Морская миля с давних пор является основной единицей измерения расстояний на море. Длина дуги одной минуты в средней широте земного меридиана принята равной морской миле.
Скорость судна измеряют в узлах. Один узел эквивалентен одной морской миле в час (1,852 км/ч). Термин «узел» возник в XVI веке во времена парусного флота, когда скорость судна начали определять секторным лагом. Лаг состоял из деревянного сектора, окованного железом, прочного лаглиня и вьюшки для сматывания. Лаглинь с помощью узлов разбивали на участки по 50,67 фута. Интервал между узлами был подобран так, чтобы узел соответствовал скорости, равной одной морской миле в час. Сосчитав число узлов, ушедших в воду с кормы судна за полминуты, определяли скорость.
Факторы, определяющие скорость
Скорость парусного судна зависит от различных факторов: его конструкции, силы ветра, способа настройки парусов и такелажа на различные условия плавания, умения экипажа управлять судном на разных курсах.
Движение яхты происходит от взаимодействия ветра с парусом. Воздушный поток, обладающий кинетической энергией, двигает парусное судно. Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к воздушному потоку и отклоняет его. Угол установки парусов к ветру – важное условие получения максимального эффекта в их работе. Правильно подобранный угол создает максимальную разность давлений потоков воздуха с обеих сторон паруса. Инструментом проверки правильной настройки парусов служат «колдунчики». Зафиксированные на обеих сторонах паруса, они растягиваются вдоль воздушных потоков. При образовании завихрения «колдунчики» на этой стороне паруса отклоняются от плавной траектории потока.
Яхта не может идти против встречного ветра. Большинство парусных судов не в состоянии удерживать курс под углом менее 45° к ветру. Отложенные по обе стороны от направления ветра углы по 45°, образуют «мертвую зону». При подходе к ней «колдунчики» на парусах начинают сотрясаться, указывая на потерю скорости яхтой. При встречном ветре яхты ходят галсами – зигзагообразными маневрами.
Теоретическая скорость, до которой можно разогнать водоизмещающую яхту, определяется формулой: корень квадратный длины ватерлинии в футах, умноженный на 1,34.
Различают истинный ветер и вымпельный. Вымпельный ветер представляет геометрическую сумму скоростей истинного ветра и ветра, вызванного ходом яхты.
Фордевинд (при попутном ветре) – не самый быстрый курс. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. Максимальная скорость на этом курсе всегда меньше скорости ветра. С наибольшей силой ветер давит на парус неподвижной яхты. По мере увеличения скорости -давление на парус уменьшается и становится минимальным, когда скорость яхты достигает максимального значения. Сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд составляет разницу скорости истинного ветра и скорости яхты.
Курсом галфвинд (под углом 90º к ветру) парусные яхты в состоянии двигаться быстрее ветра. На этом курсе сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты.
Все без исключения яхты увеличивают скорость в режиме глиссирования. При выходе на глиссирование резко уменьшается сопротивление движению. Чем легче яхта, тем раньше она выходит на глиссирование. Для быстрого плавания очень важна устойчивость яхты на выбранном курсе.
Важное значение имеют обводы корпуса на уровне ватерлинии и ниже ее. Корпус яхты должен оказывать, по возможности минимальное сопротивление потоку воды, чтобы не уменьшать скорость судна. Наибольшее сопротивление движению проявляется в районе ватерлинии. Понижение сопротивления формы в значительной мере зависит от ухода за судном, гладкости его поверхности, соотношения длины, ширины и обтекаемости бортов и подводных частей – киля и руля. Один раз в год яхту необходимо поднимать из воды для .
Скорость яхты в значительной степени зависит от умения экипажа управлять судном в различных условиях плавания. Неправильное распределение веса экипажа уменьшает скорость и ухудшает управляемость яхтой.
Только практический опыт плавания под парусом, знание основ теории аэродинамики и элементарной метеорологии помогают усовершенствовать навыки и средства управления ходовыми качествами яхты на разных курсах.
Рекорды скорости под парусами
Известным и авторитетным соревнование на скорость парусных яхт считается Кубок «Америки», впервые проведенный в 1851 году. Состязание получило свое название по имени судна, победившего в первой английской регате среди полутора десятка парусных судов. Шхуна развивала максимальную скорость до 17 узлов.
