Силы, действующие на судно в процессе управления и маневрирования.

Свойства крыла

Свойства крыла применительно к корпусу судна следующие. Корпус судна в подводной и надводной частях представляет удли­ненное тело, симметричное относительно ДП, т. е. подобен верти­кальному крылу симметричного профиля.

Теория крыла, рассматриваемая в гидромеханике судна, поз­воляет определить характер распределения аэро- и гидродина­мических воздействий на корпус при его движении на границе двух сред и найти величину, направление и точку приложения равнодействующих этих сил, а значит аэро- и гидродинамические моменты относительно вертикальной оси. Эти данные в сочетании с силами и моментами, приложенными к корпусу со стороны средств управления, определяют поступательное и угловое движе­ние судна данной массы.

Теоретические расчеты сил и моментов, возникающих на кор­пусе судна, сложны и трудоемки, поэтому не всегда могут исполь­зоваться при практическом маневрировании. Тем не менее, суще­ствуют общие закономерности, знание которых имеет большое значение для правильной оценки и предсказания поведения судна как объекта управления.

Для получения этих закономерностей рассмотрим основные свойства крыла применительно к корпусу судна.

Если крыло перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то, помимо силы лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возни­кает также подъемная сила, направленная перпендикулярно набе­гающему потоку. Величина подъемной силы в первом приближе­нии пропорциональна углу атаки. Она может существенно превышать силу лобового сопротивления, в связи с чем равнодей­ствующая этих сил не совпадает с направлением потока, а откло­нена в сторону траверзного направления.

Точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения (плечо поперечной проекции гидродинамической си­лы) тем больше, чем острее угол атаки. При углах атаки, близких к 90°, плечо стремится к нулю, т. е. точка приложения приближа­ется к центру площади; для надводной части - к центру парус­ности (ЦП), для подводной - к центру площади проекции по­груженной части на ДП, называемому центром бокового сопротивления (ЦБС).

Применительно к подводной части корпуса углом атаки явля­ется угол дрейфа, а к надводной - курсовой угол кажущегося ветра.

При изучении вопросов управления судном удобнее рассматри­вать вместо сил, связанных с направлением движения, проекции их равнодействующей на судовые оси - продольную X и попе­речную Y .

Рис. 4.1. Гидродинамическая сила R , приложенная к корпусу судна и ее проекции на оси X и Y

На рис. 4.1 в качестве примера показаны гидродинамическая сила R и ее составляющие (подъемная R под и лобового сопротивле­ния Я лоб ), а также проекции силы R на судовые оси (поперечная R y и продольная R x ). Очевидно, что поперечная гидродинамическая сила R y создает относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести (ЦТ) судна, момент R y l R .

Отметим, что ЦБС располагается всегда вблизи ЦТ, а положе­ние ЦП зависит от архитектуры надводной части и от дифферента судна.

Силы и моменты, действующие на судно в процессе управ­ления.

Все силы, действующие на судно по принятой в настоящее время классификации, разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относят силы, создаваемые средствами управле­ния с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые САУ, и т. п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, и течения. Эти силы, обусловленные внешними источниками энергии, в большинстве случаев создают помехи при маневри­ровании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внеш­них сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.

По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные.

Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений - линейного, углового, центростреми­тельного.

Инерционная сила всегда направлена в сторону, противополож­ную ускорению. При равномерном прямолинейном движении суд­на инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью за­бортной воды, следовательно, являются гидродинамическими си­лами и моментами. При рассмотрении задач управляемости обыч­но используется связанная с судном подвижная система координат с началом в ц. т. Положительное направление осей: X - в нос; Y - в сторону правого борта; Z - вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрел­ке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки руля, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают пе­рекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т. е. пе­рекладку на правый борт (перо руля при этом разворачивается против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при кото­ром поток воды набегает со стороны левого борта и, следователь­но, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Инерционные силы и моменты

При прямолинейном и криволинейном движении судна или со­става к силам упора движителей, сопротивления движению и силам, возникающим на корпусе и руле, может при­соединиться еще и сила инерции.

В соответствии с законами механики (законами И. Ньютона) инерционные силы могут быть определены так:

сила инерции при поступательном движении

(4.1)

центробежная составляющая силы инерции при установившем­ся криволинейном движении

(4.2)

В последних формулах:

-масса тела (судна или состава), кг;

- ускорение, м/сек 2 ;

- радиус кривизны траектории движения, м;

- скорость движения тела, м/сек.

Уравнение (4.2) может быть переписано еще и так:

, (4.3)

где -угловая скорость вращения судна, рад/сек.

При неустановившемся движении судна на него со стороны жидкости будут действовать следующие инерционные силы, отнесенные к осям X и Y .

(4,4)

а в случае неустановившегося вращательного движения - еще и инерционный момент относительно вертикальной оси, проходящей через ц. т.,

(4.5)

В формулах (4,4) и (4.,5):

, - составляющие скорости движения по осям

,- присоединенные массы жидкости при движении вдоль осей ОХ и OY ;

- коэффициент присоединенного момента инерции при вращении судна около вертикальной оси (за счет присоединенной мас­сы жидкости);

-угловая скорость вращения судна относительно этой оси.

При криволинейном движении судна появится центростреми­тельное ускорение, которое вызовет появление составляющих цент­робежной силы инерции жидкости. Эти составляющие определят­ся в соответствии с выражением (4.3) так:

(4.6)

Само судно при криволинейном движении также обладает инерцией. При этом инерционный момент, действующий на судно, определится следующим образом:

(4.7)

С учетом всех составляющих инерционных сил рассмотренных выше запишем

(4.8)

Влияние руля на управляемость судна

В процессе движения судна на переднем ходу прямолинейным курсом (рис.4.2 положение ) на него будут действовать движущая сила
переднего хода и сила сопротивления воды, которая на­правлена на подводную часть кор­пуса вдоль ДП (симметрично по бор­там судна).

При перекладке руля от ДП на угол встречный поток воды соз­дает гидродинамическое давление на перо руля, которое раскладывает­ся на две составляющие; - ру­левую силу и - силу торможения.

Рассмотрим действие рулевой силы на судно. Для этого приложим в ц. т. судна две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и образуют пару сил, а расстоя­ние от ц. т. судна до центра пера руля будет плечом этой пары. Образуется поворачивающий момент руля
, который вызывает вращательное движение судна.

Значения сил и моментов для изолированного ру­ля, могут быть выражены через безразмерные коэффициенты следующим образом:

(4.9)

(4.10)

(4.11)

где
- безразмерный коэффициент продольной силы на руле;
- безразмерный коэффициент поперечной силы на руле;
- безразмерный коэффициент момента на руле; - плотность воды, кг/м 3 ; - площадь пера руля, м 2 ; - скорость натекания воды на руль, м/с; - средняя ширина руля, м;
- момент на руле; - поперечная сила на руле; - продольная сила на руле.

Рулевая сила реального судна за­висит не только от площади пера руля, угла перекладки и скорости об­текания его окружающим потоком, но также и от конструктивных осо­бенностей корпуса судна, его дви­жителей и рулевого устройства.

Оптимальным утлом перекладки руля относительно диаметральной плоскости судна обычно является угол, равный 40-45°. При даль­нейшем увеличении угла перекладки возрастает сила сопротивления , которая на руле оказывает тормо­зящее воздействие и уменьшает ско­рость движения судна.

Значение плеча зависит от рас­положения ц. т. судна по длине корпуса. Чем больше расстояние от кормы судна до ц. т., тем боль­ше будет плечо. От значения , в свою очередь, зависит значение пово­рачивающего момента
. При чрез­мерно большом поворачивающем мо­менте судно будет излишне чувстви­тельно к перекладке руля и неустой­чиво на курсе.

При перекладке руля увеличива­ется сопротивление воды и умень­шается скорость движения, поэтому на прямолинейных курсах следует избегать частых перекладок руля. При движении по прямой и углах перекладки руля на 5° падение ско­рости составляет около 2%, на 10°-3%. Опытные рулевые при дви­жении постоянным курсом в среднем отклоняют руль не более чем на 0,8-1,0°, и потери скорости при этом не превышают 0,5-0,6%.

Перекладка руля вызывает смеще­ние (дрейф) судна в сторону, про­тивоположную повороту из-за силы , при этом наибольшая величина дрейфа наблюдается в кормовой ча­сти судна. Это обстоятельство необ­ходимо учитывать при выполнении поворотов вблизи причалов, других судов, отмелей и т. п.

