Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 98657

 

Еще древние мореплаватели знали, что обрастание корпуса судна представителями морской флоры и фауны приводит к снижению скорости. Особенно «хорошо» обрастал дуб — наиболее распространенный материал времен деревянного судостроения. Для защиты кораблей и судов от обрастания применялись различные способы. Так, в XVI в. пробовали применить для обшивки подводной части корпуса свинец. Однако из-за низких механических свойств свинец не выдерживал волнения моря, и тяжелые листы обшивки обрывались. История донесла до нас сведения о покрытиях в виде медных гвоздей с огромными шляпками, защищавшими большую часть корпуса ниже ватерлинии от обрастания. В XVII—XIX вв. получила распространение уже упоминавшаяся обшивка подводной части корпуса тонкими медными листами. Из-за высокой цены на медь во Франции пытались заменить медные листы цинковыми. Но цинк в морской воде быстро разрушался и опыты были прекращены.

Итальянские судостроители пошли на смелый эксперимент: подводную часть корпуса судна "Buffalo"(«Буффало») облицевали тонкими стеклянными пластинами. При осмотре судна в доке после нескольких месяцев плавания было установлено, что пластины совершенно не обрастают, однако... часть пластин отсутствовала, так как надежно укрепить их на обшивке корпуса и защитить от механических повреждений было невозможно.

И в наши дни основным способом борьбы с обрастанием является очистка подводной части корпуса в доке и покрытие ее специальными составами, содержащими вещества, губительно действующие на морских обитателей.

Сопротивление формы зависит от конфигурации движущегося в жидкости тела. Как и сопротивление трения, оно обусловлено вязкостью жидкости.

Посмотрим сверху на корабли, один из которых — длинный и узкий, с плавными формообразованиями, а второй имеет полные формообразования и широкую корму.

Обтекание корпусов кораблей с разными формообразованиями.

У первого корабля пограничный слой простирается вдоль бортов с плавным переходом в попутный поток, у второго как бы отрывается от корпуса, образуя широкой след. В зоне отрыва обтекающие корпус потоки резко срываются и превращаются в завихрения. Происходит так называемый отрыв пограничного слоя. Частицы воды, находящиеся в слоях, ближайших к поверхности корпуса корабля, движутся по отношению к нему с очень малой скоростью и, следовательно, приобретают небольшую кинетическую энергию. Двигаясь от носа к корме, где давление больше, чем в средней части, частицы, потеряв из-за вязкости воды часть своей кинетической энергии, не в состоянии преодолеть повышенное давление в кормовой оконечности корабля. Израсходовав всю энергию, частицы останавливаются, а затем под воздействием повышенного встречного давления начинают двигаться назад, навстречу потоку, отрывая пограничный слой от поверхности корпуса. За точкой, в которой происходит отрыв пограничного слоя, зарождаются и образуются вихри — добавочное сопротивление. Этим объясняется интенсивный отрыв пограничного слоя у кораблей с тупой кормовой оконечностью и, наоборот, незначительный отрыв, а порой и полное его отсутствие, у кораблей с большим отношением длины корпуса к ширине и узкой кормой. У некоторых типов судов (особенно у барж) сопротивление формы может составлять около 50 % от полного.

Волновое сопротивление вызвано тем, что вода, обладая массой, оказывает давление на каждую точку поверхности подводной части корпуса корабля.

Когда корабль стоит без движения, давление действует перпендикулярно или, как говорят, нормально к поверхности корпуса в каждой данной точке. Горизонтальные составляющие давлений взаимно уравновешиваются, а вертикальные в сумме создают архимедову силу поддержания, равную массе корабля.

Как только корабль начнет двигаться, частицы воды, выведенные из равновесия, начинают совершать колебания под воздействием силы тяжести, образуя систему волн. Носовая часть корабля, вклиниваясь в массу спокойной воды, оказывает на нее давление и вытесняет значительный объем. Поскольку геометрические размеры корпуса постоянны, корпус высвобождает точно такой объем, который мгновенно заполняется окружающей корабль водой. Процесс происходит настолько быстро, что масса воды приобретает ускорение и по инерции поднимается выше, а затем опускается ниже, чем требуется для равновесия. В носовой и кормовой частях корпуса давление повышается, в то время как в средней части понижается. Соответственно повышается и понижается уровень воды образуются корабельные волны, которые, двигаясь со скоростью корабля, как бы сопровождают его.

Пока скорость корабля неизменна, волны движутся вместе с ним, не меняя ни неличины, ни расположения. Если корабль идет малым ходом, хорошо заметны расходящиеся волны, представляющие собой короткие валы, приблизительно параллельные друг другу, которые зарождаются п носовой и кормовой частях корабля. С увеличением скорости корабль сопровождают поперечные волны, располагающиеся между расходящимися перпендикулярно к направлению курса, которые также зарождаются в носовой и кормовой частях корабля. На месте перпой расходящейся волны в носовой части появляется бугор, который затем превращается в первую поперечную волну носовой системы волн. Эта волна начинается гребнем, а первая поперечная волна кормовой системы волн впадиной. Длина гребня у каждой последующей поперечной волны обеих систем больше, чем у предыдущей, а высота меньше. При значительном развитии поперечных ноли расходящиеся теряют рельефность, а у быстроходных кораблей вообще становятся малозаметными.

Система волн, создаваемая движущимся кораблём.

Врезультате возникновения волн распределение давления воды на корпус резко изменяется по сравнению с тем, каким оно было при неподвижном корабле. Горизонтальные составляющие давлений уже не уравновешивают друг друга, а их результирующая волновое сопротивление оказывается направленной навстречу движению корабля.

Волновое сопротивление является главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих кораблей, так как по мере увеличения скорости оно интенсивно растет: если сопротивление трения увеличивается примерно пропорционально квадрату скорости, то волновое сопротивление подрастает примерно пропорционально четвертой степени.

Подводные лодки находятся в более выгодном положении, так как из рассмотренного нами механизма волнового сопротивления видно, что непременным его условием является расположение корпуса корабля на границе двух сред — воды и воздуха, поэтому у погруженной на достаточную глубину подводной лодки волновое сопротивление вообще отсутствует.

Сопротивление выступающих частей вызвано тем, что на подводной части корпуса корабля неизбежны конструктивные элементы, которые выступают за плавную форму очертания поверхности. Их называют выступающими частями. К выступающим частям относятся гребные валы с кронштейнами, рули, различные наделки корпуса и т. п. Известны двух- и трехвинтовые быстроходные корабли, у которых сопротивление выступающих частей составляло порядка 25—30 % полного сопротивления.