Звание самого быстрого парусника планеты удерживает тримаран Hydroptere. Созданный группой французских инженеров — судно показывает перспективы парусных средств передвижения на воде. На скорости в 12 узлов Hydroptere приподнимается из воды и выходит на подводные крылья. Чем больше парусник набирает скорость, тем выше он поднимается над поверхностью воды. Максимальная скорость, которую развивает Hydroptere, при этом оставаясь устойчивым, составляет 50 узлов. Предельная скорость, достигнутая судном, составила 61 узел.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
На сайте NASA опубликованы очень интересные материалы о разных факторах оказывающих влияние на формирование крылом самолета подъемной силы. Там же представлены интерактивные графические модели,которые демонстрируют, что подъемная сила может формироваться и симметричным крылом за счет отклонения потока.
Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его (рис. 1г). Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. Результат - давление с подветренной стороны паруса меньше, чем с наветренной стороны.
При движении курсом фордевинд, когда парус установлен перпендикулярно к направлению ветра, степень увеличения давление с наветренной стороны больше, чем степень понижения давления с подветренной стороны, другими словами ветер больше толкает яхту, чем тянет. По мере того, как яхта будет поворачивать острее к ветру, это соотношение будет меняться. Так, если ветер дует перпендикулярно курсу яхты, увеличение давления на парус с наветренной стороны оказывает меньшее влияние на скорость, чем снижение давления с подветренной стороны. Другими словами парус больше тянет яхту, чем толкает.
Движение яхты происходи благодаря тому, что ветер взаимодействует с парусом. Анализ этого взаимодействия приводит к неожиданным, для многих новичков, результатам. Оказывается, что максимальная скорость достигается, вовсе не когда ветер дует точно сзади, а пожелание «попутного ветра» несет в себе совершенно неожиданный смысл.
Как парус, так и киль, при взаимодействии с потоком, соответственно, воздуха или воды, создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации их работы можно применить теорию крыла.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
Воздушный поток обладает кинетической энергией и, взаимодействуя с парусами, способен двигать яхту. Работа, как паруса, так и крыла самолета, описывается законом Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к уменьшению давления. При перемещении в воздушной среде, крыло разделяет поток. Часть его обходит крыло сверху, часть снизу. Крыло самолета спроектировано так, что воздушный поток, проходящий над верхней стороной крыла движется быстрее, чем поток, который проходит под нижней частью крыла. Результат - давление над крылом значительно ниже, чем под. Разница давления и есть подъемная сила крыла (рис. 1а). Благодаря сложной форме, крыло способно генерировать подъемную силу даже в том случае, когда рассекает поток, который движется параллельно плоскости крыла.
Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Дискуссионным остается вопрос о том, какая часть подъемной силы связана с эффектом Бернулли, а какая является результатом отклонения потока. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Вместе с тем хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку (рис. 1б). В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.
Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается (рис. 1в).
Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. С максимальной силой ветер давит на парус стоящей без движения яхты (рис. 2а). По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорости (рис. 2б). Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра. Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.
Курсом галфвинд (под 90º к ветру) парусные яхты способны двигаются быстрее ветра. В рамках этой статьи мы не будем обсуждать особенности вымпельного ветра, отметим только, что на курсе галфвинд, сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты (рис. 2в).
Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.
The Physics of Sailing Explained: An Introduction
ISBN 1574091700, 9781574091700
Представляем Вашему вниманию Топ-5 самых быстрых яхт в мире.
Первое место по скоростным характеристикам занимает яхта World is not Enough – 42-метровая суперяхта VIP-класса, единственная в мире яхта, что способна достигать скорость более 70 узлов. Яхта была построена на верфи Millenium Super Yachts, дизайн интерьера принадлежит голландскому архитектору Френку Малдеру. Яхта оборудована двумя двигателями Paxman и двумя газовыми турбинами общей мощностью 20,600 л.с. Роскошный дизайн интерьера создан Эваном Маршаллом, ведущим яхтенным дизайнером. На яхте с комфортом могут разместиться 10 гостей.
Foners (первое имя - Fortuna) была построена для короля Испании Хуана Карлоса, который славится своей любовью к скорости. В 2000 году яхта была номинирована и получила звание самой быстрой яхты, когда она достигла 68 узлов, побив предыдущий рекорд 66,7 узлов яхты американский предпринимателя Джона Сталуппи – Moonraker. Foners оборудована тремя турбинами Rolls Royce, а также двумя дизельными двигателями MAN.