Рис.4.2 Действие руля при движении судна передним ходом.

В процессе движения по криволи­нейной траектории на корпусе судна происходит перераспределение гид­родинамических сил сопротивления воды вследствие того, что струи воды набегают на наружный борт под некоторым углом к корпусу, образуя силы , которые принято называть позиционными. При этом дав­ление воды на наружный борт увеличивается, а равнодействующая позиционных сил (см. рис. 4., положение) будет направлена под углом к ДП. Ее можно раз­ложить на две сос­тавляющие: и . Точка прило­жения силы находится в центре давления (ц. д.) подводной части корпуса и смещается в сторону набегающего потока тем больше, чем больше скорость движения и угол натекания струй на корпус судна. Как показывают модельные испы­тания, она находится в носовой час­ти судна примерно на расстоянии около 1/4 длины корпуса от фор­штевня. Для анализа воздействия позиционных сил на судно приложим к его ц. т. две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и с плечом образуют пару сил, поворачивающий момент которой
называется позицион­ным моментом.

Значение позиционного момента зависит от формы и габаритов кор­пуса судна, скорости его движения и угловой скорости поворота. Сле­довательно, при движении судна по криволинейной траектории на него будет действовать суммарный поворачивающий момент, равный моменту руля и позицион­ному моменту, т. е.
.

Значения гидродинамических сил и моментов, выраженных через безразмерные коэффициенты приведены ниже.

(4.12)

(4.13)

(4.14)

где
- безразмерный коэффициент продольной гидродинамической силы на корпусе судна;
- безразмерный коэффициент поперечной силы на корпусе судна;
- безразмерный коэффициент гидродинамического момента на корпусе судна; - плотность воды, кг/м 3 ; - погруженная площадь диаметрального батокса, м 2 ; - скорость натекания воды на корпус судна, м/с; - длина судна, м;
- гидродинамический момент на корпусе судна; - составляющая гидродинамической силы на корпусе судна; - продольная составляющая гидродинамической силы на корпусе судна.

После преодоления сил инерции прямолинейного движения судно на­чинает двигаться по криволиней­ной траектории. В это время на суд­но, как на всякое тело, движуще­еся по кривой, будет действовать центробежная сила (см. рис4.2, положение
), приложенная в ц. т. судна и направленная в сто­рону, противоположную повороту. Величина центробежной силы прямо пропорциональна массе судна
, квадрату скорости поступательного движения и обратно пропорциональ­на радиусу кривизны траектории т. е.
.

Вращательное движение судна вы­зывает появление статических сил сопротивления воды и (см. рис. 4, положение IV ), вследствие чего образуется поворачивающий момент
, который носит название демпфирующего момента. Он направлен в сторону, противо­положную направлению вращения судна, и препятствует повороту. Наи­большего значения демпфирующий момент достигает при развороте суд­на на одном месте, чем и объяс­няется длительное время разворота.

Таким образом, при движении суд­на передним ходом с отклонен­ным рулем по криволинейной траек­тории на него будет действовать общий поворачивающий

момент, равный алгебраической сумме моментов руля, позиционного и демпфирующего, т. е.

Все силы, действующие на судно, по принятой в настоящее время классификации разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые САУ, и т. п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы, обусловленные внешними источниками энергии, в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.

По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные.

Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений - линейного, углового, центростремительного.

Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению. При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами. При рассмотрении задач управляемости обычно, как уже отмечалось, используется связанная с судном подвижная система координат с началом в ц. т.(тG) Положительное направление осей: X - в нос; Y- в сторону правого борта; Z - вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т. е. перекладку на правый борт (перо руля при этом разворачивается против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Общий случай движения судна описывается системой из трех диф­ференциальных уравнений движения: двух уравнений сил - по продольной X и поперечной Y осям и уравнения моментов вокруг вертикальной оси Z.

Эта система в несколько упрощенном варианте имеет вид:

где m – масса судна

λ 11 – присоединенные массы при движении по оси X;

λ 22 - присоединенные массы при движении по оси Y;

V X – проекция скорости судна на ось X;

V Y - проекция скорости судна на ось Y;

ω - угловая скорость судна;

J - момент инерции судна относительно оси Z;

R X – продольная гидродинамическая сила на корпусе;

R Y – поперечная гидродинамическая сила на корпусе;

P E – полезная сила упора винта;

P PX – продольная сила давления воды на руль;

P PY – поперечная сила руля;

A X – продольная аэродинамическая сила;

A Y – поперечная аэродинамическая сила;

M R – момент гидродинамической силы на корпусе;

M A – момент аэродинамической силы;

M P – момент поперечной силы руля.

Первое уравнение системы характеризует движение судна по оси «X» при разгоне и торможении, поэтому его решение позволяют оценивать инерционно-тормозные характеристики судна. Второе уравнение описывает закономерности поперечного смещения судна. Третье уравнение, характеризующее угловое движение, используется при оценки управляемости судов. Из данной системы видно, что при равномерном и прямолинейном движении судна, левые части уравнений будут равны нулю, а поперечного движения не будет. Исходя из этого система уравнений примет вид:

P e = R X + A X + P PX

G

P PX P e A X R X

Рис.5.5. Силы, действующие на судно при прямолинейном движении.

5.4 Силы возникающие от работы винта.

Гидромеханическое взаимодействие системы корпус - винт - руль очень сложно. Движитель, работающий вблизи корпуса судна, существенно изменяет его поле скоростей, что приводит к изменению гидродинамических сил, действующих на корпус. В свою очередь, поток воды, набегающий на винт, получает возмущения от корпуса перемещающегося корабля. Существенное влияние винт так же оказывает на расположенный позади него руль. В результате взаимодействия системы корпус - винт - руль. возникает целый ряд боковых сил, которые необходимо постоянно учитывать и рационально использовать при управлении маневрами судна.

Сила попутного потока.

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения судна. Причины его появления - трение пограничных слоев воды о корпус судна и стремление масс воды заполнить объем, вытесненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта V p и скоростью хода судна V существует соотношение V p = V (1-ω), где ω - коэффициент попутного потока. Его значения для различных судов могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким образом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта.

Рис.5.6. Сила попутного потока

Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упора и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем положении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находящаяся в нижнем положении. В результате возникает боковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму судна влево.

Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая уклонение кормы судна в сторону, обратную вращению винта.

Сила реакции.

Лопасти гребного винта, проходящие верхнее положение, находятся значительно ближе к поверхности воды, чем лопасти,проходящие нижнее положение. В результате этогопроисходит засасывание воздуха в верхние слои воды, чтозначительно изменяет силовые характеристики лопасти(упор и момент).

Влияние близости поверхности воды наиболее существенно проявляется при малом заглублении винта (у транспортныхсудов, следующих в балласте, лопасть в верхнем -положении вообще выходит из воды), в период неустановившегося движения (дача хода со «стопа»), при реверсах. Разность упора и момента на верхней и нижней лопастяx, приводит к образованию боковой силы реакции D. На установившемся ходу и с увеличением заглубления винта действие силы реакции резко уменьшается.

Рис.5.6. Действие силы реакции D.

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, встречает сопротивление воды, сила реакциикоторой будет направлена вначале справаналево (сила Д 1 ,а затем снизу вверх (сила Д 2); последняя на диаметральнуюплоскость судна не влияет, но дает вибрацию кормы.

Во 2-м секторе лопасть, переходяиз положения 2 в положение 3, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена сначала снизу вверх (сила Д 2), а затем лопастьбудет преодолевать силу реакции достаточно плотных слоев воды (сила Д 3), направленную слева направо и значительно большую, чем сила Д 1 . Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос - влево.

, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале слева направо (сила Д 3), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции Д 4 , направленную сверху вниз. На диаметральную плоскость судна эта сила не влияет, но дает вибрацию кормы.

в положение 1, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена вначале сверху вниз (сила Д 4 ), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции менее плотных слоев воды (сила Д 1), направленную справа налево, значительно меньшую, чем сила Д 3 . Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос - влево.

Сила реакции D проявляется в наибольшей степени в период неустановившегося движения, вызывая уклонение кормы в сторону вращения винта.

Сила набрасываемой струи.

Гребной винт при вращении закручивает прилегающие к лопастям массы воды и отбрасывает их, образуя мощный спиральный поток. При движении судна вперед этот поток воздействует на расположенный позади винта руль. При движении задним ходом поток воздействует на кормовой подзор судна. Образованный винтом спиральный поток можно представить в осевой (аксиальной) и касательной (тангенциальной) составляющих. Аксиальная составляющая, воздействуя на расположенный за винтом руль, значительно повышает его эффективность и никаких боковых сил не вызывает. При движении судна задним ходом аксиальная составляющая, воздействуя на симметричные обводы кормы, также никаких боковых сил не вызывает.

