Не ветер а парус определяет направление. Тема: «Физика движения парусной яхты

Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.

Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.

Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).

Направления относительно ветра.

На ветре значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром — с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным , левый борт — подветренным соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.

Курсы относительно ветра.

Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.

Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.

Маневры относительно ветра.

Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится . Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается .
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг и фордевинд .
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.

Работа паруса при яхтинге.

Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.

Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.

Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.

Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.

Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.

Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.

Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.

Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.

Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.

Продвижение против ветра. Лавировка.

Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.

Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.

Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.

Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.

Работа паруса на других курсах относительно ветра

Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.

При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.

Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.

Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.

Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.

Маршрут "Джульетты"

Что делать в таком случае?

Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.

"Под парусами против ветра

Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» - или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал - около четверти прямого угла, - и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.

На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.

Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.

Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему.

Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.

Как можно идти на парусах против ветра.

Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."

Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.

Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).

Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.

Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.

При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.

Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.

В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.

Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.

На шлюпку под парусом оказывают влияние две среды: воздушный поток, действующий на парус и надводную часть шлюпки, и вода, действующая на подводную часть шлюпки.

Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед.

Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1 / 3 - 1 / 4 ширины паруса и имеет величину 8 - 10% ширины паруса (рис 18).

Рис. 18. Профиль паруса: В - ширина паруса по хорде (по И.И. Хомякову, 1976).

Если ветер, имеющий направление В (рис 19, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р , направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис 19, б).

Рис. 19 Силы, действующие на парус и корпус шлюпки (по И.И. Хомякову, 1976):

а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки.

Сила Р раскладывается на силу тяги Т , направленную параллельно диаметральной плоскости (ДП ) шлюпки, заставляющую шлюпку двигаться вперед, и силу дрейфа Д , направленную перпендикулярно ДП , вызывающую дрейф и крен шлюпки.

Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше Ðb между направлением ветра В и плоскостью паруса ПП , тем больше сила Р . Если Ðb=90° , сила Р достигает максимальной величины.

Силы Т и Д зависят от Ðg между ДП шлюпки и плоскостью паруса. С увеличением Ðg сила Т увеличивается, а сила Д уменьшается.

Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.

Рис 20. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра (по И.И. Хомякову, 1976): а - бейдевинд; б - галфвинд, в - фордевинд.

Несмотря на то, что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т , шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R .

Сила Д , несмотря на противодействие корпуса, все же сносит шлюпку с линии курса. Составленный ДП и направлением истинного движения шлюпки ИП Ða называется углом дрейфа. Чем острее угол между ДП и направлением ветра, тем больше угол дрейфа, так как при острых углах сила тяги Т незначительна и шлюпка, не имея достаточного поступательного движения вперед, сносится под ветер. При ветре бейдевинд круче 40-45° шлюпка вперед двигаться не может.

Таким образом, наибольшая тяга и наименьший дрейф шлюпки могут быть получены путем выбора наиболее выгодного положения диаметральной плоскости шлюпки и плоскости паруса относительно ветра. Установлено, что угол между ДП шлюпки и плоскостью паруса должен быть равен половине ÐA между диаметральной плоскостью и направлением ветра. На рис 20 показано правильное положение паруса при ветрах бейдевинд (а), галфвинд (б) и фордевинд (в).

При выборе положения паруса относительно ДП и ветра старшина шлюпки руководствуется не истинным, а вымпельным (кажущимся) ветром, направление которого определяется равнодействующей от скорости шлюпки и скорости истинного ветра (рис 21).

Рис 21. Вымпельный ветер.

b и - истинный ветер; В ш - ветер от движения шлюпки;

В в - вымпельный ветер.

Рис. 22. Установка кливера относительно фока (по И.И. Хомякову, 1976):

а - правильно; б - неправильно.

Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливерам и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис 22, а). Если же кливер прижать к ДП , то поток воздуха будет ударять в подветренную сторону фока, ухудшит его форму и уменьшит тяговую силу (рис 22, б). Такое же действие производит кливер, имеющий слишком выгнутую форму.

Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.

Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.

Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.

Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.

Воздействие ветра на корабль определяется его на­правлением и силой, формой и размерами площади па­русности корабля, расположением центра парусности, значениями осадки, крена и дифферента.