Яхта была построена на верфи Devonport Dockyard в Плимуте (Англия). Строительство яхты Alamshar до последнего момента держалось в строжайшем секрете, но именно на этой яхте судостроители установили самые мощные газовые турбины, уникальную двигательную установку, что ранее не была использована на любых других яхтах. Благодаря новой системе судостроители не раз проводили ходовые испытания, поэтому, несмотря на секретность проекта, яхта была замечена несколько раз еще до ее официального спуска. Яхта обошлась ее владельцу - мультимиллионеру, а также исламскому лидеру Ага Кхану в 200 миллионов фунтов, Alamshar названа в честь его лучшей скаковой лошади.
Gentry Eagle была построена на верфи Vosper Thornycroft в Портсмуте (Великобритания). Яхта установила рекорд по пересечению Атлантики в 1989 году всего за 62 часа и 7 минут, побив предыдущий рекорд Ричарда Брэнсона более чем на двадцать три процента! В 1992 году проведен полный ремонт яхты.
5 место: 118 WallyPower (36 м | 2002 | 60 узлов)
118 WallyPower была построена на итальянской верфи Rodriquez Intermarine. Яхта имеет футуристический дизайн, узкий заостренный нос. Роскошная яхта WallyPower 118 оснащена тремя газовыми турбинами DDC TF50 и двумя двигателями Cummins 370 л.с. Это сочетание мощности более характерно для военных кораблей, а не для супер-яхт. Дальность хода яхты - 380 морских миль. Верфь Wally Power проводила тестирование яхты в Швеции, а также в аэродинамическом туннеле Ferrari в Италии. Яхта 118 WallyPower получила награду MYDA (Millennium Yacht Design Award) в номинации "лучшая планировка третьего тысячелетия".
Когда речь заходит о высоких скоростях, все почему-то сразу вспоминают о самолётах или автомобилях. Но на самом деле суперскорости демонстрируют и плавсредства. В нашем обзоре 10 самых быстрых в мире суден в истории.
Самая быстрая субмарина
Максимальная скорость: 83 км/ч
Эта субмарина была единственным кораблем в своем классе. Она могла похвастаться титановым корпусом, двумя атомными реакторами водо-водяного типа мощностью 2 × 177,4 МВт и двумя паровыми турбинами мощностью 80000 лошадиных сил. Благодаря сочетанию низкой массы и высокой мощности подложка могла нести на борту экипаж из 82 моряков, 10 противокорабельных ракет П-70 «Аметист» и 12 533-мм торпеды на максимальной скорости в 44,7 узла.
2. Военный корабль HCMS Bras D’Or 400
Самый быстрый военный корабль
Максимальная скорость 116 км/ч
Этот экспериментальный канадский корабль на подводных крыльях – один из самых быстрых кораблей за всю историю. Bras D’Or был спроектирован по идеям Александра Грэхема Белла и был оснащен двумя газотурбинными двигателями Pratt & Whitney. К сожалению, эксперимент был закрыт в 1971 году, и единственный построенный корабль был выставлен на обозрение в Морском музее Квебека.
3. Парусник Vestas Sailrocket 2
Самый быстрый парусник
Максимальная скорость 120 км/ч
120 км/ч – кажется, не очень много, но для судна, в котором нет двигателя – это впечатляет. Sailrocket 2 побил все рекорды по скорости в парусном спорте.
4. Яхта World Is Not Enough
Самая быстрая яхта
Максимальная скорость 129 км/ч
Роскошная яхта, которая способна развить скорость в 70 узлов – что тут еще добавить?
5. Cigarette AMG Electric Drive Concept
Самое быстрое электрическое судно
Максимальная скорость 160 км/ч
Mercedes-AMGв сотрудничестве с Cigarette Racing выпустили самый быстрый электрический катер в мире. В нем установлено 12 электродвигателей общей мощностью 2220 л.с.
6. Понтонная лодка Brad Rowland’s South Bay 925CR
Самая быстрая понтонная лодка
Максимальная скорость 184 км/ч
Тот факт, что кто-то сделал понтонную лодку, которая может разогнаться до 184 км/ч, уже сам по себе является безумием.
7. Катамаран Spirit Of Qatar
Самый быстрый катамаран
Максимальная скорость 393 км/ч
В катамаране Spirit Of Qatar используются спаренные турбины Lycoming общей мощностью 9000 л.с.