Тангенциальная составляющая на переднем ходу воздействует на перо руля в левой верхней и правой нижней половинах.

Из-за несимметричности распределения попутного потока по осадке судна, а следовательно, и вызванных окружных скоростей в потоке, натекающем на руль, воздействие тангенциальной составляющей на правую нижнюю половину руля будет больше, чем на левую верхнюю. В результате возникает боковая сила набрасываемой струи С.

Рис.5.7. Действие силы С

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, отбрасывает слои воды в сторону от судна, и никакой силы набрасывания струи не образуется.

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, набрасывает слои воды на нижнюю поверхность руля, где плотность воды значительно больше.. Руль должен был бы иметь стремление отклониться влево, но поскольку он установлен в диаметральной плоскости судна, сила набрасываемой струи устремляется на всю корму судна и отводит корму судна влево, а следовательно, нос идет вправо. Обозначим эту силу через С 1 .

В 3-м секторе лопасть, переходя из положения 3 в положение 4, будет отбрасывать слои воды от судна, следовательно, никакой силы набрасывания струи не будет.

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, набрасывает снова слои воды, но уже с другой стороны, нежели во 2-м секторе, и на верхнюю часть руля. Обозначим эту силу набрасывания струи С 2 . Действие этой силы будет меньше, чем действие силы набрасывания струи С 1 во 2-м секторе, вследствие меньшей плотности воды. Отсюда следует вывод: винт правого вращения на установившемся переднем ходу, действуя на руль, отклоняет корму судна влево, а нос - вправо

Судно как инженерное сооружение представляет собой сложную систему, в которой размещаются силовые механизмы, грузовые трюмы, жилые и служебные помещения, системы жизнеобеспечения, емкости и помещения для хранения судовых запасов воды, топлива, продуктов питания и т. д. От формы и конструктивных особенностей судна зависят такие важные характеристики его, как прочность, водонепроницаемость, грузоподъемность, непотопляемость.

Эти показатели находятся во взаимосвязи, иногда в противоречивой. Так, недостаточная прочность корпуса судна в условиях эксплуатации может стать причиной водотечности. В то же время увеличение запаса прочности путем увеличения несущих конструкций и толщины обшивки приводит к уменьшению грузоподъемности.

Удовлетворение противоречивых требований приводит к необходимости отыскания оптимального сочетания характеристик судна. Решение этой задачи осуществляется с учетом сил и моментов сил, действующих на корпус судна от веса груза, судовых запасов, собственно корпусных конструкций и давления воды.

Силы, действующие на корпус судна. Характер распределения сил давления воды на корпус показан в масштабе на 1. Эти силы стремятся деформировать корпус судна. Величина их давления на единичную площадку прямо пропорциональна заглублению этой площадки. Так, судно с осадкой 10 м испытывает давление воды на днище примерно 100 кПа. Только одна обшивка не в состоянии противодействовать такому давлению, поэтому для упрочнения корпуса используют специальные силовые конструкции

Поперечная прочность судна обеспечивается рамной конструкцией из флоров, бимсов и шпангоутов. Флоры - элементы, упрочняющие днище. Борта подкрепляются шпангоутами, соединенными с флорами при помощи скуловых книц. Подкрепление палубы, на которой размещаются надстройки и иногда грузы, осуществляется бимсами. Такие конструкции (иногда с неполным набором элементов) размещаются вдоль судна на расстоянии одна от другой 500^-800 мм. Эти расстояния называют шпациями. Поперечную прочность обеспечивают с определенным запасом для уменьшения повреждаемости корпуса при швартовках к причалу, другому судну, а также от ударов волн, льдин и т. п.

Продольная прочность судна (наизлом) зависит от равномерности распределения судовых конструкций и груза по длине судна, а также от характеристик волнения. В идеале отсутствие продольных изгибных деформаций на спокойной воде обеспечивается в том случае, когда сила поддержания F и сила веса Р на любом участке судна ДI по его длине равны (3). При этом силы веса и силы поддержания компенсируют друг друга по всей длине судна и оно не испытывает изгибных моментов. Наихудшим в этом смысле является вариант нагружения судна, когда загружены два крайних трюма, а средние пусты или наоборот (4). Судно в этом случае испытывает большие изгибающие моменты, способные привести к повреждению корпуса даже на спокойной воде.

В условиях эксплуатации из-за неравномерности нагружения могут возникать постоянные напряжения в корпусе, что приводит к необходимости иметь определенный запас продольной прочности.

В условиях волнения судно, оказываясь на вершине волны (5, а), испытывает изгибающие усилия, которые стремятся растянуть палубу и сжать днище. На подошве волны происходит деформация противоположного характера (5, б). Наиболее опасно нахождение судна на волне, длина которой равна длине судна.

Во избежание перелома судна на волне в системе набора предусматриваются продольные ребра жесткости, которые совместно с палубной и днищевой обшивкой, а также бортовой обшивкой обеспечивают продольную прочность судна.

При общем изгибе судна отдельные пояса обшивки нагружены неодинаково. Наиболее нагружены днищевая и палубная обшивки, а также верхние и нижние пояса бортовой обшивки.

Системы набора корпуса. В зависимости от назначения судна применяют три различные системы набора: поперечную, продольную, смешанную (6).

В поперечной системе набора главные балки (неразрезные) идут поперек судна (флоры, шпангоуты, бимсы). Эта система применяется чаще всего при строительстве буксиров, ледоколов и т. п. В продольной системе набора главные балки - продольные, они также делаются неразрезными, а поперечные балки в местах пересечения с главными разрезаются и привариваются к ним. Продольная система набора применяется на танкерах, не имеющих второго дна.

Наружная обшивка й настил палуб. Принципиальная схема наружной обшивки. Наружная обшивка и настил палубь: обеспечивают водонепроницаемость корпуса и вместе с набором - продольную (в большей мере) и поперечную (в меньшей мере) прочность. Наружную обшивку изготовляют из листовой стали толщиной 3-20 мм. Длина,листов 6-8 м, ширина 1,5-2 м. Листы наружной обшивки располагают вдоль корпуса судна. Они образуют пояса (см. 7), носящие специальные названия. Верхний пояс бортовой обшивки называют ширстреком. Вниз от него идут бортовые, скуловые, днищевые, шпунтовые пояса. Между шпунтовыми поясами левого и правого бортов идет пояс, называемый горизонтальным килем. Ширстрек и горизонтальный киль делают утолщенными, так как они несут наибольшую нагрузку. На скулах в средней части судна приваривают боковые кили, которые служат для уменьшения амплитуд бортовой качки. Суда ледового плавания имеют в районе ватерлинии ледовый пояс.

Листы палубного настила укладывают вдоль судна параллельно диаметральной плоскости. Крайний пояс - палубный стрингер - изготовляют по форме борта, чтобы он примыкал к нему вплотную. Палубный стрингер обычно делают утолщенным.

На пассажирских, промысловых и некоторых других судах стальной палубный настил покрывают деревянным настилом из сосновых досок толщиной 50-60 мм, шириной 100 мм. Он предохраняет палубу от преждевременного износа, служит изоляцией для подпалубных помещений, создает более удобные условия для работы людей. С целью обеспечения водонепроницаемости пазы деревянной палубы конопатят смоленой паклей и заливают смолой.

Крайний брус деревянного настила (у борта), называемый ватер- вейсным, примыкает к вертикальной стальной полосе, приваренной к палубному стрингеру. Канал для стока воды между этой полосой и кромкой борта, выступающей выше палубы, называется ватервейсом. Вода из ватервейсов стекает за борт через специальные отверстия - шпигаты.

На открытых частях палубы вдоль борта судна устанавливают ограждение высотой 900-1000 мм в виде фальшборта или леера. Фальшборт изготовляют из листовой стали и подкрепляют специальными стойками. К верхней части его приваривают планширь. Леерное ограждение состоит из металлических стоек, между которыми натянут стальной трос.

Быстрый сток воды с палубы и уменьшение заливаемости обеспечивается поперечной погибью и продольной седловатостью.

Судовые переборки. Для обеспечения непотопляемости судно, как правило, делится специальными переборками на отсеки, что предохраняет его от полного затопления при местных повреждениях корпуса. Переборки упрочняют корпус судна и служат для выгораживания судовых помещений различного назначения.

