Под действием поперечной силы судно начинает двигаться боком относительно воды, после того как будет преодолена инерция. Судно вытесняет воду и испытывает торможение, вызываемое подводным сопротивлением. Поперечное сопротивление зависит от боковой подводной площади: большая осадка дает большую подводную площадь и большее сопротивление; различный дифферент изменяет относительное сопротивление в носовой и кормовой частях судна.
- Поперечное сопротивление
- Эффект продольного движения
- Длинные плечи
- Длинные плечи при продольном движении
- Короткие плечи
- Короткие плечи при продольном движении
- Воздействие буксиров на переднем ходу
- Воздействие буксиров на заднем ходу
- Приложение В. Вращательное движение
- Поперечное сопротивление
- Плечо управления и плечо поперечного сопротивления
- Циркуляция
- Поворот на месте в пределах длины судна
- Поворот при наличии поперечной силы в носовой части судна
- Поворот с помощью носового подруливающего устройства
- Поворот на якоре (судно в грузу)
- Поворот на якоре (судно порожнем)
- Приложение С
Поперечное сопротивление
В результате этого центр поперечного сопротивления смещается в нос или в корму от миделя, что ведет к вращательному движению под действием поперечного давления, приложенного в районе миделя. Рассмотрим судно на ровном киле, на которое действует поперечная сила в районе миделя (рис. 1).
Точка приложения поперечной силы совпадает с Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибеЦТ судна и с центром поперечного сопротивления. Полезный эффект силы в X тс, смещающей ЦТ на Y футов, составит X Y тс/фут. Одна сила в районе миделя судна может быть заменена двумя силами, приложенными на равных расстояниях от миделя, каждая из которых равна половине первой силы.
Эффект продольного движения
Когда судно имеет продольное движение относительно воды, точка приложения поперечной силы на миделе больше не совпадает с центром поперечного сопротивления. При движении судна вперед центр поперечного сопротивления находится где-то впереди и будет служить в качестве мягкой опоры для вращательного движения.
Центром вращательного движения будет ЦВ, который находится вблизи центра поперечного сопротивления и на расстоянии Y от точки приложения поперечной силы в X тс, момент вращательного движения будет XY тс/фут. Во время движения назад центр поперечного сопротивления будет в кормовой части, а момент снова будет X Y тс/фут (рис. 2).
При постановке судна к причалу с помощью буксиров, толкающих судно в борт, поперечное движение судна должно поддерживаться вплоть до момента контакта судна с причальными кранцами. Легче сохранить баланс поперечных сил, когда судно не имеет продольного движения относительно воды. Это означает, что при течении с носа мы позволяем судну дрейфовать назад относительно причала, при течении с кормы – двигаться вперед со скоростью течения на окончательной стадии швартовки.
Длинные плечи
Две поперечные силы по X тс приложены на равных расстояниях от миделя, судно не имеет продольного движения (рис. 3).
ЦТ и центр поперечного сопротивления совпадают. Суммарное боковое усилие 2X тс.
Длинные плечи при продольном движении
Судно движется вперед относительно воды, при течении с носа оно может быть неподвижно относительно причала (рис. 4).
Чтобы сохранить параллельность судна причалу, Конструкция рулевых устройств буксирных судовкормовой буксир создает меньшее усилие, чем носовой, для удобства, допустим 1/2X тс. Суммарное поперечное усилие 1,5 тс.
Короткие плечи
Две поперечные силы по X тс приложены на равных расстояниях от миделя, судно не имеет хода относительно воды (рис. 5).
ЦТ и центр поперечного сопротивления совпадают. Боковой эффект: суммарное поперечное усилие 2X тс.
Короткие плечи при продольном движении
Судно движется вперед относительно воды, точка приложения усилия носового буксира и ЦВ совпадают (рис. 6).
Для удержания судна параллельно причалу кормовой буксир должен полностью остановиться и держать слабым буксирный конец. Боковой эффект: суммарное поперечное усилие X тс. При движении вперед носовой буксир создает наибольшее усилие, если он будет находиться в носу судна; при движении назад кормовой буксир создает наибольшее усилие, если будет находиться у самой кормы судна.
Воздействие буксиров на переднем ходу
Судно движется вперед относительно воды, поперечные силы носового буксира и среднего буксира равны и приложены на равных расстояниях от ЦВ. Кормовой буксир должен быть полностью остановлен, в противном случае он нарушит баланс (рис. 7).