8. Problem Child
Самый быстрый гидроплан в классе Top Fuel
Максимальная скорость 422 км/ч
Гидропланы класса Top Fuel похож на драгстер Top Fuel, за исключением того, что они мчатся по воде. Problem Child Эдди Нокса является самым быстрым судном в своем классе, и, как и на драгстер, на него установлен двигатель Hemi V8 мощностью 8000 л.с.
9. Гидроплан Bluebird K7
Самый быстрый гидроплан
Максимальная скорость 444 км/ч
K7 был первым из сумасшедших турбинных гидропланов, которые ставили рекорды по скорости на воде семь раз в 1955-1964 годах. Во время его последнего запуска он развил шокирующую скорость в 444 км/ч. К сожалению, его пилот Дональд Кэмпбелл погиб в 1967 году, пытаясь достичь скорости в 482 км/ч.
10. Spirit Of Australia
Самый быстрый катер
Максимальная скорость 511 км/ч
511 км/ч - удивительная цифра, которая впечатляет еще больше, когда узнаешь, что «Дух Австралии» был построен энтузиастом во дворе собственного дома. Кен Варби спроектировал суперкатер в 1978 году. Рекорд скорости катера Кена Варби пока не побит.
Еще в начале пятидесятых годов многие яхтсмены с предубеждением относились к установке на парусной яхте бензинового мотора или дизеля. Двигатель на яхте считали совершенно бесполезным и даже опасным (в пожарном отношении) грузом; утверждали, что мотору свойственно отказывать в работе в самые критические минуты. Большинство яхтенных капитанов называло противоестественным союз мотора и паруса.
Сейчас положение изменилось. Трудно найти яхтсмена-крейсерщика, который отрицал бы необходимость установки вспомогательного двигателя. Подавляющее большинство крейсерских яхт снабжают моторами, если не при постройке, то при последующем переоборудовании.
Мотор, безусловно, необходим, когда яхте приходится входить в гавань по узкому извилистому фарватеру, лавируя против встречного ветра. О нем невольно вспоминают и тогда, когда паруса беспомощно повисают, а нужно срочно возвращаться в яхт-клуб, идя против сильного течения. А постановка на якорь и съемка с якоря в узкостях, переходы по каналам и под мостами, плавание в штиль? Во всех этих случаях мотор не только облегчает маневрирование, но и позволяет экономить время, которое затем можно использовать для того, чтобы уйти на сотню миль дальше или для знакомства с достопримечательностями на берегу.
У туристов, плавающих на катерах, наоборот, часто появляется желание поставить паруса, чтобы использовать свежий попутный ветер, сэкономить топливо, да и просто отдохнуть от постоянного шума мотора и вибрации.
Ниже рассматриваются особенности комбинированных моторно-парусных судов , сочетающих качества парусной яхты и катера . Двумя крайними полюсами таких комбинированных судов являются яхта со вспомогательным мотором небольшой мощности и полной парусной оснасткой и катер с мощным двигателем и вспомогательной парусностью (в основном для придания судну устойчивости на взволнованном море). Суда промежуточного типа, рассматриваемые в настоящей статье, в дальнейшем будут называться моторными парусниками .
Катер и яхта. Нетрудно сопоставить основные эксплуатационные качества моторного катера и парусной яхты в форме табл. 1.
Таблица 1. Сопоставление основных качеств парусной яхты и катера
| Показатель | Парусная яхта | Катер |
|---|---|---|
| Характеристика | ||
| Скорость хода | Неустойчивая, зависит от силы ветра и курса яхты | Практически постоянна |
| Дальность плавания | Ограничивается только запасами воды и провизии | Ограничивается запасами топлива |
| Мореходность | Высокая (неограничена для яхт океанского плавания) | Ограниченная (для большинства катеров прибрежного плавания - волнение 3-5 баллов) |
| Осадка | Большая (2,1 м для яхты длиной по КВЛ 10 м) | Малая (0,9 м для катера длиной по КВЛ 10 м) |
| Условия обитаемости | Бесшумность; ход с креном | Повышенная шумность и вибрация корпуса |
| Минимальный экипаж | 2-3 чел. на вахте, 4-6 для аврала | 1-2 чел. на вахте, 2 чел. для аврала |
| Затраты на организацию похода | Продовольствие | Продовольствие - топливо |
При проектировании моторного парусника ставится задача получить высокую скорость, как под мотором, так и под парусом и сохранить малую осадку катера, которая делает доступными многие мелководные гавани и бухты. От парусной яхты должны сохраниться высокие мореходные качества, экономичность и большая дальность плавания, а также хорошие условия обитаемости.