Переборки, не имеющие дверей, вырезов и горловин, называют водонепроницаемыми. Именно они, подкрепленные, как правило, соответствующими элементами набора, прежде всего обеспечивают непотопляемость. Если между соседними отсеками необходимо иметь сообщение, то двери в переборках делают водонепроницаемыми, закрывающимися специальными замками.

Судно, стоящее на якоре, подвергается воздействию сил: ветра R А, течения R T , волнения R волн, инерционных сил рыскания и кач­ки R ин. Этим силам противодействует держащая сила якорного уст­ройства. Судно не будет дрейфовать, если горизонтальная состав­ляющая равнодействующей внешних сил ∑R уравновешивается держащей силой якорного устройства F x , т. е. ∑R = R А + R T + R волн + R ин <= F x Сила действия ветра Я л зависит от скорости ветра, площади обдуваемой поверхности и воздушного сопротивления судна. Силу действия ветра на судно (в Н) можно определить по формуле, которая для случая якорной стоянки упрощается: R А = 0,61Cx a U 2 (А u cos q u + B u sin q u), где Cx a - коэффициент воздушного сопротивления, зависящий от угла q u U - скорость ветра, м/с; А u , B u - площадь проекции надводной части корпуса судна соответственно на мидель и ДП, м 2 ; q u - угол между ДП и направлением ветра, °. Рассмотрим силу действия течения R т. Скорость течения на якорных стоянках редко превышает 2 - 3 уз. При расчете силы дей­ствия воды на подводную часть судна (в Н) можно использовать формулу R т = 58,8В T V 2 T sin Θ Т, где В т - проекция подводной части корпуса на диаметральную плоскость судна, м: ; V T - скорость течения, м/с; Θ Т - угол между направлением течения и ДП, °. Значение В T (в м 2) определяют по формуле В T = 0,9L max d ср где L max - наибольшая длина судна, м; d ср - средняя осадка, м. Силу рыскания R m , условно принимают равной весу якоря в воде. Для учета сил ударов волн по корпусу судна необходимо вво­дить в расчеты коэффициент динамичности Кд, который в первом приближении можно принять равным 1,4.

3.Расчет длины якорного каната, потребной для использования держащей силы якоря.

Теоретически задача может быть поставлена и в несколько другом плане, а именно: необходимо определить длину якорной цепи, при которой будет полностью использована держащая сила якоря.

В этом случае горизонтальную составляющую натяжения якорной цепи следует приравнять к держащей силе якоря (Т=Р ЯК). Тогда lц = h где k rp - коэффициент держащей силы якоря, зависящий от грунта и типа якоря; Pя - вес якоря, Н. Строгое решение задачи с учетом всех элементов динамики про­цесса представляет определенные трудности в силу ограниченности необходимой для этого исходной информации. Следует отметить, что с практической точки зрения в этом нет необходимости, так как при не­благоприятных условиях якорной стоянки требуется иной подход к обе­спечению безопасности судна. При ограниченных колебаниях, совершаемых судном в вертикаль­ной плоскости, удовлетворительные значения длины якорной цепи, при которой компенсируются динамические рывки, могут быть получены за счет введения в формулу так называемого коэффициента динамич­ности kд: lц = h где Тср -среднее значение внешней силы, Н; kд - в зависимости от типа судна, условий стоянки можно принять равным 1.4-1.7

4. Расчет длины якорного каната, потребной для компенсации действующих на судно внешних сил.

Статическое решение задачи длины якорной цепи т. е. исходя из предположения, что судно во время якорной стоянки не имеет рыскания.. Эта кривая называется цепной линией и описывается следующими, уравнениями: l=ash(x/a) y= a+h = a ch (x/a) где l - длина якорной цепи от якоря до клюза, м; а - параметр цепной линии, равный отстоянню ее вершины от начала координат a = T/pц, м; х, у - координаты точки, в которой находится якорный клюз, м; h - отстоянне клюза от грунта, м. Совместное решение приведенной системы уравнений позволяет определить l: l=h или, учитывая, что a = T/pц l=h где Т - горизонтальная составляющая натяжения якорной цепи, Н; Ра. - вес I м якорной цепи в воде, Н. В соответствии с поставленными начальными условиями, горизонтальная составляющая натяжения якорной цепи будет равна суммарной силе ветра и течения, действующей в данный момент на судно, Т=F T +F A lmin = h . Расчеты, выполненные по этим формулам, дают наименьшее зна­чение длины якорной цепи, при которой обеспечивается нормальная работа якоря. Для исключения возможности снижения держащей си­лы якоря за счет рывков при появлении у судна колебательных дви­жений из-за перемены нагрузки (порывов ветра, наличия волнения и др.) длина якорной цепи должна быть несколько увеличена, чтобы часть ее при средних значениях внешней силы лежала на грунте.

Линейная плотность якорной цепи (в кг/м): в воздухе q= 0.021d 2 ц, в воде q=0,021*0,87^^0.018 d 2 ц, где d u - калибр якорной цепи, мм. Коэффициент трения при протаскивании якорной цепи по раз­личному грунту (без учета присасывания) определяется по табл. Держащая сила может быть получена через массу якоря G и удельную держащую силу К: K = F я /gG = 0.73γ г (b як /l як)(66/М як)h 3 як где g - ускорение свободного падения (9,81 m/c s); γ г - плотность грунта, т/м 3 ; b як - ширина лапы якоря, м; l як - длина лапы якоря, м; М як - величина, зависящая от типа якоря и глубины погружения его лап; h як - погружение лапы якоря, м. h як = l як sinα як; здесь α як - угол наклона лап якоря, ° (для якоря Холла а=45°). Безопасность якорной стоянки зависит от совокупности ряда фак­торов: состояния судна, характера грунта и в первую очередь гидрометеорологической обстановки. Следует всегда помнить, что даже самая благоприятная якорная стоянка при определенном изменении гидрометеорологических условий может оказаться небезопасной и потребуется немедленная съемка с якоря для перемены места стоянки или выхода в открытое море. В связи с этим категорически запрещается при стоянке судна на якоре производить в машинном отделении какие-либо работы, связан­ные с выводом из строя главного двигателя, рулевого и якорного уст­ройств. Машина должна находиться в готовности, срок которой уста­навливается капитаном судна в зависимости от конкретной обстанов­ки. На время всей стоянки судна на якоре устанавливаются ходовые вахты как на мостике, так и в машинном отделении. Вахтенная служба должна вести непрерывное наблюдение как за состоянием погодных условий, так и окружающей обстановкой, по­ведением других судов, стоящих поблизости на якоре. Большое внимание следует уделять своевременному обнаружению дрейфа судна, для чего должны использоваться все доступные в данном случае способы. В настоящее время контроль за дрейфом судна чаще всего осу­ществляется навигационными способами путем взятия контрольных пеленгов или дистанций. Для достижения наибольшей эффективности контроля в качестве ориентиров при снятии пеленгов или измерении дистанции следует выбирать предметы, у которых изменения пеленгов (дистанции) в слу­чае появления дрейфа будут наиболее заметными. Подбирая ориенти­ры, необходимо иметь в виду, что совершенно не обязательно, чтобы они были нанесены на карту, так как обнаружение дрейфа может быть установлено по характеру изменения пеленгов (дистанций) без выполнения обсерваций. Для пеленгования выгоднее всего выбирать ориентиры, располо­женные близко к траверзу с обоих бортов судна, а для измерения ди­станций - на носовых или кормовых курсовых углах. На небольших и низкобортных судах рекомендуется использовать и такой старый метод, как выбрасывания прямо по носу ручного лота или просто балластины на лине с небольшой слабиной последнего. На­тяжение линя при неизменном курсе судна является верным призна­ком появления дрейфа судна.

