Однажды во время общего пробега туристских и открытых спортивных катеров, обычного для одного из яхт-клубов при открытии сезона, многие наблюдавшие пробег заметили, что большая моторная яхта вызывала значительно меньшее волнообразование, чем другие катера, небольшие по размерам и более легкие. (Все катера шли к финишу с одинаковой скоростью). Отчего это зависело? От острой кормы? Или от таланта конструктора, который удачным проектом парусной яхты составил себе имя? Вероятно, целесообразно и для других катеров использовать острую крейсерскую корму? Если не тратить так много лошадиных сил на мешающую движению кормовую волну, то, очевидно, можно сэкономить топливо или при таком же расходе увеличить скорость!
Все эти рассуждения были неверными. Причина заключалась ни в форме кормы, ни в таланте конструктора, а в меньшей относительной скорости большой яхты. При совместном плавании была одинаковой лишь абсолютная скорость, но не относительная.
Соотношения между мощностью двигателя, размером катера и скоростью кажутся запутанными. Они зависят от многочисленных и переменных воздействий, которые слишком часто превратно толкуются владельцами катеров и даже авторами технических книг.
Понятие относительной скорости имеет первостепенное значение для понимания взаимосвязи формы катера, скорости и мощности двигателя.
Подводная лодка или самолет передвигаются в единой окружающей среде — воде или воздухе. Судно же передвигается по границе двух сред, имеющих совершенно различную плотность. Оно плывет по свободной поверхности воды, граничащей с воздухом. При плавании под водой подводная лодка не создает волн и не имеет волнового сопротивления.
Движущееся судно, напротив, свободно образует волны на поверхности воды, на что затрачивается часть мощности двигателя.
Существует закономерное соотношение между длиной волны и скоростью ее распространения. Плывущее судно образует волновой профиль у своего борта; расстояние между вершинами волн этого профиля определено скоростью судна.
Соотношение между длиной волны и размером судна при скорости 20 км/ч показано на рис. 5. Три катера — большая моторная яхта, средний туристский катер и малый открытый спортивный катер — образуют волну длиной 19,75 м при условии, что все они движутся с абсолютной скоростью, равной 20 км/ч. Даже если бы рядом с океанским лайнером длиной 300 м плыла с той же скоростью трехметровая мотолодка с подвесным мотором, волны были бы одинаковой длины.
Рассматривая большую яхту длиной по ватерлинии 64 м, замечаем у ее борта четыре вершины волны. Говорят, что судно идет на трех волнах, т. е. существуют три расстояния между вершинами волны на протяжении длины судна. Туристский катер длиной 16 м при скорости 20 км/ч идет уже менее чем на одной длине волны. В данном случае волна также должна быть длиной 19,75 м, хотя катер имеет длину по ватерлинии лишь 16 м. Поэтому корма туристского катера попадает почти на подошву волны. У малого спортивного катера, длина которого по ватерлинии равна 4 м, длина волны почти в пять раз превышает длину катера.
Итак, несмотря на одинаковую абсолютную скорость, положение трех катеров внутри одинакового волнообразования получается совершенно различным. Создается впечатление, что большая яхта идет малым ходом, туристский катер — средним ходом, малый спортивный катер — полным ходом. Эти наблюдения правильные.
Относительная скорость определяется как частное от деления абсолютной скорости на квадратный корень из длины ватерлинии судна. Результат, называемый также коэффициентом скорости R, является численным выражением относительной скорости. Квадратный корень из длины по ватерлинии большой яхты, равной 64 м, есть 8, следовательно, R = 20 : 8 = 2,5. Для четырехметрового спортивного катера квадратный корень равен двум и коэффициент скорости R = 20 : 2 = 10. У туристского катера длиной по ватерлинии 16 м R = 5. Итак, туристский катер длиной 16 м при R = 5 ровно в два раза быстроходнее, чем большая яхта, у которой R = 2,5. Четырехметровый спортивный катер с R = 10 даже в четыре раза относительно быстроходнее большой яхты.
Рис. 1. Моторный катер «Адлер I» длиной 7,5 м и щириной 2,5 м удачной конструкции. Серийно изготовляется и5 стеклопластика по проекту В. X. Вилка (Швеция).
