Контрольные вопросы:

1.Какие динамические силы действуют на судно при наличии ветра и волнения?

2.Что такое истинный и кажущийся ветер?

3.От чего зависит расположение центра парусности судна?

4.Какие условия сохранения управляемости при ветре и волнении?

«Плавание судов на мелководье»

1.Влияние мелководья на поведение судна.

2.Потеря скорости на мелководье.

3.Проседание судов на мелководье.

4.Маневрирование в узкостях и каналах.

Влияние мелководья на поведение судна.

Корпус судна при движении испытывает со стороны обтекающей его воды воздействие гидродинамических сил, значение которых определяется характеристиками потока жидкости в каждой рассматриваемой точке - скоростью и направлением. Для оценки гидродинамических сил, воздействующих на корпус судна необходимо знать основные свойства жидкости.

В пределах тех давлений, которые возникают при обтекании корпуса, жидкость можно считать практически несжимаемой. Рассмотрим струю жидкости, текущую под постоянным напором. На элемент струи ААВВ действуют: сила тяжести и сила гидродинамического давления Р₁, Р₂ и силы давления соседних струй Р_т, направленные перпендикулярно боковой поверхности рассматриваемой струи. Скорость жидкости в сечении АА равна U₁, а в сечении ВВ – U₂. Через некоторый промежуток времени Δt элемент струи ААВВ займет положение А'А'В'В'.

Кинетическая энергия жидкости в сечении АА будет E₁= , а в сечении ВВ – E₂= .

Приращение кинетической энергии будет:

ΔЕ= = ( )

Поскольку m = ρV = yV/g (y – удельный вес, g – ускорение силы тяжести), то

ΔЕ= ( )

Приращение кинетической энергии равно работе всех сил, действующих на струю, т.е. ΔЕ=А, а работа А= A₁ + А₂ + Аз, где: А₁ - работа сил тяжести, равная yV (Z₁ - Z₂); А₂ - работа гидродинамических давлений p₁ и р₂, равная V(p₁- р₂); A₃ - работа боковых гидродинамических давлений на струю потока р_m (A3 =0, так как жидкость, по условию, не протекает через боковую поверхность).

Следовательно: A=yV(Z₁ - Z₂) + V(p₁-p₂).

После преобразований, уравнение примет вид:

+ + Z - const

Первый член уравнения дает высоту, на которую способна подняться жидкость, при гид­ростатическом давлении Р, и называется пьезометрической высотой. Второй член представляет собой высоту скоростного напора, а третий член - геометрическую высоту.

Полученное уравнение носит название уравнение Бернулли. Физический смысл этого уравнения для струи идеальной жидкости состоит в том, что оно выражает закон сохранения энергии текущей жидкости. Из него следует, что при постоянной высоте положения частиц жидкости (струя горизонтальна, Z = const) с уменьшением скорости давление в жидкости уменьшается. В приведенном формулой виде, уравнение Бернулли выражает свойство «идеальной жидкости», которая не имеет вязкости. В реальной жидкости, за счет потерь на трение между частицами, сумма слагаемых не остается постоянной. Она постепенно уменьшается в направлении течения по мере возрастания кинетической энергии на трение.

При обтекании движущегося судна поток воды в средней части его корпуса имеет большую скорость, чем на оконечностях. По этой причине в районе носа и кормы образуются зоны повышенного давления, а на миделе - пониженного. Благодаря такому распределению давлений образуются волны с гребнями в носовой и кормовой оконечностей и подошвой у миделя. Высота кормового гребня несколько меньше, чем носового. Это объясняется тем, что работающий винт, увеличивает скорость потока в районе кормы, вызывает уменьшение давления, по сравнению с носовой частью.

Если движение судна происходит на мелководье (в узости, канале), то характер волно-образования существенно изменяется, за счет близости дна моря и стенок канала или фарватера,

что оказывает значительное влияние на управляемость судна. Кроме того, на мелководье

существенно возрастает сопротивление воды, что приводит к потере скорости и наблюдается проседание судов - происходит увеличение осадки, возрастает присоединенная масса.

Потеря скорости на мелководье.

При переходе судна с глубокой воды на мелководье сопротивление воды возрастает, а скорость снижается, при неизменной подаче топлива на двигатель. Это увеличение происходит за счет изменения системы волн, образующихся при движении корпуса. Обычно, при движении па глубокой воде, образуется носовая и кормовая системы расходящихся волн, имеющие угол раствора с ДП равный примерно 18°÷20°. На мелководье указанный угол раствора увеличивается, достигая в каналах значения около-90⁰. Влияние мелководья на скорость движения судна начинает сказываться при глубине, определяемой по формуле:

Н≤ Т_ср +

где: Н – глубина моря; Т_ср - средняя осадка; V_с - скорость судна; g - ускорение силы тяжести.

