Судовождение на ВВП / Часть 1 / ВОПРОС 9 - ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО

Влияние ветра на движущееся судно

Действие ветра. Ветер оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на движение и маневрирование судов, особенно тех, которые имеют большую высоту надводного борта и сильно развитые надстройки. Степень и характер воздействия ветра на судно зависят от многих факторов, ос­новными из которых являются: пло­щадь парусности судна и расположе­ние его центра; отношение величины надводного борта к осадке судна; сила и направление ветра относи­тельно ДП судна; курс и скорость движения судна относительно нап­равления ветра.

Для решения задач о влиянии вет­ра на движущееся судно необходи­мо отличать истинный, действи­тельный ветер от кажущегося или относительного. Кажущийся ве­тер тот, который ощущается на дви­жущемся судне. При движении судна скорость истинного ветра геометри­чески складывается со скоростью на­бегающего воздушного потока равного по модулю скорости судна, но противоположного по направлению, на­зываемого курсовым ветром (скорость последнего равна скорости судна).

(9.1)

Направление ветра обозначается названием той части горизонта, от­куда дует ветер.

Геометрический смысл формулы (9.1) характеризуется век­торным треугольником, показанным на рис. 9.1 (а, б, в). Из рисун­ка видно, что под влиянием движения судна вперед со скоростью курсовой угол кажущегося ветра будет всегда меньше, чем истинного .

Рис.9.1 Курсовой угол кажущегося ветра на движущемся судне.

Аэродинамическая сила и ее момент.

Равнодействующая сила давления ветра на надводную часть - аэродинамическая сила не совпадает в общем случае с направлением кажущегося ветра, а отклонена в сторону траверзного расстояния. Надводная часть судна находится в потоке воздуха под углом атаки, равным курсовому углу кажущегося ветра. При этом на надводной части создается аэродинамическая сила имеющая поперечную и продольную составляющую.Продольная составляющая влияет на скорость судна а поперечная вызывает боковое перемещение судна. Поперечную аэродинамическую силу можно рассчитать по формуле.

(9.2)

— безразмерный коэффициент поперечной аэродина­мической силы, зависящий от формы надводной частя суд­на и курсового угла кажущегося ветра;

,—боковая площадь парусности (площадь проекции на­водной части на ДП) м²:

—массовая плотность воздуха.

— скорость кажущегося ветра.

Точка приложения аэродинамической силы в соответствии со свойствами крыла смещается от ЦП навстречу потоку воздуха, т. е. при носовых курсовых углах ветра в сторону носа, а при кормовых курсовых углах — в корму. Величина смещения зависят от курсового угла кажу­щегося ветра: чем острее угол атаки между ДП и направлением ветра, тем дальше от ЦП смешается точка приложения аэродинамической силы. Мак­симальное смещение точки приложения аэродинамической силы (при курсовых углах, близких к 0 и 180°) составля­ет в среднем приблизительно четверть длины судна, т.е. 0,25L, а при курсовых углах кажущегося ветра, равных 90°, точка прило­жения аэродинамической силы совпадает с ЦП.

Поперечная составляющая аэродинамической силы создает аэродинамический момент относительно вертикальной оси

Плечо поперечной аэродинамической силы относительно ЦТ можно определить по приближенной формуле:

(9.3)

где — относительное плечо аэродинамической силы, выра­женное в долях длины корпуса;

L — длина судна между перпендикулярами, м;

— отстояние ЦП от ЦТ, м.

В формуле (9.3) величина , принимается положительной, если ЦП смещен в нос от ЦТ, и отрицательной при его смещении в корму. Знак величины укажет соответственно направление смещения точки приложения аэродинамической силы от ЦТ.

Положение ЦП по длине судна зависит от размеров и рас­положения надстроек и других надводных частей, а также от дифферента судна и его осадки. Площадь парусности и положе­ние ЦП по длине судна можно рассчитать по чертежу бокового вида судна с учетом масштаба. При этом следует иметь в виду, что положение ЦП значительно изменяется с изменением диффе­рента судна.

При определении отстояния ЦП от ЦТ для (9.3) необходимо учитывать положение ЦТ по длине, которое только при посадке судна на «ровный киль» приблизительно совпадает с мидель-шпан­гоутом. Если ЦТ смещен в сторону одной из оконечностей судна, то благодаря дифференту ЦП смещается в противоположную сторону, что приводит к существенному изменению и, следовательно, .

Гидродинамическая сила и ее момент.

Поперечная составляющая гидродинамической силы , препятствует смещению судна в поперечном направлении под действием ветра. Её величина может быть определена по формуле:

(9.4)

где — безразмерный коэффициент поперечной силы на корпусе судна;

— плотность воды, кг/м³ ;

— площадь проекции подводной части судна на ДП, м²;

— скорость натекания воды на корпус судна, м/с.

При движении судна лагом, когда , точка приложения гидродинамической силы носит название центра бокового сопротивления (ЦБС).