Боковой эффект: суммарное поперечное усилие 2X тс. Если средний Сцепные устройства буксирных судовбуксир был бы закреплен ближе к ЦВ, кормовой буксир мог бы увеличить общую поперечную силу.
Воздействие буксиров на заднем ходу
Судно движется назад относительно воды; поперечные силы среднего буксира и заднего буксира приложены на равных расстояниях от ЦВ (рис. 8).
Передний буксир не может создавать натяжение буксирного троса, если только средний буксир не закреплен вблизи ЦВ. Боковой эффект: суммарное боковое усилие 2X тс.
Приложение В. Вращательное движение
Поперечное сопротивление
Судно на ходу с определенным дифферентом и осадкой под воздействием руля будет встречать поперечное сопротивление. Центр поперечного сопротивления служит рулю и в качестве некой мягкой опоры для разворота. Судно вращается вокруг ЦВ, который находится вблизи центра поперечного сопротивления. Поскольку при развороте возникает угол дрейфа, на борт судна также начинает действовать поперечное сопротивление. В то время как сила от действия руля зависит от угла перекладки руля и упора винта, поперечное сопротивление зависит от угла дрейфа и скорости относительно воды. Технико-эксплуатационные характеристики морских судов и плавучих сооруженийБольшая осадка увеличивает боковую подводную площадь и вследствие этого поперечное сопротивление; различный дифферент изменяет относительную площадь впереди и сзади ЦВ.
FR (боковое сопротивление впереди от ЦВ) вызывает направленный вращательный эффект и является одной из основных сил, которые определяют положение ЦВ на судне, поворачивающемся под действием руля (рис. 9).
Центр FR (R) расположен примерно посередине между носом и ЦВ.
AR (поперечное сопротивление, которое действует позади от ЦВ) работает против силы от действия руля и имеет поэтому обратное влияние на поворот, поскольку оно ограничивает угол дрейфа. Угол дрейфа увеличивается до тех пор, пока AR достигнет определенного соотношения с поперечной силой от действия руля. Это соотношение достигается быстрее на мелководье, где ограниченный запас воды под килем вызывает подъем воды со стороны, в которую движется корма. Получающийся в результате этого меньший угол дрейфа ведет к увеличению диаметра циркуляции.
Когда судно имеет ход, начальный ЦВ под воздействием руля в самом начале поворота, когда угол дрейфа и поперечное сопротивление минимальны, находится примерно посередине между носом и ЦТ. В это время не только относительно большая боковая подводная площадь позади начального ЦВ, но и скорость относительно воды, которая пока также не снижается, создают большую начальную силу AR. Поэтому угол дрейфа увеличивается медленно из-за того, что поперечная сила от действия руля должна преодолеть поперечную инерцию, а также, значительную AR, что ведет к медленной начальной скорости поворота при изменении курса на первые 10 °. Увеличивающийся угол дрейфа вызывает рост гидродинамической силы FR, которая отталкивает ЦВ назад до тех пор, пока не будет достигнут максимальный угол дрейфа, при котором AR ограничивает силу от действия руля, и установится баланс между поперечным сопротивлением и этой силой.
Широкие суда и суда с дифферентом на нос встречают более сильное гидродинамическое сопротивление. Вследствие этого боковая подводная площадь позади ЦВ будет меньше и угол дрейфа должен увеличиться, чтобы AR достигло определенного соотношения с поперечной силой руля.
Предлагается к прочтению: Биосфера океанов и развитие промышленной марикультуры
Скорость поворота судна максимальная в то время, когда наибольшее сопротивление в носу. Это бывает некоторое время спустя после того, как поворот хорошо установится, т. е. между 10 и 90 ° угла поворота.
На более поздней стадии полной циркуляции, когда скорость снизится и станет постоянной, а частота вращения машины будет больше, чем та, которая соответствует скорости относительно воды, ЦВ сдвинется вперед, в результате чего снизится и угловая скорость.
Потеря скорости ведет к увеличению угла дрейфа и смещению вперед ЦВ. Баланс сил поперечного сопротивления и руля сохраняется посредством минимальных изменений угла дрейфа и положения ЦВ. Таким образом, между силой от действия руля, углом дрейфа, поперечным сопротивлением и ЦВ имеется неразрывная взаимосвязь (рис. 10).
Плечо управления и плечо поперечного сопротивления
Плечо управления и плечо поперечного сопротивления остаются постоянными, когда судно поворачивается с постоянной скоростью. Под плечом управления подразумевается расстояние от руля до ЦВ; его можно считать рычагом второго рода. Момент управления – это произведение поперечной силы от действия руля на плечо управления.
