Контакты

Морское Дело,
Возрождение забытого искусства
.
Инженер Иванов.
maineditor@sobdelo.ru

Напишите мне: выгодные сотрудничество, предложения, а также новые идеи приветствуются.

Плюс - ответы на все ваши вопросы.

Мой телеграм канал Морское Дело https://t.me/nauticalworld

Выберите дату в Календаре и просмотрите все материалы за этот день.

February 2024
M T W T F S S
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
26272829  
21.04.2024

Морское Дело

ВОЗВРАЩЕНИЕ ЗАБЫТОГО ИСКУССТВА

Система сил, действующих на парусе и корпусе лодки. Кренящий и приводящий моменты

Сначала нам надо понять как вообще парус работает на лодке. А мы уже знаем, что парус - крыло и на нём возникает подъёмная сила и так далее. Но, есть нюансы....

Visits: 22

Лодка наша близится к своему завершению, её чертежи почти готовы. Многих устроит вёсельный вариант или вариант с маленьким подвесным мотором: бензиновым или электрическим. Там будет достаточно одной-трёх лошадиных сил.

А вот с парусом мы ещё не определились. И те, кто желает ходить под парусом, могут справедливо заявить хором: “А как же мы?” И будут совершенно правы.

Поэтому, идя, тэскэть, навстречу пожеланиям…, я предлагаю такой порядок. Сначала нам надо понять как вообще парус работает на лодке. А мы уже знаем, что парус – крыло и на нём возникает подъёмная сила и так далее. Но, есть нюансы.

Если крыло, то есть парус поставить на лодку, то возникает вопрос: “Куда именно ставить и почему?” А лодка ещё может крениться. В общем – всё неочевидно. Давайте разбираться.

Как и на любой другой физический объект, на нашу лодку в реальности действует не одна сила, а целая система сил. Если сложить все эти силы, как мы это делали на уроках физики в средней школе, то есть с учётом не только величины силы, но и её направления, то мы получим общую силу или равнодействующую, которая и является причиной хода лодки. Выяснится, что равнодействующая сила толкает лодку вперёд

Как это происходит? Сейчас посмотрим.

Наша лодка имеет погруженную в воду часть или объём. Если смотреть точно сбоку, то погруженная часть будет иметь боковую площадь. Вот эта площадь и будет принимать участие в движении лодки наряду с парусом. Если бы боковой площади не было бы, то лодку всегда просто “сдувало” бы по ветру, как осенний лист. А это нас не может устроить, поскольку по “Закону подлости”, нам всегда надо идти “в другую сторону”.

Перед тем, как переходить к схеме, я замечу, что боковая площадь погруженной части на легких лодках, таких, как трёхметровые тузики, очень мала и оказывает лишь незначительное влияние на всю систему сил, действующих на лодку.

Теперь давайте посмотрим, как силы действуют на лодку и какие это силы. Сначала перечислим все эти силы, чтобы дальше было понятно о чём идёт речь. Итак, вот перечень сил:

1. Группа сил первая или силы воздушные (аэродинамические).
1.1. АДС – аэродинамическая сила с которой ветер действует на наш парус. Приложена сила в точке ЦП – центре парусности, в данном случае, поскольку парус один, то в центре паруса. То есть в геометрическом центре площади нашего паруса. Направлена точно куда неизвестно, но нам это не так и важно. Главное, что эту силу можно разложить на две весьма интересных для нас, следующих далее.
1.2. АДС1 – аэродинамическая сила 1 – это проекция силы АДС на направление движения лодки, то есть на её курс. Это та часть аэродинамической силы ветра, которая тянет лодку вперёд.
1.3. АДС2 – аэродинамическая сила 2 – это проекция силы АДС на направление поперёк хода нашей лодки. Эта та часть аэродинамической силы ветра, которая “сдувает” нашу лодку вбок, по ветру.

2. Группа сил вторая или силы воды (гидродинамические).
2.1. ГДС – гидродинамическая сила, которая возникает как сила сопротивления или реакция на силу АДС2. Приложена в ЦБС – центре бокового сопротивления. То есть в геометрическом центре боковой площади подводной части корпуса лодки. Как мы уже выяснили эта сила пытается двигать лодку в направлении “по ветру”, а этому движению препятствует площадь боковой поверхности подводной части лодки. А поскольку наша лодка маленькая и лёгкая и к тому же сидит в воде она не глубоко, то и сила сопротивления ГДС получается слишком маленькой, чтобы удерживать нашу лодку от перемещения по ветру или от дрейфа под ветер, как говорят моряки.