Особое внимание контролю за дрейфом судна должно уделяться при стоянке на якоре на плохо держащих грунтах, при неровном хол­мистом дне. В этом случае в дополнение к контролю за дрейфом суд­на на мостике рекомендуется выставить наблюдателя на носу непосред­ственно у якорного устройства. Резкое изменение натяжения якорной цепи, когда она надраивается, а затем сразу же резко провисает, служит признаком того, что якорь ползет по грунту. Наличие вахтен­ного у брашпиля, если нет автоматического устройства отдачи якоря, также полезно при стоянке на рейде с большим количеством других судов, стоящих на якоре. В случае дрейфа соседнего судна быстрое потравливание якорной цепи позволит устранить риск навала или хо­тя бы уменьшить его последствия. Меры по предотвращению дрейфа зависят от причин, вызвавших его, появление. При благоприятных погодных условиях дрейф судна может возникнуть из-за слабой держащей силы якоря, когда якорь либо ползет на плохо держащих грунтах, либо периодически вывора­чивается из грунта в результате неравномерного уплотнения грунта под лапами якоря при рыхлых грунтах. В таких случаях лучше всего переменить место якорной стоянки, особенно если дрейф происходит в сторону берега, какой-либо нави­гационной опасности или другого судна. Чаще всего причиной дрейфа является ухудшение гидрометеоро­логической обстановки. Вполне понятно, что дрейф судна станет неизбежным, если внеш­ние силы достигнут значения, превышающего держащую силу якоря. В определенных пределах держащая сила якоря может быть несколь­ко повышена за счет дополнительного потравливания якорной цепи. Часть цепи, лежащая на грунте, позволяет увеличить держащую силу якоря на величину Δряк = f p ц Δl.

6. Способы постановки на один или два якоря.

Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев постанов­ки судна на один якорь и на два якоря. Постановка на якорь задним ходом . Судно маневри­рует таким образом, чтобы в точку отдачи якоря прийти на курсе, противоположном направлению равнодействующей ветра и течения. В точке отдачи якоря судно или совсем не должно иметь движения или медленно продвигаться назад. Отдастся якорь того борта, ко­торый во время стоянки желательно иметь наветренным. На канат выходят благодаря дрейфу или подработав двигателем задним хо­дом. При значительной скорости дрейфа для его уменьшения под­рабатывают двигателем вперед. Постановка на якорь передним ходом . Она применяется реже, так как до выхода на канат судно может развернуть бортом к вет­ру. При этом возникает опасность рывка, который может вывер­нуть якорь из грунта. К моменту отдачи якоря судно не должно иметь движения или может медленно продвигаться вперед, лежа на курсе, соответствующем направлению равнодействующей вет­ра и течения. На одновинтовом судне лучше отдавать якорь борта, разноименного с шагом винта. Скорость выхода на канат регулируется рабо­той движителей. Канат травят слабо до длины, при которой будет полностью использована держащая сила якоря, после чего его на­чинают постепенно обтягивать. При этом судно начинает развора­чиваться носом к якорю. Для плавной остановки судна не следует спешить задерживать канат. Лучше вытравить его на излишнюю длину, а потом подобрать. Постановка на два якоря для увеличения держащей силы якор­ного устройства . В этом случае якоря кладут с небольшим разно­сом так, чтобы угол между якорными канатами составлял не менее 30-40°. Первым отдают якорь того борта, на который действует суммарная сила ветра и течения. Маневрировать можно различны­ми способами. Постановка с хода . При подходе к месту отдачи первого якоря на курсах, близких к перпендикуляр­ным к направлению ветра или течения, следуют с такой скоростью, чтобы, работая назад машиной, судно смогло остановиться у места отдачи второго якоря. Первый якорь отдают на переднем ходу. Ка­нат травят слабо, руль кладут в сторону отданного якоря, и судно, разворачиваясь против ветра и течения, подходит к месту отдачи второго якоря, после отдачи которого выходят на канаты. Вытра­вив канаты на нужную длину, их плавно обтягивают и выравни­вают. При постановке способом «тандем» судно стоит на одном якоре, а второй кладут на грунт и используют в качестве волокуши. Дли­на вытравленного каната должна ненамного превышать возвыше­ние клюза над грунтом. Волочащийся по грунту якорь создает до­полнительное сопротивление и уменьшает амплитуду рыскания. Постановка способом «фертоинг» применяется для уменьшения радиуса циркуляции и амплитуды рыскания в тех слу­чаях, когда в районе якорной стоянки наблюдаются меняющие на­правление на противоположное приливно-отливные течения или бри­зы. Якоря кладут иод углом, близким к 180°. Длина якорного кана­та, направленного против течения или ветра, должна быть доста­точной для обеспечения безопасности стоянки. У второго каната подбирают слабину. При постановке на два якоря для уменьшения рыскания судна якорные канаты кладут под прямым или даже тупым (до 120°) углом. При этом, когда канат основного якоря располага­ется параллельно направлению ветра, канат второго якоря должен натянуться. Тогда судно при рыскании имеет возможность пересе­кать линию ветра только в одну сторону. Постановку осуществляют в два приема, как описывалось выше. Но для того чтобы получить между канатами прямой или тупой угол, канат, располагающийся по ветру, травят на длину большую, чем необходимо для обеспечения безопасности стоянки, а после отдачи второго якоря подбирают до получения желаемого угла. Соотношение длины канатов - при­мерно 4:3. Указанный способ может применяться для отстоя при прохожде­нии циклона, когда происходит круговое изменение направления ветра. Если смена ветра ожидается по часовой стрелке, судно ста­вят вначале на левый якорь, а правый кладут на траверзе. По ме­ре того как ветер заходит вправо, правый канат потравливают. По­сле того как длина канатов выравнивается, а ветер будет продол­жать заходить вправо, начинают подбирать левый канат. Постановка судна на шпринг применяется для удер­жания судна в определенном положении по отношению к ветру и течению, чаще - с целью прикрытия корпусом судна от ветра и волнения плавсредств, находящихся у борта. Для постановки на шпринг швартовный трос (в этом случае его называют шпрингом) обносят но наружной стороне того борта, с которого отдан якорь. Один конец его проводят через швартовный клюз в кормовой части судна и кладут на кнехты. Второй конец проводят из-за борта че­рез якорный клюз и крепят к якорному канату, который предва­рительно подбирают до минимальной длины (такая длина обеспе­чивает стоянку без дрейфа). Крепление лучше выполнять стальным стропом равной со шпрннгом прочности, заводя его вокруг якорно­го каната. Строп и шпринг соединяют такелажной скобой. Потрав­ливая якорный канат, ставят судно лагом или под желаемым уг­лом к ветру. В такое положение судно может быть поставлено и с помощью кормового якоря или завезенного стоп-анкера.Следует помнить, что судно, стоящее на шпринге, в большей сте­пени подвержено дрейфу, так как обладает большим сопротивлени­ем ветру и течению. На рис. 1G.10, в показана постановка судна на два якоря и два ширинга. В тех случаях, когда один якорь не обеспечивает необходимого держащего усилия, к якорному канату крепят два якоря один за другим. Наиболее часто способ постановки на «гусек» применяется при завозе якорей для стягивания судна с мели.

7. Маневрирование при постановке (съемке) на один или два якоря.