Расстояние от точки ЦВ до R является плечом поперечного сопротивления (см. рис. 9); его можно считать рычагом первого рода. Момент поперечного сопротивления равен произведению силы FR и плеча поперечного сопротивления.
Плечо управления и плечо поперечного сопротивления взаимосвязаны; совместно они являются двойным плечом поворота.
Если судно не имело хода относительно воды и машине дать, полный вперед, переложив руль на борт, то в течение некоторого времени судно не будет иметь продольной скорости и ЦВ будет находиться от носа на расстоянии, равном одной ширине судна B. В течение этого короткого времени плечо управления будет равно длине судна минус ширина (L – B). Когда судно получит ход, то начальное плечо управления уменьшится на 1/4 и будет равно 3/4 (L – B). Плечо поперечного сопротивления 1/2 (L – плечо управления); плечо управления равно 3/4 (L – B), плечо поперечного сопротивления равно 1/8 (L + 3B).
Циркуляция
Сущность и системы управления морским транспортомДиаметр циркуляции D на полном ходу и руле, переложенном на борт, прямо пропорционален плечу управления и обратно пропорционален плечу поперечного сопротивления (выражен в длинах судна)
или
Длина циркуляции C = πD, угол дрейфа δ – угол между диаметральной плоскостью судна и касательной к кривой циркуляции в ЦВ (рис. 11). Если примем δ = L/C 180°, мы найдем в таблице элементы циркуляции.
Отношение L/B является причиной разных диаметров циркуляции на полном ходу судов примерно одного и того же дедвейта, дифферента, осадки и глубины под килем.
Сущность и системы управления морским транспортомДиаметр циркуляции на полном ходу для первых 90 ° поворота больше, чем диаметр полной циркуляции. Два фактора влияют на то, что судно заканчивает полный разворот впереди от начальной точки. Первый: действие руля начинается в момент, когда ЦВ находится далеко впереди. Вследствие этого первая стадия поворота, когда начальная скорость выше, осуществляется при большем плече управления, большем AR и меньшем угле дрейфа, что ведет к большему диаметру циркуляции.
Второй фактор: начальная инерция движения выносит судно дальше вперед и в сторону от поворота на первой стадии циркуляции. Потеря скорости ведет к потере центробежной силы на последней стадии полной циркуляции.
Поворот на месте в пределах длины судна
Поворачивающая пара может быть составлена двумя буксирами, толкающими с равными силами в противоположных направлениях на противоположных оконечностях судна. ЦВ находится посередине судна; максимальное подводное сопротивление создается на оконечностях судна.
Продолжение поворота после остановки буксиров зависит от инерции вращательного движения. Поворот длится дольше, когда масса судна находится в оконечностях. Когда разворот установится, требуется время, чтобы остановить вращательное движение с помощью руля и машины, так как расстояние от руля до ЦВ мало (рис. 12).
Суда с дифферентом на нос и относительно Служебно-вспомогательный, технический и рыбопромысловый флотширокие суда при повороте под действием руля имеют ЦВ вблизи миделя и следующие характеристики управляемости.
Короткое плечо управления и вследствие этого медленное реагирование при управлении.
Большая сила поперечного сопротивления в носу способствует малому диаметру циркуляции.
Большой момент инерции вращательного движения в носовой части судна и малое плечо управления создают затруднение в остановке разворота. Скорость поворота большая 1Выводы автора носят субъективный характер и находятся в противоречии с ранее высказанными соображениями. В отечественной литературе существуют следующие мнения:
1) ЦВ смещается к точке центра бокового сопротивления и, следовательно, при дифференте на нос — к носу, при этом плечо поперечной силы от действия руля увеличивается;
2) дифферент на нос свидетельствует о смещении основной массы судна вперед от миделя, т. е. в точку, находящуюся недалеко от ЦВ, следовательно, момент инерции сравнительно мал;
3) если перо руля частично не выходит из воды, дифферент на нос увеличивает поворотливость судна, т. е. обеспечивает быструю реакцию на перекладку руля, большую угловую скорость поворота и уменьшение диаметра циркуляции (примечание рецензента и переводчиков).x.
Поворот при наличии поперечной силы в носовой части судна
A – сила, прилагаемая буксиром, больше, чем поперечная сила от действия руля и продольная составляющая упора, ЦВ находится в. корму от миделя (см. рис. 12).