В прибрежном крейсерском плавании килевая яхта (длиной по КВЛ 7-10 м) без мотора показывает среднюю скорость на переходе от 3 до 5 узл. На моторном паруснике можно получить устойчивую среднюю скорость на 3-4 узла больше, что позволяет за сутки пройти лишних 50-80 миль; отпадает необходимость лавировать при слабом встречном ветре или пережидать в море штилевые часы. С другой стороны, если команда катера часто вынуждена отказываться от выхода в море, особенно при сильном встречном ветре и большой волне, на моторном паруснике можно спокойно идти в крутой бейдевинд под зарифленными парусами.
Как же наилучшим образом сочетать в одном судне положительные качества ? Будет ли правильным ставить на парусную яхту мощный двигатель или на катер развитое парусное вооружение?
Известно, что парусное судно может развить приемлемую скорость, если площадь его парусности S (м²) находится в определенном соотношении с водоизмещением D (м³) и смоченной поверхностью Ω (м²) . Эти отношения не должны быть менее:
S 1/2 /D 1/3 = 3,8÷4,2; S/Ω = 2÷2,5,
причем первое из них характеризует ходкость яхты в сильный ветер, а второе - в слабый.
Яхта сможет нести такую оптимальную парусность, если она будет иметь хорошую остойчивость, которая обеспечивается глубоко погруженным тяжелым фальшкилем (вес его составляет 35-50% полного водоизмещения). Естественно, что при плавании под мотором такая остойчивость не нужна, а «перевозка» фальшкиля потребует непроизводительной затраты мощности двигателя; таким же бесполезным грузом в этом случае становятся рангоут, паруса и оснастка.
Для создания достаточного сопротивления дрейфу корпус яхты должен иметь большую площадь бокового сопротивления (14-18% площади парусов). Поэтому смоченная поверхность корпуса яхты больше, чем у катера таких же размерений, и для достижения одинаковой с катером скорости потребуется большая мощность мотора. Развитая оснастка и рангоут яхты увеличивают воздушное сопротивление, для преодоления которого также необходима затрата дополнительной мощности. Обводы яхты, рассчитанные на плавание с относительно низкой скоростью и с креном, не позволяют развить под мотором более высокую скорость, сколько бы ни увеличивалась его мощность.
С другой стороны, если на катер поставить парусное вооружение яхты таких же размеров, результат вряд ли будет удовлетворительным. Из-за отсутствия фальшкиля и высокого расположения тяжелых грузов (двигателя, запасов топлива, развитых надстроек) остойчивость катера окажется явно недостаточной для хода под парусами и потребуется уменьшение площади парусности. На нем нельзя будет идти круто к ветру, так как боковое сопротивление его корпуса невелико. Обводы его подводной части не рассчитаны на плавание с креном и дрейфом. Гребной винт большого диаметра и с широкими лопастями будет сильно тормозить ход под парусом. Да и сам корпус катера, рассчитанный на движение на какой-то одной и довольно высокой скорости, будет иметь сопротивление больше, чем корпус яхты.
Из сказанного ясно, что катер под парусами не сможет достичь одинаковых с яхтой лавировочных и ходовых качеств, так же, как и яхта с мощным мотором - достичь скорости катера тех же размеров и с двигателем той же мощности. При проектировании моторного парусника нужно найти компромисс между этими типами судов и отдать предпочтение тем или другим отдельным качествам.
Особенности движения водоизмещающих судов с большой скоростью. Каждый яхтсмен, безусловно, знает, что при движении яхты около ее корпуса образуются волны. Высота и длина этих волн растут по мере увеличения скорости яхты (рис. 1), а число их, укладывающееся на длине судна, уменьшается. Иногда можно видеть, как гоночные яхты, например, класса «Р-5,5», идут только на одной волне (соседние гребни расположены в носу и корме, а подошва около миделя). Такое положение означает, что яхта достигла своей предельной скорости, если ее вес, обводы и площадь парусности не позволяют перейти в режим глиссирования. Создается впечатление, что судно не в силах взобраться на гребень волны, которую создало оно само. Все же легкие яхты - «Летучие Голландцы» и «звездники» - в свежий ветер могут преодолеть этот барьер и глиссировать, находясь только на одном гребне, который располагается теперь уже около миделя. Подобные же явления наблюдаются и на катерах при постепенном увеличении их скорости.