Вот именно по этой причине и был изобретён шверт для маленьких лодок. С единственной целью увеличить гидродинамическую силу бокового сопротивления, которая препятствует сносу лодки под ветер. Если лодка будет стоять, то её в любом случае снесёт под ветер. Но, мы рассматирваем лодку в движении и поэтому каждая сила имеет приставку к своему названию “динамическая”. То есть сила, возникающая в динамике или в движении. А это уже совсем другое дело.

Морское Дело. Возрождение забытого искусства. Узлы, Морские Узлы, Веревки, Лодки, Паруса, Такелаж, Построить Лодку

2.2. ГДСр – гидродинамическая сила, которая возникает на поверхности пера руля. Чтобы нам можно было рулить нашей лодкой, мы вешаем на транец подвесной руль, перо которого опущено в воду. Перекладывая перо руля на один или другой борт, мы создаём гидродинамическую силу, котороая и позволяет нам направлять лодку в нужную нам сторону.
2.3. СГДС – сила гидродинамического сопротивления. Это последняя сила, которая тормозит лодку. Возникает из-за появляющегося при движении сопротивления воды. Чтобы уменьшить эту вредную для нас силу, мы должны её снизить за счёт наивыгоднейшей формы нашей лодки. Чтобы вода обтекала корпус лодки плавно и с наименьшими затратами. Без всяких там журчащих бурунов за кормой. И второй путь снижения трения – ровная и гладкая поверхность корпуса нашей лодки под водой. Вот именно поэтому все приличные лодки блестят как… (кота поминать не будем), скажу просто – как зеркало. В своё время даже бытовала байка, что один экипаж перед гонкой натирал подводную часть своей лодки мылом. Потом лодку сбрасывали на воду и она успевала вырваться вперёд на старте до того, как мыло смывалось водой. Эх! Из таких баек да книгу бы написать….

Ну, вот. Силы мы рассмотрели. Но есть нюанс. Как всегда не всё так однозначно. Всё что было сказано, относилось к лодке, стоящей на ровном киле, то есть при отсутствии крена. Но так ведь не бывает. Даже в слабый ветер лодку приходится накренять специально, поскольку она изначально проектировалась для хода с креном. К тому же при крене любой маленький тузик или швертбот имеет минимальную смоченную поверхность, которая и даёт трение о воду. Минимальная смоченная поверхность – минимальное трение, минимальный тормоз.

Морское Дело. Возрождение забытого искусства. Узлы, Морские Узлы, Веревки, Лодки, Паруса, Такелаж, Построить Лодку

А при сильном ветре возникает кренящий момент. Ветер “упирается” в парус в точке ЦП, а лодка препятствует этой силе в точке ЦБС. А эти точки разнесены по вертикали. Поэтому и возникает кренящий момент, который стремится накренить нашу лодку, а в экстримальных случаях, просто кладёт наши паруса на воду, заставляя нас “купаться”. Мы можем противодействовать этому кренящему моменту только тем, что сядем на наветренный борт и свесимся за него как можно дальше.

Я думаю, многие видели так называемую “трапецию”. Приспособление для откренивания на гоночных лодках. Это когда матрос или рулевой, или они оба, пристёгиваются к тросикам, идущим от верхней части мачты, и встают ногами на самый край борта лодки. При этом полностью вывешиваются за борт. Так создаётся максимальный откренивающий момент чтобы удержать лодку в правильном положении. Вот поэтому одно из определение швертбота звучит так: “Это такая лодка, остойчивость которой достигается весом экипажа.”

И теперь нам осталось только разобрать две загадочные закорюки на рисунке 2. А именно – ПМ и МПР.

Очень важную роль во всём этом деле играют точки приложения результирующих сил ветра и сопротивления воды и их положение на лодке или вокруг неё. Все силы мы можем привести в некую точку их общего приложения. Где-то на корпусе нашей лодки или в любое другое нужное нам место. На самом деле существуют несложные геометрические методы определения положения этой точки, но сейчас это не важно. Главное, что наши силы можно привести в некую точку и посмотреть, что получается в результате.