Действие ветра в пределах курсовых углов 0-110° вызывает потерю скорости, а при больших курсовых уг­лах и силе ветра не свыше 3-4 баллов - некоторое ее приращение.

Действие ветра в пределах 30-120° сопровождается дрейфом и ветровым креном.

На движущийся корабль действует относительный (кажущийся) ветер, который связан с истинным следую­щими отношениями (рис. 7.1)(2):

Где Vи - скорость истинного ветра, м/с;

VK-скорость кажущегося ветра, м/с;

V0 - скорость хода корабля, м/с;

βо-угол дрейфа корабля, град.

Yk - угол кажущегося ветра;

Yи-угол истинного ветра.

Удельное давление ветра на корабль в кгс/м&sub2; рассчи­тывается по формуле

Где W - скорость ветра, м/с.

Рис. 7.1. Зависимость истинного и кажущегося ветра

Рис. 7.2. Действие кренящего момента

Так, при урагане, когда скорость ветра достигает 40-50 м/с, величина ветровой нагрузки достигает 130- 200 кгс/м2.

Полное давление ветра на корабль определяется из выражения P = pΩ, где &Omrga; - площадь парусности корабля.

Величина кренящего момента Мкр (рис. 7.2) в кгс м для случая установившегося движения и действия силы давления ветра Р, перпендикулярной ДП корабля, опре­деляется из выражения

Где zn - ордината центра парусности, м;

Т - средняя осадка корабля, м.

Волнение моря оказывает наиболее существенное вли­яние на корабль. Оно сопровождается действием на кор­пус значительных динамических нагрузок и качкой ко­рабля. При плавании на волнении увеличивается сопро­тивление корпуса корабля и ухудшаются условия совместной работы винтов, корпуса и главных двигателей.

Рис. 7.3. Элементы волн

В результате снижается скорость, увеличивается нагрузка на главные машины, повышается расход топлива и умень­шается дальность плавания корабля. Форма и размеры волн характеризуются следующими элементами (рис. 7.3):

Высота волны h - расстояние по вертикали от вер­шины до подошвы волны;

Длина волны λ - расстояние по горизонтали между двумя соседними гребнями или подошвами;

Период волны t - промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей дли­не(3);

Скорость волны С - расстояние, проходимое вол­ной в единицу времени.

По происхождению волны подразделяются на ветро­вые, приливо-отливные, анемобарические, волны земле­трясения (цунами) и корабельные. Наиболее распространенными являются ветровые волны. Различают три типа волнения: ветровое, зыбь и смешанное. Ветровое волне­ние - развивающееся, оно находится под непосредствен­ным воздействием ветра в отличие от зыби, представляю­щей собой инерционное волнение, или волнение, вызванное штормовым ветром, дующим в удаленном районе. Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветрен­ный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветро­вых волн образуются гребни, верхушки которых под дей­ствием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются. Направление ветра и на­правление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30-40°. Размеры ветровых волн зависят от скорости ветра и продолжительности его воздействия, длины пути ветро­вых потоков над водной поверхностью и глубины данного района (табл. 7.1).

ТАБЛИЦА 7.1. МАКСИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН ДЛЯ ГЛУБОКОГО МОРЯ (Н/Λ > 1/2)

Наиболее интенсивный рост волны наблюдается при отношении C/W < 0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста волн. По­этому волны опасны не в момент наибольшего ветра, а при последующем его ослаблении.

Для приближенных расчетов средней высоты волн ус­тановившегося океанского волнения пользуются форму­лами:

При ветре до 5 баллов

При ветре свыше 5 баллов

Где Б - сила ветра в баллах по шкале Бофорта (§ 23.3).

В условиях развитого волнения имеет место интерфе­ренция отдельных волн (до 2% общего количества и бо­лее), которые достигают максимального развития и пре­вышают среднюю высоту волн в два-три раза. Такие вол­ны особенно опасны.

Наложение одной волновой системы на другую наибо­лее интенсивно происходит при изменении направления ветра, частом чередовании штормовых ветров и перед фронтом тропических циклонов(4).

Энергия волн развитого волнения исключительно вели­ка. Для корабля, лежащего в дрейфе, динамическое воз­действие волн может быть определено из выражения р=0,1 τ² где τ - истинный период волны, с.

