванні моделі було отримано навіть до 45% економії. Зрозуміло, використання такого хімічного засобу для зменшення опору тертя заборонено організаціями парусного спорту. Тим часом відомі результати випробування, проведеного в 1968 р англійською мінному тральщику «Хайбетон». З носової частини судна під час ходу постійно випускали дуже слабкий розчин поліоксиетилену (1. 100 000). Опір тертя катера завдяки цьому зменшувалася в залежності від швидкості і хвилювання на 22-36%. Економія потужності двигуна або палива склала 12-20%. Хоча полі-оксіетилен - недорогий продукт, економія палива не покрила витрат по використанню полімеру. В середньому половина потужності двигуна моторного катера використовується на подолання опору тертя. В області піку опору, коли R = 5,25, частка тертя знижується до 1/8 повного опору, оскільки на волнообразованіе витрачається велика частина опору. При дуже повільному русі під час дрейфу повне опір практично цілком складається з тертя Досі йшлося про опір тертя як про щось незмінне, але його дійсне значення визначається станом підводної частини судна. Чим більше її шорсткість, тим сильніше тертя води. При обростанні днища тертя може зрости на 50 або навіть 100% в порівнянні з нормальним. У разі дуже сильного обростання тертя іноді збільшується навіть в три рази в порівнянні з тертям при гладкому днище. Повітряне опір в основному залежить від розміру і форми надводної частини судна, т. Е. Від корпусу катера з надбудовами і відповідного такелажу. У середньому вона становить 2-3% повного опору. Але це дійсно лише в ідеальному технічному сенсі, а саме, для тихих днів, коли опір повітря виникає лише від потоку, утвореного рухом катери, і таким вводиться в розрахунок. При сильному зустрічному вітрі і навіть шторм або дуже високій швидкості судна виникає значно більший повітряний опір. Тут слід згадати також про те, що вітер може в значній мірі перешкодити причалювання і відчалі, оскільки під час виконання цих маневрів судно майже не має ходу. Моторні катери в подібних умовах досить часто отримували ушкодження. Не маючи ходу, катер не слухається керма, виявляється у владі сильного вітру і потрапляє в скрутне становище; його може нанести на стоянку інших катерів, на чужі якірні ланцюги, на берег. Порівнюючи три основні частини повного опору (рис. 18) - опір форми, тертя і повітря, можна зробити корисний висновок: оскільки опір повітря, як і опір тертя, підпорядковується в основному закону збільшення опору пропорційно квадрату швидкості, то для того щоб в два рази збільшити швидкість, необхідно подолати в чотири рази збільшене опір. Але опір форми залежить від особливих закономірностей хвилеутворення. Від самого малого ходу до піку опору при R = 5,25 опір форми по відношенню до швидкості зростає значно більше, ніж в квадраті. За піком опір форми збільшується менше, ніж швидкість в квадраті. Якщо на тихохідних катерах розвинути підвищені швидкості, то катера виявляться в невигідному становищі, тому що опір їх збільшиться в значній мірі. Катери з середніми швидкостями (полугліссірующіе) матимуть перевагу, оскільки у них опір форми стає відносно меншим зі збільшенням швидкості. Однак не слід змішувати опір з потужністю. Згідно із законом про квадратичном збільшенні опору при збільшенні швидкості в два рази виникає чотириразове опір (що в основному абсолютно правильно). Однак це опір не можна подолати в чотири рази збільшеною потужністю двигуна, так як потужність дорівнює саме опору, помноженому на швидкість. Якщо опір підвищується в квадраті, то для отримання потужності його необхідно ще раз помножити на швидкість. Іншими словами, потужність підвищується в третього ступеня - в кубі збільшення швидкості. Подвоєна швидкість збуджує чотириразове опір, але при цьому потрібно 2X2x2 = 8-кратна потужність двигуна!