А получается такая штука. При крене точка приложения силы давления ветра на парус ЦП (центр парусности) выходит вместе с парусом за борт лодки и “повисает” над водой. Что это означает?

Это как будто мы нашу силу тяги выставили за борт и она действует сбоку от лодки. Этот момент я показал точкой ЦП1, которая является проекцией точки ЦП на поверхность воды ПВ. При этом можно изобразить эту ситуацию понятной всем картиной. Вы – индеец и плывёте на каноэ на бой с бледнолицыми. У вас только одно весло и вы гребёте им только с одной стороны. Ну, настоящие индейцы гребут веслом изредка и с другой стороны, чтобы выровнять ход лодки. А у вас такой возможности нет. По условиям нашей ситуации. И лодка наша начинает поворачивать в сторону. В данном случае – вправо. А если смотреть по отношению к направлению ветра, то лодка начинает уменьшать угол между своим курсом и направлением ветра. То есть начинает” идти к ветру” или приводиться, как говорят моряки. Таким образом, сила действующая на парус создаёт приводящий момент, поскольку подводная часть лодки упирается в воду в точке ЦБС, относительно которой лодка и разворачивается на ветер. Этот момент обозначен на рисунке 2 закорюкой и буквами ПМ – приводящий момент.

Но мы жешь не можем просто так сидеть и смотреть, как наша лодка начинает поворачивать не ведомо куда. Мы начинаем выравнивать наш курс и направлять его куда нам надо. А не ветру. И делаем мы это с помощью руля, поворачивая или, как говорят моряки, перекладывая руль, то есть создавая противо момент в противоположную строну по отношению к моменту приводящему ПМ. В данном случае на руле возникает сила ГДСр – с помощью которой, опять-таки вокруг точки ЦБС создаётся МПР – момент пера руля, который противодействует приведению лодки к ветру. Этот обратный процесс называется уваливанием под ветер. Лодка уваливается когда угол между её курсом и направлением ветра увеличивается. И самое последнее – ПВ на рисунке 2 – это поверхность воды.

Теперь переходим к практическим и очень важным выводам, которые отображены на рисунке 3. Там показана лодка сбоку. Это схема, принципиальная, а не точный чертёж. Так вот там есть три качественных случая:

Первый: Точка ЦП находится точно над точкой ЦБС. Лодка находится в состоянии равновесия. Она не уваливается и не приводится. Казалось бы здорово, то что нужно, но это идеальная ситуация, которой на практике не бывает. Ну, то есть, она бывает, но лишь кратковременно, мгновенно, незаметно для экипажа, поскольку лодка всё время движется по волнам, меняя крен и дифферент (продольное наклонение корпуса).
Второй: Точка ЦП находится впереди (носовее) точки ЦБС. Тогда ветер создаёт момент, который будет уваливать лодку под ветер.
Третий: Точка ЦП находится позади (кормовее) точки ЦБС. Тогда ветер создаёт момент, который будет приводить лодку к ветру.

Возникает вопрос: что лучше? Ответ из практики такой: лучше всего второй случай. То есть, лодка идёт с нормальным расчётным креном с максимальной для данного ветра скоростью. Допустим пошёл порыв ветра. Лодка накренилась ещё больше, боковая площадь шверта за счёт его наклонения при крене значительно уменьшается. Лодка при этом приводится сильнее, но и дрейф под ветер будет больше, что позволит лодке проскользнуть по ветру и поэтому удержать крен от возрастания за счёт уменьшения силы бокового сопротивления на уменьшившейся боковой площади шверта. Это произойдёт, как уже сказано, при большем дрейфе под ветер. Но, если вы не гоняетесь, то это не так важно.

Сильное приведение к ветру штука весьма двоякая. С одной стороны паруса сбрасывают ветер, поскольку угол между ними и ветром значительно уменьшается. А, значит, и скорость хода падает и лодка по идее должна уменьшить крен. Но, с другой стороны, в динамике, при резком повороте на ветер лодка получает ещё и динамический крен, как машина при резком повороте. Эта ситуация зачастую приводит неопытных моряков к опрокидыванию швертбота, когда матрос или рулевой пропустил момент и его центробежной силой сбросило с наветренного борта. Тогда он вынужден упереться ногами в подветренный, критически нарушая и так едва оставшуюся остойчивость.
И тем не менее, выбирают именно этот вариант, поскольку уваливающий момент за счёт того, что ЦП находится впереди ЦБС помогает уравновесить резкое приведение лодки к ветру на порыве при сильном крене.