Для сравнительной оценки влияния мелководья на судно вводят модифицированный коэф­фициент - число Фруда по глубине F , значение которого определяют по формуле:

F

При числах Фруда, меньших 0.3, влияние мелководья практически несущественно при любых значениях отношения глубины к осадке Н/Т. Сопротивление становится максимальным, когда число Фруда приближается к единице, когда формируется мощная одиночная поперечная носовая волна.

Скорость судна, при которой сопротивление воды максимально, называется критической скоростью на мелководье. Ее значение определяется по формуле:

V_кр =

При дальнейшем увеличении скорости, большей, чем критическая, сопротивление несколько уменьшается. Потерю скорости на мелководье, при плавании з зоне докритических скоростей можно приближенно рассчитать по формуле:

ΔV% =

где ΔV% - потеря скорости, выраженная в процентах, к скорости на глубокой воде.

При расчетах потеря скорости должна получаться со знаком "минус". Если при расчетах получается знак "плюс", то потерю скорости следует считать равной нулю. Обычно плавание транспортных судов на мелководье происходит, как правило, в зоне докритических скоростей.

Мелководье существенно влияет на маневренные характеристики судна и его управляемость. При движении судна постоянным курсом на мелководье с розным рельефом дна повышается его устойчивость на курсе. При выполнении поворотов угловая скорость меньше, чем на глубокой воде, а сила инерции судна возрастает, за счет увеличения присоединенной массы воды. По этой причине радиус поворота увеличивается.

Несмотря на то, что сопротивление воды увеличивается на мелководье, а также происходит падение скорости, но из-за возрастания силы инерции, тормозные пути судна почти не изменяются. Влияние мелководья проявляется значительно при числах Фруда по глубине более F > 0.5. Оно становится особенно заметным при соотношении осадки к глубине менее двух

(Н/Т < 2).

При плавании на мелководье с неровным рельефом дна, из-за наличия зоны повышенного давления в районе носа, он отталкивается от возвышенных участков дна и уклоняется в сторону больших глубин, а корма наоборот стремится приблизиться к подводному препятствию. Подобное явление наблюдается также и в канале. При приближении судна к одной из бровок или стенок канала судна отталкивается от этой стенки з сторону середины канала, а корма

стремится приблизиться к бровке. В таком случае после отталкивания носа, приходится перекладывать руль в сторону ближайшей бровки для того, чтобы отвести от нее корму и предотвратить разворот судна поперек канала. Если в канале имеется ответвление, то при приближении к нему, нос уваливается з его сторону. Для компенсации этого воздействия приходится своевременно перекладывать руль в сторону, противоположную ответвлению. При расхождении в узости со встречными судами необходимо учитывать гидродинамическое взаимодействие между судами, в результате которого носовые части отталкиваются.

Когда суда окажутся на траверзе друг друга, наблюдается взаимное присасывание, за счет зон пониженного давления в средней части.

При обгоне взаимодействие гидродинамических полей судов продолжается гораздо дольше. По этой причине траверзное расстояние между судами рекомендуется увеличивать, если позволяет навигационная обстановка, настолько, чтобы существенно уменьшить влияние судов друг на друга.

Особо следует отметить особенности управления судном в узости, при наличии течения. При действии течения на судно, его траектория относительно грунта существенно искажается. По этой причине необходимо заранее рассчитать точку начала поворота и курс до и после его завершения, с таким расчетом, чтобы путь судна не вышел за пределы судоходной части фарватера. При этом необходимо учитывать отклонения в направлении течения при следовании в излучинах рек и у мысов. Кроме того, особенности управления проявляются в зависимости от направления движения - по течению или против него. При плавании по течению судном управлять сложнее, из-за того, что приходится уменьшать обороты двигателя, для движения с докритической скоростью относительно грунта. За счет этого также падает эффективность руля, из-за малой скорости, набрасываемой струи от винта. При плавании против течения можно поддерживать сравнительно высокие обороты двигателя при сохранении небольшой скорости относительно грунта. Руль при этом обладает повышенной эффективностью. Следует иметь ввиду, что скорость судна относительно воды велика, поэтому отклонение ДП даже на небольшой угол от направления действия течения, наблюдается быстрое боковое перемещение судна, что может привести к посадке на мель у берега реки.

Проседание судов на мелководье.

Как уже отмечалось, при движении корпуса судна образуются гребни волн у оконечностей и подошвы у миделя. Поскольку оконечности, по сравнению со средней частью, обладают меньшей плавучестью, то происходит проседание - увеличение средней осадки судна на ходу по отношению к уровню невозмущенной поверхности воды.