Рис. 2. Моторный катер «Остзее» с кормовой каютой; корпус катера выполнен из красного дерева с V-образными обводами. Серийная постройка осуществляется катеростроительной верфью «Роберт Франц». Длина катера наибольшая 9,5 м, ширина 2,95 м. На катере установлены Два бензиновых двигателя фирмы «Волво-Пента» мощностью по 100 л. с. Скорость катера около 35 км/ч.
Рис. 3. 14-метровый туристский катер «Ни-ка-сиа». Конструктор Эдвин Монк. Ширина катера 4,32 м. Крейсерская скорость с дизелем мощностью 180 л. с. 24 км/ч.
Рис. 4. Большая моторная яхта с кормой каноэ. Такие острые или закругленные формы кормовой оконечности целесообразно применять для яхт умеренной скорости, однако не следует превышать коэффициент скорости R— =4,5. Здесь показан композитный способ постройки. Стальные шпангоуты не касаются наружной обшивки.
Рис. 5. Волнообразование у трех судов различной длины, имеющих одинаковую скорость — 20 км/ч. Измеренная в направлении движения длина поперечной волны при скорости 20 км/ч составляет всегда 19,75 м. Поэтому 64-метровая моторная яхта идет на трех гребнях волн, 16-метровый туристский катер занимает менее одной длины волны, а четырехметровый спортивный катер — приблизительно пятую ее часть. Большая яхта (R = 2,5) имеет наименьшую относительную скорость, а малый спортивный катер (R = 10) — наибольшую.
Относительная скорость имеет большое значение для всего малотоннажного судостроения. В крупном судостроении ее роль меньше, так как там не встречаются высокие значения относительной скорости, хотя их и учитывают при проектировании обводов. Что представляет собой относительная скорость, узнали лишь в конце прошлого столетия, когда впервые при помощи научных средств взялись за изучение сопротивления самоходных судов и отработку обводов. Пока существовали лишь парусные суда, а первые пароходы не развивали повышенных скоростей, обводы судна создавались лишь на основе опыта.
Для получения сравнимых чисел Фруда необходимо пользоваться или метрической, или английской системой. Прошло довольно много времени, пока понятие относительной скорости и ее влияние на форму обводов и соотношение размерений проникло в катеростроение. Лишь в 30-х годах понятие относительной скорости начали применять при проектировании моторных катеров, однако еще и в настоящее время, даже в кругах специалистов, к этому важному фактору подходят эмпирически и без глубокого понимания существа вопроса.
Рис. 6. Изображенные обводы крейсерской кормы более всего пригодны для больших туристских катеров, отличающихся малым волнообразованием и низкой относительной скоростью. Выше R = 4,5 их не следует применять.
Теперь понятно, почему большая моторная яхта удивила своим небольшим волнообразованием. Она передвигалась относительно гораздо медленнее, чем все остальные катера совместного пробега, значительно уступавшие ей по размерам. Без сомнения, конструктор сознательно разработал правильную форму катера.
Если бы более короткие катера были построены для такой скорости с обводами, как у большой яхты, то волнообразование оказалось бы очень большим. В этом случае возникает особенно опасная сильная кормовая волна, связанная с неблагоприятным дифферентом катера.
Если катер движется медленно, то его вес чисто статически поддерживается водой, т. е. вес вытесненной воды равен весу катера и не изменяется.
Высокая скорость малых катеров стала возможной благодаря появлению легких катерных двигателей, обладающих значительной мощностью. На большой скорости возникают динамические силы, которые стремятся вытолкнуть корпус катера из воды. В результате часть веса катера перестает поддерживаться только статически вытесненным количеством воды, а поднимается динамическим давлением воды на днище, вызванным ходом катера.
Такое состояние движения называют переходным режимом, полуглиссированием.
На динамический подъем катера, в значительной степени зависящий от относительной скорости, оказывает влияние также и форма днища. Плоская конфигурация будет способствовать этому подъему, острая килеватая форма шпангоутов, наоборот, окажется менее благоприятной.
Нельзя рассчитывать, что многие суда могут достичь переходного режима. Бессмысленно придавать подводной части больших судов (от портового буксира до крупного пассажирского судна) форму, обеспечивающую динамический подъем их. Динамические силы окажутся недостаточными, и такая форма неблагоприятно отразится на скорости судов. Все большие суда имеют закругленные или заостренные формы кормовой оконечности; если в последнее время и встречается транцевая корма, то это не характерно. При получении малых значений коэффициентов скорости необходимо, чтобы кормовая оконечность судна имела узкую вытянутую форму. В этом случае не играет роли, что такое судно, может быть, движется с абсолютной скоростью 55 км/ч. Относительная скорость его невысокая.
Наибольшую скорость, показанную когда-либо пассажирским водоизмещающим судном во время ходовых испытаний, имел лайнер «Юнайтед Стейтс» — 76 км/ч при мощности двигателя 240 000 л. с. Но даже такая мощность и скорость при большой длине судна не создали динамической выталкивающей силы. В этом отношении спортивные карлики намного превзошли великанов морей!
Если у быстроходного моторного катера частично образуется динамическая выталкивающая сила, то возникает вопрос, нельзя ли достигнуть состояния полного скольжения (глиссирования) при увеличенной мощности двигателя и соответственно повышенной скорости. Это в самом деле возможно.
Чем выше относительная скорость катера, тем большими становятся динамические силы. Очень быстроходные легкие катера, прежде всего моторные гоночные, практически достигают состояния полного скольжения. Вес катера поддерживается только динамической выталкивающей силой, причем катер только касается поверхности воды.
Волнообразование. Каждый движущийся катер вызывает возмущение свободной поверхности воды. Носовая часть судна вытесняет определенное количество воды. Вода устремляется назад к корме, чтобы заполнить пустоту. Благодаря этому возмущению возникают поверхностные волны, которые «уносят» часть мощности двигателя.
Чем меньше воды вытесняется катером, тем меньшая часть мощности двигателя расходуется на волнообразование. С каждой волной бесполезно и безвозвратно «убегает» топливо. Более того, волны мешают другим катерам и даже причиняют разрушения береговой черте. При начинающемся скольжении вытесняемое количество воды меньше, чем вес катера. Легко убедиться, что в этом случае уменьшается сопротивление, т. е. экономится мощность двигателя. Если бы удалось достигнуть режима полного скольжения, то волнообразования могло бы и не быть (физически полного скольжения, к сожалению, не существует).
Для контраста следовало бы рассмотреть очень тихий ход. При нем почти отсутствует волнообразование; рябь на поверхности воды становится едва заметной. Так как топливо не расходуется на волнообразование, двигатель в режиме малого хода находится в благоприятных условиях и получается исключительно экономичный ход.
Чтобы рассмотреть вопросы волнообразования, необходимо определить некоторые основные понятия. Длиной волны называют расстояние между вершинами волн. Под высотой волны понимают разницу в высоте между подошвой и вершиной волны. Время между прохождением двух следующих друг за другом вершин волн у неподвижной точки называют периодом волны. Последний зависит как от длины, так и от скорости распространения волны. Необходимо отметить, что перемещается только геометрическая фигура волны, а не водная масса.
Длина волны, скорость распространения и период находятся в определенном соотношении, благодаря чему их можно легко рассчитать. Для исследования длины волн не имеет значения, образуются ли они от действия ветра или же от хода катера. В любом случае волны подчиняются простым физическим законам.
Ускорение силы тяжести g при нормальных условиях остается неизменным и равным 9,81 м/с2; оно придает формуле независимость от системы мер. Для практических целей его исключают, тогда выражение длины волны упрощается: Lw = 0,64а2. Скорость v при этом должна приниматься в метрах на секунду. Как видно, длина волны, проходящая вдоль катера, зависит исключительно от скорости, а не от размера или обводов катера.
При движении катера со скоростью 5 м/с (18 км/ч) образуется волна длиной Lw — 0,64-52 = 16 м. Свободные морские волны, появляющиеся от действия ветра, подчиняются тому же закону. Если понаблюдать в море волны средней длиной 16 м, то окажется, что они передвигаются тоже со скоростью 5 м/с (18 км/ч).