Подводим резюм. Что мы имеем. Мы имеем ЦП находящийся немного носовее ЦБС как на картинке 3. При этом, когда лодка на порыве ветра сильно кренится, она начинает сильно приводиться потому, что ЦП уходит дальше от ДП корпуса и его плечо увеличивается, а так называемая “передняя центровка”, когда ЦП носовее ЦБС уменьшает приведение лодки к ветру. На швертботах используется ещё один способ уменьшить слишком сильный приводящий момент. Один умный человек придумал одну гениальную вещь. Вы никогда не задумывались, почему шверты на швертботах, особенно гоночных, наклонены назад, как крылья реактивных самолётов?

Морское Дело. Возрождение забытого искусства. Узлы, Морские Узлы, Веревки, Лодки, Паруса, Такелаж, Построить Лодку

Именно потому, чтобы противодействовать сильному приводящему моменту. У наклонного шверта при крене площадь бокового сопротивления смещается назад. А это значит, что расстояние между ЦП и ЦБС увеличивается за счёт того, что ЦБС наклонного шверта уходит при крене в корму, и уваливающий момент при этом возрастает, компенсируя возрастающий при крене приводящий момент. В результате лодку не будет так резко приводить даже на весьма сильных порывах ветра. Вот вам и разгадка. Оказывается, это не модный дизайн, а практическое средство уменьшения приводящего момента при увеличении крена лодки. Здесь надо ещё раз повторить, что речь идёт о боковых площадях подводной части лодки. Это как если бы вы были матёрым дайвером и смотрели бы на лодку под водой сбоку.

Тут есть ещё одно следствие, нелицеприятное. А именно, получается что знаменитый польский “профэссор”, которым восторгались “крутые мореманы” на одном не менее “крутом” форуме, вызывает недоумение по поводу его лодок с прямыми швертами, не говоря уже о других “особенностях” его творений. Если кто был дотошен в этом вопросе, то он выяснил, что “профэссор” на самом деле инженер-робототехник….

И самое последнее. Величина расстояния между проекциями ЦП и ЦБС на виде сбоку (рисунок 3), которая обозначена буквой “х” называется “центровкой лодки” и выражается обычно в процентах от длины ватерлинии. Для каждой лодки и для каждого типа корпуса лодки существует свой диапазон центровок. Он зависит от площади парусов, килей, швертов. От всех факторов, которые мы с вами сейчас рассмотрели.

Поэтому, архиважный вывод таков: центровка должна обеспечивать сбалансированный ход лодки. Это значит, что при правильно поставленных парусах лодки относительно ветра, на её руле не должно возникать никакой силы. Если вам приходится прилагать силу на руле для удержания лодки на курсе, это значит, что лодка не сбалансирована и паруса “перетягивают” лодку не в ту строну и вам приходится рулить, что на практике означает активное торможение лодки, а сама она, как говорят моряки, “лежит на руле”. Рулёжка против волны – не в счёт. Это неизбежность.

Морское Дело. Возрождение забытого искусства. Узлы, Морские Узлы, Веревки, Лодки, Паруса, Такелаж, Построить Лодку

Поэтому большинство океанских лодок с малочисленной командой, которая не может постоянно рулить, всегда имеют две мачты. С помощью парусов, разнесённых по длине лодки на большое расстояние гораздо легче организовать баланс лодки в широком диапазоне ветров и курсов и это позволяет даже вовсе не рулить. Лодка может идти сама, если правильно настроены паруса. Почитайте об этом в замечательной книге американского моряка Джошуа Слокама, который первым в современности обошёл вокруг света в одиночку на парусной лодке “Спрей”. Это было в самом конце XIX века. Книга называется “Один вокруг света”.

Вот такая теория , если очень кратко. Когда будем “ставить парус” на нашу лодку на бумаге, то мы все эти моменты разберём ещё раз, подробно и неторопясь.
А пока следите за женщинами: матерями, сёстрами, жёнами. Судя по календарю, они скоро начнут посевную, а значит и нам пора будет приступать к практическим действиям.
В общем, будьте готовы!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *