Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 118428

 

У. Фруд решает задачу

В январе 1858 г. мир был взбудоражен спуском на воду громадного по тем временам английского пассажирского парохода "Great Eastern"(«Грейт Истерн») водоизмещением 25 тыс. т. длиной 210 м. мощностью главных паровых машин около 8300 л. с, пассажировместимостью до 4000 чел. Появление гиганта рассматривалось современниками как технологический взрыв XIX в. Судно имело колесные и винтовые движители, 6 мачт для парусов, двойные борта и днище, непроницаемые переборки, было оснащено электрическим телеграфом. Оно оказало влияние на развитие теории корабля.

"Great Eastern"

Инициатор постройки гигантского судна и его конструктор — английский инженер Isambard Kingdom Brunel(1806— 1859)(И. Брунель) , стремясь снизить в максимально возможной степени сопротивление корпуса судна, привлек к его проектированию английского ученого-кораблестроителя John Scott Russell (1808-1882)(Джон Рассел).

John Scott Russell (1808-1882)

Еще в 1834 г. Рассел проводил опыты в канале с моделями, пытаясь установить закономерность сопротивления воды движущемуся в ней судну. С той же целью в 1840 г. под его руководством была осуществлена опытная буксировка корабля. Обработав результаты опытов, ученый впервые установил, что сопротивление зависит от характера возникающих при движении корабля волн, а позже создал свою теорию сопротив ления воды, которую опубликовал в 1869 г.

Д.Рассел предложил придать корпусу "Great Eastern" форму, разработанную на основании его теории. Брунель принял предложение, но обратил внимание на то, что ученый, говоря о наименьшем сопротивлении предлагаемой им формы корпуса, не может ответить на главный для конструктора вопрос: какой мощности энергетическая установка обеспечит заданную скорость судна. В связи с этим Брунель посоветовал одному из своих помощников по постройке "Great Eastern" серьезно заняться теорией сопротивления судов. Этим помощником был William Froude ( 1810 – 1879)(У. Фруд ), ставший впоследствии основоположником научного метода определения сопротивления воды движению судна.

William Froude ( 1810 – 1879)

Занявшись изучением качки и сопротивления воды движению судна. Фруд начал экспериментировать с самоходными моделями судов в каналах и водоемах, и увлекся этим настолько, что в 1859 г. построил вблизи своего дома в Торквее бассейн. А постройка первого в мире опытового бассейна, как это ни парадоксально, оказалась связанной с известной катастрофой английского броненосца "Captain"(«Кептен»). Э. Рид(см. ранее) категорически возражал против постройки корабля с недостаточной остойчивостью. За поддержкой своей позиции он обратился к Фруду, к тому времени признанному специалисту в теории корабля. В 1868 г. Рид убедил Фруда направить в Британское адмиралтейство меморандум с обоснованием необходимости постройки для нужд английского флота опытового бассейна, позволяющего на моделях изучать остойчивость и ходовые качества кораблей. В 1870 г. строительство бассейна было начато, а последовавшая вскоре гибель "Captain" ускорила его окончание...

Занимаясь исследованиями сопротивления воды на моделях, Фруд исходил из ньютоновского закона механического подобия, которому подчиняется волновое сопротивление, поскольку оно, будучи связано с массой воды и гравитационными силами, не может быть выражено какой-либо аналитической функцией и вычислено. В то же время сопротивление трения, обусловленное вязкостью воды, хотя и не подчиняется закону механического подобия, но может быть выражено математической зависимостью.

Фруд исходил из того, что при сопоставлении корабля и его модели с точки зрения волновой динамики условия в двух геометрически подобных случаях будут одинаковы, если длины корабля Lк и его модели Lм находятся между собой в таком отношении, как длины образуемых ими волн. А следовательно, согласно закону механического подобия отношение скоростей корабля vк и его модели vм можно выразить уравнением vк\/gLк = vм\/gLм где g -ускорение свободного падения (в рассматриваемом случае величина неизменная): L— каждый линейный размер (например, длина, ширина, осадка) корабля и модели. Другими словами, скорости корабля и его модели пропорциональны квадратным корням из их линейных размеров.

Вскоре Фруду представился случай проверить свои выводы на практике. В 1869 г. Британская морская ассоциация решила провести испытания парового судна на режимах буксировки и движения с помощью машины, с измерением скорости судна и мощности энергетической установки для проверки совпадаемости результатов. Ученый предложил параллельно с испытаниями парохода провести опыты над его моделями.

Последние сомнения были устранены, и Фруд вынес на суд кораблестроителей закон подобия, который и в настоящее время используется при проектировании кораблей и судов. Закон гласит: сопротивления формы двух геометрически подобных судов относятся между собой как кубы их линейных размеров, в то время как их скорости находятся в отношении корня квадратного из их измерений.