При плавании на мелководье за счет уменьшения просвета под днищем судна скорость потока возрастает, а это в соответствии с уравнением Бернулли, сопровождается уменьшением давления воды под корпусом и, следовательно, проседание увеличивается. Структура потока под днищем зависит от формы погруженной части корпуса: отношения длины к ширине L/В , коэффициента полноты водоизмещения δ. Поэтому разные суда проседают по-разному: у одних наблюдается преимущественное проседание кормы, у других - носа, а некоторые увеличивают осадку, не изменяя дифферента.

Как показали модельные эксперименты и натурные испытания, суда небольшого и сред­него тоннажа которые имеют характерные острые обводы (δ <0,7; ≥ 7), при проседании

увеличивают дифферент на корму. Крупнотоннажные суда, для которых характерны более

полные обводы (δ >0,7; <7), при проседании на мелководье преимущественно увеличивают осадку носа.

Максимальное проседание наблюдается у судов, когда число Фруда, рассчитываемое по глубине, приближается: к единице, т.е. когда скорость имеет критическое значение.

При плавании на мелководье с ограниченным запасом воды под килем бывают случаи удара днища о грунт, что может вызвать серьезные повреждения корпуса.

Во избежание аварий необходимо учитывать величину проседания в зависимости от

скорости и ни в коем случае не превышать допустимой для данных конкретных условий

значение скорости.

Показателем мелководья является отношение глубины к осадке судна Н/Т. При плавании в каналах характер потока, обтекающего корпус судка, по сравнению с обширным мелководьем, изменяется под влиянием близости стенок канала, поэтому величина проседания зависит не

только от отношения глубины к осадке, но и от отношения площади сечения канала к площади погруженной части мидель-шпангоута. От величины этого отношения зависит значение критической скорости для канала, которую называют скоростью насыщения.

Маневрирование в узкостях и каналах.

При движении в канале нос судна испытывает отталкивание от берегов, а корма – присасывание. Если судно движется по оси канала, то эти явления действуют симметрично. Если же судно приблизится к одному из берегов, то появится тенденция разворота, в сторону оси фарватера (канала) за счет отталкивания носовой оконечности от ближайшего берега. Сила взаимодействия со стенкой канала приблизительно пропорциональна квадрату скорости судна. Если канал имеет ответвление, то нос судна в этом месте, не испытывая отталкивания, резко бросается в сторону ответвления за счет отталкивания от противоположного берега.

Тенденция судна отклониться от направления канала указывает, что оно приблизилось к одному из берегов. В этом случае перекладка руля для удержания судна на заданном курсе будет автоматически выводить судно на ось канала благодаря поперечному смещению за счет боковой силы руля. Учет указанной особенности может, обеспечить безопасное движение судна по прямому участку канала при ограниченной видимости.

На криволинейных участках при управлении судном особенно важно учитывать взаимодействие с берегами (стенками) канала. Если вести судно блике к "внутреннему" берегу, то из-за присасывания кормы придется для обеспечения поворота перекладывать руль на большие углы, а при чрезмерном приближении к берегу присасывание может оказаться настолько сильным, что переложенный на борт руль окажется неэффективным, и судно развернется в сторону излучины.

Если же вести судно слишком близко к "внешнему" берегу, (в излучине), то присасывание к нему кормы может потребовать перекладку руля на борт, противоположный направлению поворота. Судно окажется как бы привязанным к внешнему берегу. Лучше всего проходить, поворот канала, удерживая судно вблизи оси со стороны внешнего берега. Иначе говоря, если канал изгибается вправо, то следует вести судно несколько ближе к левому берегу, и наоборот.

Если в канале наблюдается течение, то при попутном его направлении лучше держаться

несколько ближе к внутреннему берегу, так как течение будет стремиться сместить судно в

направлении излучины (внешнего берега). При встречном течении рекомендуется вести судно

на некотором расстоянии от оси в сторону излучины.

Судам, намеревающимся разойтись в канале, следует сближаться уменьшенным ходом, придерживаясь оси канала. Маневрирование по расхождению можно разделить на следующие этапы:

- когда расстояние между судами станет равным длине корпуса, руль переложить вправо;

- когда носовые части судов будут на траверзе друг друга, следует переложить руль влево для отвода кормы и одновременно увеличить ход;

- при выходе на курс параллельный берегу, руль, если необходимо нейтрализовать чрезмерное присасывание кормы к берегу, перекладывается вправо;

- когда нос поравняется с кормой встречного судна, начнется резкий поворот влево;

- когда корма окажется против кормы встречного судна, за счет присасывания кормовых частей друг к другу, суда будут разворачиваться вправо и, разойдясь, друг с другом, окажутся примерно на оси канала. В данном случае руль используется только для контроля поворота.