Так, для периодов волн около 6-10 с величина Р мо­жет достигать внушительных значений (3,6-10 т/м²).

При движении корабля курсом против волны динами­ческое воздействие волн будет возрастать пропорциональ­но квадрату скорости корабля, выраженной в метрах в се­кунду.

Длина волны в метрах, скорость в метрах в секунду и период в секундах связаны между собой следующими соотношениями:

Практически движущийся корабль встречает не истин­ный, а относительный (кажущийся) период волны τ", ко­торый определяется из выражения

Где а - курсовой угол фронта гребня волны, измеренный по любому борту.

Плюс относится к случаю движения против волны, минус - по волне.

При изменении курса корабль располагается относи­тельно приведенной длины волны λ":

Характер качки корабля имеет сложную зависимость между элементами волн (h, λ, τ и С) и элементами ко­рабля (L, D, Т1,2 и δ).

Безопасность корабля с точки зрения остойчивости определяется не только его конструкцией и распределе­нием грузов, но и курсом, а также скоростью. В условиях развитого волнения непрерывно меняется форма дейст­вующей ватерлинии. Соответственно изменяются форма погруженной части корпуса, плечи остойчивости формы и восстанавливающие моменты.

Пребывание корабля на подошве волны сопровожда­ется увеличением восстанавливающих моментов. Пребыва­ние корабля (особенно длительное) на гребне волны опасно и может привести к опрокидыванию. Наиболее опасна резонансная качка, при которой период собствен­ных колебаний корабля T1,2 равен видимому (наблюдае­мому) периоду волны?" Характер бортовой резонансной качки показан на рис. 7.4. Как следует из рисунка, явление резонанса наблюдается при отношении 0,7 < T1 /τ" < 1,3

Особенно опасна резонансная качка при положении корабля лагом к волне.
При следовании корабля курсом против волны зна­чительно возрастают потери в скорости, происходят ого­ление оконечностей и резкие броски оборотов. Удары волн в днище носовой оконечности (явление «слемминга») могут привести к деформации корпуса и срыву от­дельных механизмов и устройств с фундаментов.

При следовании по волне корабль в меньшей степени подвержен ударам волн. Однако следование его по вол­не со скоростью, близкой к скорости волны VK = (0,6--1,4) С (корабль «оседлал» волну), приводит к резкой потере поперечной остойчивости в связи с изменением формы и площади действующей ватерлинии, а это ведет к возникновению гироскопического момента, действую­щего в плоскости ватерлинии и значительно ухудшаю­щего управляемость корабля.

Рис. 7.4. Резонансная качка

Наиболее опасно плавание малого корабля на попутном волнении, когда λ=L ко­рабля, а VK=C.

Универсальная диаграмма качки Ю.В. Ремеза

Универсальная диаграмма качки определяет зависи­мость наблюдаемых элементов волн от изменения элемен­тов движения корабля.

Диаграмма рассчитана по формуле

Где V - скорость корабля, уз.

Диаграмма определяет зависимость между X и V sin a при различных значениях т". Она построена относительно преобладающей системы волн, которая может быть выде­лена на любом волнении и оказывает наиболее сущест­венное влияние на качку корабля (§ 23.4). Уни­версальная диаграмма может быть использована только в районах с достаточно большими глубинами (более 0,4Х волны).

Применение универсальной диаграммы качки позво­ляет решить следующие основные задачи:
- определить курс и скорость, при которых корабль может попасть в положение резонансной качки (килевой и бортовой);

Определить длину волны в районе плавания;

Определить сектора курсов и диапазоны скоростей, при которых корабль будет испытывать сильную качку, близкую к резонансной;

Определить курсы и скорости, при которых корабль будет находиться в состоянии наиболее опасной пони­женной поперечной остойчивости;

Определить курсы и скорости, при которых ко­рабль будет испытывать явление «слеминга».

(1) Дальнейшее усиление ветра сопровождается ветровым волне­нием, снижающим скорость корабля.
(2) Координаты истинного ветра связаны с землей, а кажуще­гося с кораблем.
(3) Практически движение частиц воды ветрового волнения про­исходит по орбитам, близким по форме к окружности или эллипсу, Перемещается лишь профиль волны.
(4) Характер волнообразования и его связь с элементами ветра подробно рассматриваются в курсе океанографии.