При съемке с якоря в свежую погоду для облегчения работы. Брашпиля рекомендуется осторожно подрабатывать машиной, но с та­ким расчетом, чтобы судно не приобрело большого разгона и якорная цепь не пошла под корпус судна. Для установления необходимого режима работы двигателя нахо­дящийся на баке помощник капитана должен непрерывно докладывать на мостик о положении якорной цепи (ее натяжении и направлении). К помощи двигателя при съемке с якоря приходится также при­бегать в тех случаях, когда якорная цепь настолько засасывается грунтом, что брашпиль, как говорят, «не тянет», т. е. не в состоянии вырвать цепь из грунта. Чтобы в момент рывка не повредить браш­пиль, необходимо прежде чем давать ход, взять якорную цепь на сто­пор и отсоединить брашпиль. Съемка с двух якорей в зависимости от конкретных условий якор­ной стоянки может осуществляться как с раздельной, так и с одно­временной выборкой якорных цепей. К поочередному подъему якорей прибегают всегда при большом угле разноса якорных цепей, когда судно стоит на двух якорях спо­собом фертоинг, на перекрещивающихся якорных цепях и т. п. В этих случаях выбирается первым якорь, являющийся в данный момент «не рабочим», а затем якорь, на котором судно в это время бу­дет стоять. Если судно стоит на двух якорях с перекрещивающимися цепями, то первым выбирается якорь, отданный для предотвращения рыска­ния. При этом, чтобы не допустить при выборке трение одной цепи о другую, необходимо, чтобы якорная цепь основного якоря была на это время натянута («надраена»). Поэтому если съемка с якорей про­исходит уже при ослабленном ветре, необходимо дать машине перед началом съемки небольшой толчок на задний ход. При стоянке на двух якорях способом фертоинг для съемки с яко­рей первоначально травят якорную цепь якоря, на котором судно сто­ит в данный момент, и одновременно с этим подбирают якорную цепь второго якоря. Когда он окажется в клюзе, выбирают первый якорь. Если угол разноса якорных цепей не превышает 30-40°, то при благоприятных условиях съемка с якорей для ее ускорения может про­изводиться с одновременным выбиранием обоих якорных цепей. При этом следует иметь в виду, что на стесненном рейде, где дрейф судна недопустим, к одновременной выборке якорей можно прибегать, если разница в длинах якорных цепей составляет либо меньше одной глубины, либо больше трех глубин. В первом случае оба якоря будут подорваны одновременно, что позволит сразу же начать работать ма­шиной, не допуская дрейфа судна. Во втором случае после подрыва якоря с более короткой цепью судно будет надежно оставаться без дрейфа на втором якоре. Таким образом, в обоих случаях можно будет спокойно втянуть поочередно якоря в клюзы. При поочередном подъеме якорей первоначально выбирается бо­лее короткая якорная цепь, а затем после втягивания якоря в клюз, более длинная. При этом, если съемка с якоря осуществляется в усло­виях свежей погоды, а момент подрыва первого якоря необходимо подработать машиной на передний ход, чтобы не прийти рывком на вторую якорную цепь. При равнодлинных якорных цепях очередность их выборки дик­туется только навигационными соображениями. Обычно последним поднимается тот якорь, в сторону которого судно будет разворачивать­ся на выход с рейда. Это делается для того, чтобы в случае трудности в развороте судна на новый курс можно было использовать якорь. Особые трудности при съемке с двух якорей возникают, если в результате изменения направления ветра судно развернется и якорные цепи перекрестятся, образуя крест при развороте судна на 180° или крыж при развороте на 360°. Образование креста, а тем более крыжа - вещь чрезвычайно не­желательная, так как при этом нарушается нормальная работа якор­ного устройства и может произойти повреждение якорных цепей. По­этому, как уже указывалось, в случае опасности возникновения такой ситуации должна быть сделана своевременная перекладка якорей. Если же этого сделано не было, необходимо выбрать хотя бы один из якорей, пока образовался только крест. Первоначально выбирается та якорная цепь, которая находится снизу, вторая - при необходимости потравливается. Когда выбирае­мый якорь станет панер, вторая якорная цепь окажется чистой и даль­ше можно поступать по обстоятельствам: либо вновь стать на второй якорь, либо выбрать и первый, чтобы переменить место стоянки. Все оказывается значительно сложнее, если образуется крыж (или несколько крыжей). В этом случае прежде чем начинать съемку с якорей, необходимо развести крыжи - развернуть судно в сторону, обратную закручиванию якорных цепей. При благоприятных погодных условиях разворот малотоннажного судна, хотя и со значительными трудностями, может быть сделан с помощью собственной машины и судового катера. Для разворота крупнотоннажного судна необходима помощь буксира. Если из-за плохой организации вахтенной службы неизвестно, в какую сторону произошло закручивание якорных цепей, то для определения направления разворота судна выбирают обе якор­ные цепи до тех пор, пока из воды не покажется крыж. Разворот следует делать против движения часовой стрелки, если в начале крыжа правая цепь будет видна поверх левой, и в обратную сторону, если левая якорная цепь окажется на правой. Производить для разводки крыжей расклепывание якорных цепей на современном судне - задача практически малореальная.

8. Разворот судна в узкости с помощью якоря.

Развороты на ограниченной акватории. Если на судне с отданным на грунт якорем, цепь которого натянута назад параллельно ДП, пере­ложить руль на один из бортов и дать передний ход двигателю, то кор­ма судна под влиянием боковой силы руля P ру, обтекаемого струей от винта, получает боковое перемещение в сторону, противоположную пе­рекладке руля. Продольного перемещения судно в начальном периоде не получает, так как сила упора винта Р е компенсируется держащей силой якоря Р я, поэтому вращение вначале происходит вокруг полюса поворота, положение которого зависит, от точки приложения поперечной силы. В данном случае поперечная сила P ру создается рулем, следовательно, приложена примерно на расстоя­нии 0.5L в корму от ЦТ, поэтому в соответствии с графиком х пп =f (х р) будет находиться приблизительно на расстоянии 0.15L в нос от ЦТ. Если якорная цепь вытравлена на такую длину l ц, при которой якорь будет находиться под днищем судна в районе полюса поворота (в рассматриваемом случае этому соответствует l ц =0,35L), то судно и в дальнейшем будет продолжать вращение вокруг ПП без поступа­тельного движения (если якорь не драгирует). Следовательно, оно мо­жет быть развернуто практически на месте на любой угол. Если вытравлено якорной цепи меньше чем 0.35L, то ПП смеща­ется в нос, и вращение судна будет происходить по-прежнему вокруг точ­ки, находящейся примерно над лежащим на грунте якорем, но с несколько меньшей угловой скоростью, чем в случае l ц = 0,35L. Уменьшение угловой скорости связано с тем, что ЦТ в данном случае будет описывать дугу большего радиуса, а это приводит к воз­растанию демпфирующего гидродинамического момента. Если же якорной цепи вытравлено больше чем 0,35L, то после на­чала вращения между ДП и направлением якорной цепи образуется более или менее значительный угол, а это приводит к появлению поперечной составляющей натяжения якорной цепи, при­ложенной к носовой оконечности и способствующей развороту судна. Следует учитывать, что при таком вращении судно приобретает неко­торое поступательное движение, поэтому нужное для разворота прост­ранство возрастает. Во всех рассмотренных случаях разворота с использованием от­данного на грунт якоря необходимо, чтобы сила упора винта не превы­шала держащей силы якоря. В противном случае якорь поползет, и судно может не вписаться в имеющуюся акваторию.

9. Торможение судна с использованием якорей.

Снижения тормозных характеристик судна и повышения его уп­равляемости на малых скоростях можно достичь, использую вытравленные якоря с небольшим количеством якорной цепи. Экспе­риментально установлено, что длина тормозного пути судна с вы­травленными якорями по сравнению с длиной тормозного пути судна без вытравленных якорей уменьшается примерно на 30%. Выявлено также, что диаметр установившейся циркуляции судна уменьшается даже при небольшом количестве цепи в воде на 15- 20%. Наблюдается значительное улучшение управляемости. Во-первых, с отданными якорями при тон же скорости движения дви­гателям можно дать большую нагрузку и тем самым увеличить скорость набегающего на перо руля потока. Во-вторых, вследствие смешения центра сил сопротивления воды в нос увеличивается вращающий момент от действия руля. В настоящее время суда ММФ оборудуют приборами для дистанционной отдачи якорей, улучшают конструкцию брашпилей и

шпилей, что позволит более эффективно применять якоря для повышения маневренных качеств судов. Сила сопротивления (в Н) якоря типа Холла набегающему по­току воды R я = а 1 V с 2 G 2/3 где а 1 - размерный коэффициент cопротивления, примерно равный 5,5; V с - скорость потока воды, м/с; G - масса якоря, кг. Для расчета силы сопротивления (в Н) якорной цепи принята зависимость вида: R цп = с ц d ц l яц V с 2 где с ц - размерный коэффициент, примерно равный 588; d ц - калибр якорной цепи, м; l яц - длина цепи, м. Для определения совместного сопротивления якоря и цепи на­бегающему потоку воды необходимо определить сопротивление якоря R я при данной скорости судна и суммировать его с сопротив­лением цепи R цп. Уравнение свободного торможения судна с вытрав­ленным якорем и якорной цепью можно записать с учетом выра­жения в следующем виде: m (dV/dt) + (e + e в + е яц) KV 2 =0 где е яц = (R я + R цп)/ R - коэффициент, учитывающий влияние силы сопротив­ления якоря и якорной цепи (R - сила сопротивления воды). После интегрирования выражения получим (соответст­венно в секундах и метрах): t i = (m/K(e + e в + е яц))(V -1 i - V -1 c) S i = (m/K(e + e в + е яц))ln(V c /V i). Также применяется торможение с использованием якорей, протаскиваемых по грунту.

10. Команды и доклады при постановке (съемке) на якорь.

У правого/левого якоря стоять! (Stand by starboard/port anchor!) Отдать правый/левый якорь! (Let go starboard/port anchor!) Травить якорь-цепь! (Slack away the cable!) Две смычки в воду! (Two shackles in the water!) Задержать якорь-цепь!(Hold on the chain!) Выбрать якорь-цепь! (Heave in the chain!) Закрепить якорь-цепь! (Make fast the chain!) Наложить стопор! (Secure the break!) Панер! (It is apeak!) Якорь чист! (The anchor is clear!) Якорь не чист! (Foul anchor!)