Грузовые и грузопассажирские морские транспортные судаТанкеры в балласте, подходящие к швартовному бую против ветра, лучше управляются рулем и машиной, чем буксиром, толкающим в носовой части. Поскольку при толкании в носовой части ЦВ имеет тенденцию перемещаться в корму, поперечная сила ветра получает слишком большое плечо, когда инерция вращательного движения развернет нос судна по ветру, уменьшая тем самым усилие руля.
На рис. 12 B – сила, прилагаемая буксиром, равна силе от действия руля, ЦВ находится в средней части судна, диаметр циркуляции 1L; C – сила, прилагаемая буксиром, меньше поперечной силы от действия руля и продольной составляющей упора винта, ЦВ впереди миделя; D – сила, прилагаемая буксиром, нулевая, подводное сопротивление создает поперечное усилие.
ЦВ будет в конечном случае устанавливаться на 1/3L от носа. Диаметр циркуляции на полном ходу и перекладке руля на борт в среднем составит 3,5L и зависит главным образом от отношения L/B, дифферента, осадки и глубины под килем (рис. 13).
Суда, имеющие дифферент на корму, и узкие суда имеют хорошую устойчивость на курсе из-за длинного плеча управления. Однако когда руль удерживается на одном борту длительное время, сильное поперечное сопротивление позади ЦВ препятствует увеличению угла дрейфа, что ведет к увеличению диаметра циркуляции.
E – сила, приложенная буксиром, противоположна вращательному движению, которое мы хотим установить, используя пропульсивную силу при руле, переложенном на борт. Разворот происходит в сторону буксира. Когда упор винта больше, чем сила, прикладываемая буксиром, судно будет описывать широкую циркуляцию, диаметр которой зависит от отношения силы буксира и упора винта. Если буксир не дает судну идти вперед, продольные силы буксира и упора винта, уничтожают друг друга и остаются только поперечные силы. Поперечная сила буксира противоположна повороту, а сила, прилагаемая буксиром, отрицательна по отношению к развороту и вызывает смещение ЦВ далеко в нос.
Когда мы хотим развернуть судно против большой волны или зыби, мы должны преодолеть подобную отрицательную поперечную силу в носу, препятствующую вращательному движению. Поперечная сила волны и зыби в носу не только противоположна развороту по направлению, но также переводит ЦВ вперед, что является причиной медленного и плавного разворота против волны и зыби.
Когда мы перекладываем руль на другой борт, чтобы остановить поворот судна и удержать его на курсе, поперечная сила от действия руля имеет вначале более короткое плечо управления, чем перед началом разворота, потому что FR сдвигает ЦВ назад. Когда руль переложен на другой борт, FR действует как отрицательная поперечная сила вращения в носу.
Читайте также: Руль и гребной винт судна
До тех пор, пока судно поворачивается в направлении, противоположном поперечной силе от действия руля, ЦВ будет далеко впереди, что приводит к медленному и плавному повороту против поперечной силы в носу.
Поворот с помощью носового подруливающего устройства
НПУ или буксир впереди будут разворачивать судно, не имеющее хода относительно воды, вокруг точки, расположенной примерно на расстоянии одной ширины судна от кормы (рис. 14). Когда во время поворота мы дадим машине ход вперед и переложим руль на борт, противоположный развороту, сначала получим малый результат в остановке разворота. Сила от действия руля имеет малый вращательный эффект, потому что точка приложения ее слишком близка к ЦВ. После того как инерция будет преодолена, ЦВ переходит вперед, обеспечивая большое плечо для поперечной силы от действия руля.
Сила от действия руля и поперечная сила в носу, будучи противоположно направленными, образуют поворачивающую пару. Когда сила от действия руля и поперечная сила в носу работают в одном направлении, они придают судну поперечное движение.
Если нужно создать боковое движение, используя руль и НПУ, необходимо следить, чтобы мощность НПУ не превысила силу от действия руля. Иногда в результате мощного упора на руль возникает разворот и движение вперед, так как НПУ работает слишком близко от ЦВ, чтобы иметь достаточное усилие, сопоставимое с силой от действия руля.
С другой стороны, если мы должны дать ход назад и нам нужно продолжить поперечное движение судна влево, необходимо сохранить равновесие силы НПУ и поперечного упора винта.
Если при работе НПУ на полную мощность возникнет разворот, то на этот раз слишком близко к ЦВ будет работать поперечный упор винта, особенно если машина работала назад долго и установилось движение назад. В этом случае сильный разворот носа влево может вызвать движение кормы вправо против поперечного упора винта и погасить поперечное движение влево. Поэтому если мощность НПУ будет слишком велика и возникнет чрезмерное движение носа влево, оно должно быть остановлено изменением работы НПУ.
Поворот на якоре (судно в грузу)
Становление судна на якорьЯкорь на грунте создает усилие в направлении, противоположном пропульсивной силе (рис. 15). Когда судно остается неподвижным при работе машины вперед, это означает, что сила, созданная якорем, равна продольному упору винта.
Под действием руля корма движется в сторону и судно описывает циркуляцию, диаметр которой зависит от длины якорной цепи, которая поднята с грунта. При большой мощности СЭУ можно поднять со дна всю цепь, но если используется малая мощность, натяжения на цепь создаваться не будет и судно будет двигать только малую часть цепи. Когда разворот установится, мощность машины в основном преобразуется в силу руля.
Участники курсов обучения управлению судном были заинтересованы возможностью развернуть танкер дедвейтом 250 тыс. т на якоре. Мы проигрывали это на модели танкера данного размера и обнаружили, что при работе машины самым малым вперед и руле, переложенном на борт, якорная цепь испытывает очень малое натяжение.
Якорная цепь может легко выдержать создаваемую нагрузку, если судно будет натягивать цепь очень осторожно. Якорная цепь рвется при резкой нагрузке, а не под влиянием постоянного натяжения, даже если машина работает полным вперед. Для подобного разворота требуется время, но при альтернативе перехода к месту, где можно совершить циркуляцию, его можно сэкономить.
Поскольку судно разворачивается на очень короткой части якорной цепи, интересно выяснить, где в действительности поворачивается судно. ЦВ должен быть далеко впереди, потому что движется только корма. Так как натяжения цепи нет, то практически нет силы, прилагаемой якорем, для сдвига ЦВ назад; при отсутствии скорости относительно воды передняя часть судна не испытывает значительного подводного сопротивления. Оба фактора подразумевают использование очень ограниченной мощности машины.
Упор винта почти полностью затрачивается на разворот и преодоление поперечного сопротивления. При большом моменте разворота все еще очень эффективна ограниченная мощность. Так как судно в грузу имеет не слишком большую надводную площадь, мы можем даже развернуть судно против умеренного бортового ветра.
Удивительно, какое малое натяжение создается на якорную цепь. Из клюза якорная цепь почти вертикально уходит в воду, где начинает слегка отклоняться в корму. Было бы достаточно небольшой длины якорной цепи, но тогда она бы хуже гасила начальное движение вперед. Масса якорной цепи и продольная инерция судна поглощают часть кинетической энергии, создаваемой упором винта, которая не преобразуется в поперечную силу руля. В этом случае продольная инерция большого судна является тем качеством, которое мы можем использовать с выгодой для себя, применяя ограниченную мощность машины.
Поворот на якоре (судно порожнем)
Водоизмещение порожнем с константойТанкер порожнем, стоящий над якорной цепью, испытывает трудность при развороте кормы против бортового ветра (рис. 16). Минимальная мощность машины создает очень малое натяжение цепи и будет удерживать ЦВ далеко впереди, образуя длинное плечо для силы бортового ветра. Малая сила руля, создаваемая малой мощностью машины, не может преодолеть силу давления сильного бортового ветра (A). Чем дальше судно будет снесено под ветер по отношению к линии якорной цепи, тем труднее начать разворот, поскольку поперечная сила, прилагаемая цепью, отрицательна по отношению к развороту и имеет тенденцию удерживать ЦВ впереди. Медленно увеличивая обороты машины, мы не только увеличиваем упор на руль и силу, поворачивающую судно, но также и натяжение цепи.
Увеличившееся продольное натяжение якорной цепи сдвигает ЦВ назад и уменьшает плечо силы ветра. Плечо силы от действия руля также уменьшается, поскольку ЦВ смещается назад, но, увеличивая упор на руль, мы увеличиваем вращающий момент (B).
При сильном бортовом ветре мы можем использовать полную мощность машины, чтобы начать разворот против ветра. Когда разворот установится, ЦВ снова сдвигается вперед, ослабляя натяжение цепи во время поворота. Когда корма начинает выходить на ветер, угол между направлением ветра и ДП судна уменьшается, уменьшая поперечную силу ветра. Можно постепенно уменьшать мощность машины по мере развития разворота.
Приложение С