Нетрудно заметить, что картина волнообразования зависит не только от скорости хода, но и от длины судна: чем короче судно, тем при меньшей скорости наблюдается явление волнового барьера. Поэтому в судостроении скорость судов принято характеризовать относительной скоростью, или числом Фруда,
где v - скорость судна, м/сек; L - длина по ватерлинии, м; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек², √ - корень квадратный.
Эта величина характеризует, прежде всего, интенсивность волнообразования у корпуса на данной скорости и долю мощности мотора или парусов, необходимую для создания этих волн. Например, если говорят, что яхта идет со скоростью Fr = 0,29, судостроитель знает, что независимо от ее длины:
На длине яхты укладываются примерно две поперечные носовые волны;
Мощность, потребная для создания волн, составляет около 50-60% всей необходимой мощности двигателя (остальная часть тратится на преодоление трения обшивки корпуса о воду и вихревого сопротивления корпуса).
Подобным же образом при числе Фруда Fr = 0,4÷0,5 наступает тот момент, когда судно идет на двух соседних гребнях одной волны, а сопротивление движению от волнообразования достигает 90% общего сопротивления корпуса. Эта скорость и представляет тот самый барьер, преодолеть который могут только легкие глиссирующие яхты или катера, имеющие соответствующие обводы и мощность двигателя. На рис. 2 приведен график зависимости сопротивления яхты (в виде потребной для его преодоления буксировочной мощности) от относительной скорости. Можно заметить, что в диапазоне Fr = 0,3÷0,5 сопротивление резко возрастает при самом незначительном увеличении скорости. Именно поэтому мощности, развиваемой парусами, обычно бывает достаточно только для достижения некоторой скорости v = 2,2÷2,4√L узл. (что соответствует относительной скорости Fr = 0,38÷0,39). Очевидно, что увеличение скорости яхты под мотором сверх этого предела без какого-либо изменения обводов и уменьшения водоизмещения потребует непомерного увеличения мощности мотора, а следовательно, увеличения его габаритов и веса, запасов топлива и водоизмещения судна в целом.
Поэтому скорость моторных парусников под мотором обычно не превышает значения v = 2,7√L. При такой скорости можно получить удовлетворительный компромисс между парусными качествами и ходкостью под мотором.
В табл. 2 приведены значения максимальной и экономической скорости для моторно-парусных яхт различной длины по КВЛ.
Таблица 2. Экономическая и максимальная скорости моторных парусников
При движении судна со скоростью выше v = 2,7√L (Fr = 0,45) оно образует, как уже отмечалось, волну, длина которой превышает длину судна, а вершина находится около миделя судна. Такая волна вызывает дифферент судна на корму, что, в свою очередь, приводит к увеличению кормовой волны и, в конечном счете, к резкому росту сопротивления воды движению судна. Для того чтобы противодействовать дифференту, корма судна должна иметь широкий транец и плоское днище с пологими, почти горизонтальными батоксами. Благодаря такой форме корпуса на днище создается подъемная сила, которая выравнивает судно, а при дальнейшем увеличении мощности - выжимает его из воды, переводя в режим глиссирования.
Однако такие обводы кормы неприемлемы для моторного парусника, так как при плавании с креном (под парусами) большой объем кормы становится причиной дифферента на нос; в результате корпус и киль яхты занимают неправильное положение (угол атаки) при лавировке и не позволяют идти круто к ветру, а образующийся за кормой поток тормозит движение яхты.
Таким образом, рассмотрев особенности движения тяжелых водоизмещающих судов, какими обычно являются туристские катера и яхты, можно сделать следующие выводы:
Максимально достижимая скорость под парусами для яхт составляет v = 2,2÷2,4 √L узл.;
Мощность двигателя для моторно-парусной яхты, обладающей хорошими лавировочными качествами, не должна превышать величины, необходимой для развития скорости v = 2,7 √L узл.;
Если судно рассчитывается на большую скорость под мотором, нельзя ожидать от него удовлетворительной способности лавировать.
Типы моторных парусников. В зависимости от величины скорости, развиваемой под мотором, и той роли, которая отводится парусу или мотору на данном судне, все моторно-парусные яхты могут быть условно разделены на четыре основных типа.
I. Яхты со вспомогательным двигателем. Это, по существу, обычные крейсерские яхты, на которых мотор играет второстепенную роль и устанавливается исключительно для облегчения входа и выхода из гавани, прохода по фарватеру, швартовки и т. п. Мотор выбирают с минимальными мощностью, весом и габаритами. Скорость под мотором в этих случаях не превышает значения v = 1,8÷2,0 √L узл. (5-6 узл. для большинства крейсерских яхт). Запас топлива также невелик, как правило - на 20-30 час. непрерывной работы двигателя, т. е на 100-200 миль.
Гребной винт для уменьшения сопротивления при ходе под мотором должен иметь минимально допустимый диаметр, узкие лопасти; обычно размещают винт в окне ахтерштевня и руля.
Мощность вспомогательного двигателя для достижения указанной скорости обычно составляет 1,2÷2,0 л. с. на 1 т водоизмещения яхты. Вес мотора при этом не превышает 3% водоизмещения D, а вес запасов топлива 2% D. Поэтому установка двигателя не сказывается ни на остойчивости яхты, ни на ее лавировочных качествах. Вес фальшкиля сохраняется в пределах 35-45% D.
II. с предпочтением парусным качествам. Проектируя суда этого типа, конструктор обычно стремится сочетать хорошие лавировочные качества и ходкость под парусами со сравнительно высокой скоростью под мотором. Один из таких парусников показан на рис. 3.
 |
От яхт со вспомогательным мотором моторные парусники рассматриваемого типа отличаются более мощным мотором (4÷5,5 л. с./т) и, следовательно, большей скоростью хода под мотором (2,2÷2,4√L узл.), а также увеличенной дальностью плавания под мотором (до 800-1000 миль для яхты длиной около 15 м). Здесь двигатель играет такую же основную роль, как и паруса, поэтому ходовым качествам под мотором уделяется большее внимание. Часто этот тип яхт называют «50/50» (т. е. по 50% от яхты и катера).
На рис. 4 показан теоретический чертеж моторного парусника, основные элементы которого указаны в табл. 3 (для сравнения рядом приведены данные по яхте типа I и мореходному катеру с такой же длиной по КВЛ).
Таблица 3. Сравнение судов рассматриваемых типов
| Характеристика | Моторный парусник (тип II) |
Яхта (тип I) |
Катер |
|---|---|---|---|
| Длина наибольшая, м | 14,35 | 16,0 | 11,0 |
| Длина по ватерлинии, м | 10,97 | 10,97 | 10,25 |
| Ширина наибольшая, м | 4,10 | 3,70 | 3,2 |
| Осадка, м | 1,52 | 2,26 | 0,85 |
| Водоизмещение, т | 16,5 | 17,7 | 5,8 |
| Вес фальшкиля, т | 5,0 | 7,8 | - |
| Площадь парусности, м² | 96,4 | 123 | - |
| Мощность двигателя, л. с. | 94 | 41 | 140 |
| 9,0 | 6,5 | 16,2 | |
| Дальность плавания, миль | 700 | 150 | 500 |
| 5,7 | 2,3 | 24,1 |
Для обводов этого моторного парусника характерны малая осадка, короткие свесы, прямая килевая линия, более широкая, чем обычно у яхт, транцевая корма. Развал шпангоутов в носу и очертания палубной линии - типичные для моторных яхт. Ватерлинии в носу имеют более острый угол входа (заострение), а батоксы в корме поднимаются под меньшим углом к ватерлинии, чем у парусной яхты.
В связи с установкой мощного дизеля вес фальшкиля уменьшен до 30%D. Гребной винт размещен в большом окне ахтерштевня, за вертикальным старнпостом и имеет значительный диаметр. Такое размещение винта способствует повышению его к. п. д. и более полному использованию мощности. Естественно, что уменьшенная остойчивость, а также подрезанная подводная часть ДП не позволяют нести полную парусность. На более крупных яхтах этого типа для улучшения лавировочных качеств часто устанавливают шверт. Вариант со швертом - удачный компромисс между парусом и мотором: при ходе под мотором шверт можно убрать и тем самым уменьшить смоченную поверхность корпуса.
Чтобы уменьшить сопротивление воздуха при ходе под парусами, объем надстроек стремятся свести до минимума.
Из характерных для этого типа судов соотношений можно отметить еще параметр
S 1/2 /D 1/3 = 3,5÷3,9,
в то время как у яхт типа I эта величина больше (3,8÷4,4).
III. Моторно-парусные яхты с предпочтением катерным качествам. В этом случае скорость под мотором играет первостепенную роль и достигает v = 2,7÷2,9 √L узл. Как уже отмечалось, на этой скорости судно получает сильный дифферент на корму, поэтому предпочтительна широкая транцевая корма с пологими линиями батоксов. Необходимая мощность двигателя повышается до 6,5÷9 л.с./т, что заставляет уменьшать вес фальшкиля до 15-25% D.
Осадка принимается такой, чтобы разместить гребной винт необходимого диаметра (обычно Т=11÷13% L).
Поскольку форма корпуса все равно оказывается неприспособленной для крутой лавировки, отказываются от устройства шверта, увеличивают объем надстроек. Площадь парусов относительно невелика:
S 1/2 /D 1/3 = 2,8÷3,4.
Паруса предназначаются главным образом для плавания полными курсами в свежий ветер и стабилизации движения яхты на взволнованном море.
Примером судна рассматриваемого типа может служить «Серч» (рис. 5 и 6) - мореходная яхта, предназначенная для дальних плаваний. Она имеет хорошие ходовые качества как под мотором, так и под парусами. Основные элементы яхты приведены в табл. 4 (рядом для сравнения приведены данные яхты со вспомогательным мотором «Хортица»).
Корпус яхты по характеру обводов приближается к форме мореходного катера (прямая килевая линия, короткие свесы, высокий надводный борт, корма с частично погруженным в воду широким транцем). Гребной винт диаметром 850 мм размещен за ахтерштевнем в большом окне.
«Серч» несет в два раза меньшую парусность, чем яхта со вспомогательным мотором. Паруса относительно широкие, с низким центром парусности, рассчитанные на хождение полными курсами.
Таблица 4. Сравнение двух характерных судов
| Характеристика | «Серч» | «Хортица» |
|---|---|---|
| Длина наибольшая, м | 14,9 | 18 |
| Длина по ватерлинии, м | 13,0 | 13,3 |
| Ширина наибольшая, м | 4,27 | 4,0 |
| Осадка, м | 1,53 | 2,2 |
| Водоизмещение, т | 21,5 | 24,5 |
| Вес фальшкиля, т | 1,5 | 7,8 |
| Площадь парусности, м² | 69 | 150 |
| Мощность двигателя, л. с. | 140 | 62 |
| Скорость хода под мотором, узл. | 10 | 7 |
| Дальность плавания, миль | около 900 | 100 |
| Удельная мощность двигателя, л. с./т | 6,5 | 2,5 |
| S 1/2 /D 1/3 | 3,18 | 4,22 |
IV. Катера со вспомогательными парусами. Если катер предназначен для плавания в море или на большом озере, имеет смысл установить на нем паруса небольшой площади, в первую очередь, для улучшения мореходности на волне (прежде всего для повышения устойчивости на курсе, смягчения качки и придания способности лежать в дрейфе). В свежий ветер катер может идти (без мотора) с небольшой скоростью в бакштаг или даже лавировать, подрабатывая двигателем. Площадь парусов принимается около 5 м²/т для катеров водоизмещением до 5 т; 4÷3 м²/т для катеров водоизмещением 5-10 т и 2,5÷3 м²/т для больших судов.
В качестве примера назовем мореходный катер «Пассажмэкер» (рис. 7 и 8), предназначенный для дальних морских и океанских плаваний. Мощность двигателя невелика - всего 40 л. с. (1,6 л. с./т); соответственно невысока и скорость - 7,5 узлов (2√L), зато запас топлива составляет 5,5 т (22% D), что обеспечивает огромную дальность плавания - 2400 миль. На одну пройденную милю расходуется всего 2,3 кг топлива.
Длина наибольшая 15,3, а по КВЛ - 14,0 м; ширина 4,9 м, осадка 1,53 м, водоизмещение «Пассажмэкера» 25 т, причем вес фальшкиля всего 3,3 т (13% D). Площадь парусности около 50 м².
Обводы его корпуса характерны для моторных мореходных яхт, имеющих небольшую скорость (острые ватерлинии в носу, днище с большой килеватостью у транца, прямая килевая линия). Типичны также высокий надводный борт и развитые надстройки. Этот теоретический чертеж может быть принят за основу для проектирования моторного парусника меньшей длины (9-10 м).
Следует заметить, что на яхтах этого типа часто устанавливают невысокие скуловые кили, которые существенно уменьшают дрейф под парусами, а кроме того, служат эффективными успокоителями качки.
Д. А. Курбатов, 1966 г.
Loading...