11. Классификация водной акватории. Мелководье.

С точки зрения управления судном понятие узкости определяется соотношением между маневренными характеристиками судна (с уче­том его линейных размеров) и шириной водного пространства, в пре­делах которого судно может безопасно следовать при существующих средствах навигационного обеспечения. С точки зрения ширины акватории делят на открытые и каналы. Открытые акватории делят на глубокие, мелкие и углубленные морские пути. Открытой и глубокой акваторией называется такая, на которой дно и берега не оказывают влияния на маневренные качества судна. Ширина открытой акватории определяется диаметром циркуляции. В морской мировой практике принимается, что для выполнения са­мостоятельной циркуляции на акватории, где нет ветра и течения, не­обходимы размеры акватории b>8L, где b - ширина акватории, м; L - длина судна, м. Эта зависимость действительна для всех плаведнниц, так как коэффициент k, равный 8, является наибольшим коэффициентом из ис­пользуемых для определения нормального диаметра циркуляции. Ве­личина параметра ширины акватории соответствует минимальному диаметру тактической циркуляции. Определение понятия мелководье можно представить следующим образом. Движущееся судно вызывает образование различных волн.

12. Эффект волнообразования. Спутная волна.

Частица воды в волновом движении на глубокой воде движется по круговой орбите. Радиус орбиты на поверхности равен амплитуде вол­ны, а на глубине Н радиус r н определяется формулой: r н = r о e - kH где r о - радиус орбиты частицы на поверхности воды, равный амплитуде волны, м, е - основание натуральных логарифмов; k = 2 П/λ - волновое число (λ- длина волны, м); Н - глубина, отсчитываемая от поверхности воды, м. Параметр e - kH называют коэффициентом затухания. Известно, что если глубина воды меньше 0,5λ, то при движении судна необходимо принимать во внимание влияние дна. Уравнение, определяющее зависимость скорости волны от ее длины и глубины акватории, с = где с - скорость волны, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2. При H→∞ выражение th (2ПH/λ) →1 и скорость распростране­ния волны на глубокой воде с= . Согласно уравнению, при λ =const скорость волны на мел­ководье меньше, чем на глубокой воде, поскольку частицы движутся не по круговой орбите, а по эллиптической. Скорость судна, равная максимальной скорости распространения волн, называется критической скоростью судна, а величина этой скорости может быть определена по уравнению или приближенно для практических целей с по­мощью выражения V кр = . Влияние мелководья начинает заметно сказываться при переходе за скорости, равные 0,6V кр, когда высота и длина создающихся при движении судна поперечных волн начинают резко возрастать. По мере увеличения скорости увеличивается и угол, составляемый гребнями волн с ДП судна. При скорости V>0,75V кр, поперечные и расходящие­ся волны совмещаются в одну общую поперечную волну, достигающую наибольших размеров при скорости V= (0,9-1,0) (gH) 1/2 и имеющую вид поперечного вала, движущегося вместе с судном несколько впе­реди форштевня. В кормовой части судна несколько впереди ахтерштевня также создаются поперечные волны, которые распространяют­ся далеко по обе стороны от судна. Вместе с ростом волнообразования растет и сопротивление воды движению судна, перегружается двига­тель, возрастает расход топлива, повышается износ двигателя. Поэто­му увеличивать скорость судна до значений, больших 0,80 V кр, неце­лесообразно. Скорость судов в канале назначается в пределах 4- 12 уз, однако, она не должна превышать величины 0,9 V кр.

13. Эффект проседания.

При движении судов происходит изменение их положения на пла­ву по отношению к свободной поверхности и дну водоема. Существен­ное изменение посадки (просадки судна) наблюдается в условиях мелководья, в каналах, реках и других стесненных условиях. Аналитический метод расчета посадки судна на ходу в условиях глубокой воды был разработан Ю. Н. Поповым. Удовлетворительное соответствие результатов теоретического расчета, основанного на ис­пользовании линейной теории волн, с экспериментом получается в том случае, если изменение средней осадки и угла дифферента рассматривается как сумма двух составляющих, одна из которых вызывается действием гидродинамической вертикальной силы или соответственно дифферентующего момента, а другая - перераспределением погру­женного объема из-за волнообразования. В этом случае: Δd= Δd д + Δd в; ψ= Δψ д + Δψ в где Δd - изменение средней осадки судна на ходу, м; ψ - угол дифферента судна на ходу, град; Δd д - изменение средней осадки судна от действия гидродинамической вертикальной силы, м; Δψ д - изменения угла дифферента под действием гидродинамического днфферентующего момента, град; Δd в, Δψ в - соответственно изменение средней осадки и угла дифферента из-за волнообразования. Расчеты просадки судов на мелководье, если брать за основу вы­ражения, чрезвычайно трудоемки. При сравнительно малых докритических скоростях движения судна на мелководье, каналах, реках снижается роль собственного волнобразовання судна. Перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяснено изменением уровня сво­бодной поверхности воды из-за наличия стесненности фарватера. Приращение осадки судна при движении по мелководью в общем случае объясняется уменьшением гидростатического давления воды под днищем корпуса судна. Это уменьшение является следствием уве­личения скорости обтекания днища водой из-за стесненности потока, понижения уровня воды у бортов, а также условий волнообразования у движущегося судна. Работающие гребные винты также влияют на просадку судна. Вопросом приращения осадки при движении судна в стесненных условиях занимались многие советские и зарубежные исследователи. В результате теоретических и экспериментальных исследований разра­ботано большое количество методов и эмпирических зависимостей для определения просадки судна в различных условиях плавания и конст­руктивных особенностей судов. Наиболее общее решение имеет так на­зываемый классический метод. Этот метод основывается на непосред­ственном применении закона Бернулли и закона неразрывности жид­кости. Модифицируя уравнение Бернулли и принимая, что величину давления р можно выразить высотой водяного столба над условным уровнем Н, уравнение Бернулли примет вид H+(U 2 /2g)=const, где Н - глубина, м; U - скорость потока воды, омывающего судно, называемая скоростью встречного потока, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с 2 . При сравнительно малых докритических скоростях движения сни­жается роль собственного волнообразования судна. Перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяс­нено изменением свободной поверхности воды из-за наличия стеснен­ности фарватера. Рассмотрим случай движения судна в канале. Движение его в соответствии с уравнением Бернулли приводит к увеличению скорости движения воды вдоль корпуса судна, а это приводит к понижению зеркальной поверхности воды (глубины Н). После преобразования, обозначив H 0 -H x = ΔH, получаем величину понижения зеркальной поверхности воды (просадку судна) ΔH=U(2V+U)/2g.

14. Эффект гидродинамического взаимодействия.

Одной из опаснейших навигационных ситуаций является расхож­дение судов на небольших траверзных расстояниях. В этом случае на их корпусы могут воздействовать дополнительные внешние силы, обусловленные гидродинамическим воздействием корпусов. В резуль­тате действия этих сил суда могут терять управляемость и может воз­никать аварийная ситуация, происходить столкновения судов. Морская практика зарегистрировала достаточно большое коли­чество столкновений, которые произошли в результате гидродинамиче­ского взаимодействия судовых корпусов. В зависимости от сочетания различных факторов и взаимного по­ложения судов возникающие при гидродинамическом контакте на кор­пусах судов поперечные силы Y г и моменты М г могут менять свой знак и может происходить не только «притяжение», но и «расталкивание» судов. Поперечная сила Y г положительна по знаку, если она направ­лена в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Момент зарыскивания М г считается положительным по знаку, если он стремится развернуть носовую оконечность рассматриваемого судна в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Физическая сущность явления гидродинамического взаимодейст­вия двух судовых корпусов принципиально может быть изложена следующим образом. Из гидромеханики известно, что в идеальной жидкости вдоль ли­ния потока выполняется закон сохранения энергии, который записы­вается в виде уравнения Бернулли, Р + ρV 2 /2g=const, где р - давление в произвольной точке линии тока. Па; ρ - плотность воды, т/м 3 .Предположим, что два одинаковых судна движутся в идеальной (невязкой) жидкости параллельно с одинаковой скоростью при рас­стоянии между бортами. Этот случай равносилен гид­ромеханически случаю обращенного движения, когда оба судна не­подвижны, а на них набегает однородный поток жидкости, имеющий на бесконечном удалении от судов скорость u 0 . Применим уравнение Бернулли к линиям потока жидкости, обте­кающим корпус рассматриваемого судна l. Для линии тока АВ: р 0 + u 0 2 /2g=p b + u b 2 /2g p b - р 0 =ρ/2g для линии тока АС; р 0 + u 0 2 /2g=p c + u b 2 /2g; p c - р 0 =ρ/2g Поскольку корпус судна обладает определенными размерами, а жидкость неразрывна, то скорости частиц жидкости в точке С вблизи борта судна будут больше, чем в точке А на удалении от судна. Таким образом, в точке С давление будет понижено по сравнению с давлени­ем на удалении от судна, т.е. возникает разрежение. В точке потока В. расположенной на стороне борта судна, обра­щенного к судну-партнеру 2, поток жидкости имеет скорость u b , ко­торая больше скорости u c , поскольку между корпусами судов поток поднимается. Следовательно, разрежение со стороны борта, обращенно­го к судну-партнеру, будет еще большим. За счет перепада давления нa внешнем и внутреннем бортах на корпус судна будет действовать по­перечная гидродинамическая сила присасывания. В случае, если корпус судна обладает заметной несимметрией относительно миделя, то поперечная сила присасывания Yг может быть приложена на некотором отстоянии от ЦТ, т.ч. на корпус судна будет действовать момент зарыскивания Мг определенного знака.