Приближенно можно считать, что ЦБС совпадает с центром площади проекции погруженной части судна на ДП, а по длине судна практически совпадает с ЦТ.

При посадке судна на ровный киль ЦБС, как и ЦТ, примерно совпадает с мидель-шпангоутом, а при наличии дифферента от­стояние ЦБС от мидель-шпангоута можно приближенно рассчи­тать по формуле

(9.5)

где — расстояние ЦБС от мидель-шпангоута, выраженное в долях длины судна L.

— осадка носа, м;

—осадка кормы, м.

Знак «-» у укажет, что ЦБС смещено в корму от мидель-пшангоута, а знак «+» в нос.

Если угол дрейфа не равен 90°, то точка приложения гидродинамической силы смещается по ДП в направлении движения, т. с, на­встречу набегающему потоку воды. Если угол дрейфа меньше 90°, то точка приложения смещается от ЦБС в сторону носа, а при углах дрейфа более 90° — в сторону кормы, т. е. смещение точки приложения гидродинамической силы имеет ту же закономерность, что и для аэродинамической. Однако величина смещения точки приложения гидродинамической силы примерно в 2 раза больше, чем аэродинамической при одинаковых углах атаки, что объясняется совершенными обводами подводкой части и, следовательно, более выраженным проявлением свойств крыла.

Плечо поперечной гидродинамической силы относительно ЦТ можно приближенно рассчитывать по формуле

(9.6)

где | относительное плечо поперечной гидродинамической силы, выраженное в долях длины корпуса ;

— отстояние ЦБС от ЦТ, м,

В соответствии с формулой (9.6) точка приложения гидроди­намической силы имеет максимальное смещение при углах дрей­фа, близких к 0 и 180°, когда это смещение достигает ± 0,5L т. е, точка приложения приближается к носовому или кормовому перпендикуляру.

Угол дрейфа, близкий к 180°, судно может иметь при движении назад.

Рис.9.2.Силы и моменты действующие на судно при бортовом ветре

Рассмотрим систему сил и момен­тов, действующих на судно, движущееся прямолинейным курсом (рис. 9.2, линия 1 ) при бортовом ветре. Угол между ДП судна и направ­лением вектора скорости движения называется углом ветрового дрейфа. Аэродинамическое дав­ление ветра будет действовать в центре парусности (ц. п.) судна и смешать его по траектории, называе­мой линией пути (на рис. 9.2 линия 2). При этом поперечная составляющая гидродинамических сил со­противления воды , приложенная в центре давления (ц. д.), будет направлена в сторону, противоположную направ­лению ветра. Силы и с плечом составляют пару сил, ко­торая образует поворачивающий вет­ровой момент.

В зависимости от расположения ц. п. и ц. д. относительно друг друга момент будет направлен в сторо­ну ветра или под ветер. В данном случае он направлен на ветер, поэто­му для удержания судна на задан­ном курсе необходимо руль переложить вправо, создав момент руля , направленный противоположно моменту ветра .

Таким образом, в общем случае на корпус судна действует не только поперечная аэродинамическая сила, вызывающая дрейф судна, но и момент этой силы, стремящийся развернуть судно во­круг вертикальной оси, проходящей через ЦТ.

Рис.9.3. Силы и моменты, действующие на судно при ветре, направленном под острым углом к ДП судна

Рассмотрим случай, когда ветер направлен под острым углом к ДП судна, а ц. п. расположен отно­сительно ц. т. ближе к носу (рис.9.3). Совместное воздействие на судно сил и создает поворачива­вший момент , направленный в подветренную сторону. Вследствие того судно будет зарыскивать под ветер, т. е. в данном случае вправо, и одновременно иметь общий дрейф в подветренную сторону, переме­щаясь на линии пути 1 с углом дрейфа . Стремление судна зарыс­кивать под ветер необходимо компен­сировать соответствующей переклад­кой руля, создав поворачивающий момент противоположного на­правления. При движении судна зад­ним ходом центр давления ц, д. гидродинамических сил смещается ближе к корме.

Поэтому у большинства судов с развитой надстройкой при движении задним ходом ветровой момент на­правлен в сторону ветра, т. е. корма энергично разворачивается на ветер, нос — под ветер.

При выполнении маневров на пе­реднем ходу на малых скоростях во время сильных ветров ветровой мо­мент может быть больше момента руля, и тогда судно теряет управляе­мость.

В практике замечено, что крупные пассажирские винтовые суда при по­вороте на ветер и работе винтов на передний и задний ход в сторону поворота теряют управляемость начи­ная со скоростей ветра около 10 м/с и более (т. е. при ветрах силой 6 баллов и больше).

В целях правильного выполнения маневра судоводители в своей прак­тической работе должны знать; минимальные скорости движения, удерживающие судно на курсе при ветрах различной силы; безопасный курсовой угол ветра для движения с минимальной скоростью; минималь­ную скорость на циркуляции, обеспе­чивающую управляемость в течение всего маневра.