15. Сущность влияния мелководья на управление судном. Потери скорости и критическая скорость судна на мелководье.

Практикой установлено, что на мелководье по сравнению с глубо­кой водой резко ухудшается эксплуатационная устойчивость судна на курсе, повышается рыскливость; заметно ухудшается и поворотли­вость судов. На мелководье резко уменьшаются углы дрейфа, угловая скорость поворота и соответственно увеличивается радиус установившейся цир­куляции при одинаковых углах перекладки руля. Исследования А. Д. Гофмана показали, что ухудшение поворотливости на мелко­водье носит закономерный характер. Для определения радиуса уста­новившейся циркуляции па мелководье Rм им получена следующая зависимость: Rм=R ∞ /(1+0.1d/H-0.71(d/H) 2), где R ∞ -радиус установившейся циркуляции на глубокой воде, м. Отношение угловой скорости поворота на мелководье w м к угло­вой скорости на глубокой воде w ∞ , оказалось весьма стабильным для судов различных типов. Для определения среднеквадратической погрешности тактического диаметра циркуляции D Т и выдвига l 1 В. И. Нестеренко провел широ­комасштабный натурный эксперимент на теплоходе «Борис Бувин», выполненный на глубокой воде и на мелководье. Среднеквадратическая погрешность составила 5 %, что свидетельствует о применимости формулы для морских судов. Можно рекомендовать судоводителям морских судов применять номограммы для корректировки циркуляции на глубокой воде в условиях мелководья. Для расчета выдвига l 1 на мелководье можно применить зави­симость l 1 /L= 2.38 +0.36(D T /L),где L - длина судна, м. Расчеты показывают, что, например, для d/H=0,9 увеличение выдвига на мелководье по отношению к выдвигу на глубокой воде составляет 62 %, а при d/H =0.5 - около 17 %. Как видно из приведенного анализа, количественное изменение параметров циркуляции на мелководье по сравнению с глубокой во­дой может быть существенным и судоводитель обязан это учитывать при плавании в стесненных условиях. Эта информация необходима и для разбора аварий, связанных со столкновением судов и посадкой на мель. Уменьшение угла дрейфа на мелководье является благоприятным обстоятельством, поскольку оно позволяет увеличивать размеры судов для беспрепятственного прохождения лимитирующих поворотов.

Обычно для проведения ходовых или сдаточных испытаний, чтобы исключить влияние мелководья, выбирают полигон с глубиной, опре­деляемой выражением H>4d+3V 2 /g, где d - осадка судна, м; V - скорость судна, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с 2 . При решении практических задач управления судном мелководьем можно считать, когда отношение глубины к осадке судна H/d<3. Для расчета скорости на мелководье может быть применена формула, полученная А. П. Смирновым, V м = k v k δ k B / d V ∞ где V м - скорость судна на мелководье, м/с; V ∞ - скорость судна на глубокой воде, м/с; k v - коэффициент пропорциональности; k δ - коэффициент пропорциональности за полноту водоизмещения подводной части корпуса судна; k B / d - коэффициент пропорциональности отношения ширины судна к осадке B/d . Критич. скорость - скорость движения судна, при которой наблюдается равенство между скоростью движения судна и скоростью движения волны = спутная волна (Vкр=(gHгл) 1/2).

16. Способы определения проседания и дифферента судна на мелководье.

Определение запаса воды под корпусом судна при плавании в ка­налах и на мелководье. Величина клиренса К (глубина под килем) должна быть не менее суммы навигационных запасов: K>∑z i или K=(H+ΔH)-(d+Δd+a)>z0+z1+z2+z3, где H - навигационная глубина, м; ΔH - поправка глубины на отклонение уровня воды (положительна, когда уровень выше ординара), м; d - осадка (наибольшая) судна в воде стандартной плотности (р=1025 кг/м 2), м; Δd - поправка осадки судна на соленость воды, м; а - поправка на обледенение судна, м (учитывается в каждом конкретном случае); z0 - запас на крен судна, м; z1-минимальный навигационный запас, м; z2- вол новый запас, м; z3- скоростной запас, м. z0=B/2*sin(Θ+ Θ Д), где В - ширина судна, м.; Θ - угол крена от ветра, град; Θ Д - динамический угол крена, град;

19. Особенности управления судном при плавании в каналах.

При движении судна по каналу увеличиваются волнообразование и сопротивление воды, скорость движения уменьшается. Кроме того, для сохранности ложа канала местными правилами плавания преду­смотрено ограничение скорости движения судов

При смешении судна с оси канала и движении вблизи его бровки возникают силы отталкивания от берега, вследствие чего нос судна стремится развернуться в сторону оси канала, а корма "присасывается" к берегу. Для воспрепятствования такого «присасывания» и обес­печения прямолинейного движения судна вдоль откоса канала руль следует положить в сторону бровки. При этом, если скорость движения вдоль откоса канала уменьшается, то судно уходит в сторону берега, а при увеличении скорости - в сторону оси канала. Необходимо так­же учитывать возможность ухода носовой оконечности судна от мели. При движении мимо расширенных участков канала вследствие асимметрии обтекания корпуса потоком воды у судна увеличивается рыскливость. При подходе к такому участку оно стремится развер­нуться в сторону расширения, после прохода-в противоположную сторону. На прямолинейном участке канала судно должно следовать по его оси. Уклонение от оси канала допустимо лишь при расхождении судов. Встречные суда должны первоначально уклониться таким образом, чтобы их левые борта находились примерно на оси канала. Когда расстояние между ними станет равным примерно трем длинам большего из судов, они должны постепенно уклоняться на необходи­мое траверзное расстояние, обеспечивающее безопасное рас­хождение. Для обеспечения безопасного движения при обгоне в канале боль­шое значение имеет скорость движения при работе главных двигате­лей на минимально устойчивом режиме. Для обгона необходимо вы­бирать прямолинейные участки канала. Траверзное расстояние между судами при расхождении должно быть равным расстоянию между от­косом канала и судном. В этом случае обтекание корпусов обоих су­дов будет более равномерным, и явление присасывания будет незначи­тельным. При расхождении двухвинтового судна желательно работать од­ним винтом, расположенным к осевой линии канала. В этом случае уменьшается отсос воды со стороны берега, к которому подошло судно, что приводит к уменьшению ухода его от откоса. Для улучшения управляемости судов в момент расхождения час­тота вращения движителей на некоторый момент может быть увели­чена. Это не вызовет резкого увеличения скорости. При встречах и обгонах судов в каналах и реках просадка увели­чивается более интенсивно, чем на глубокой воде и это необходимо учитывать судоводителю. Подходя к глубоким выемкам и поворотам канала, где судовой ход не просматривается, необходимо заранее уменьшать скорость, сле­довать с осторожностью и подавать соответствующий звуковой сигнал, предписанный правилом 34 (в) МППСС-72, а также по возможности оповещать другие суда по УКВ-связи о своем подходе к криволиней­ному участку. Судно необходимо вести ближе к выпуклому берегу. При сильном ветре безопасность расхождения в некоторых случа­ях может быть обеспечена только при остановке одного из встречаю­щихся судов и смещении его с оси канала. Проходя мимо стоящих у берега судов, необходимо заблаговре­менно снижать скорость движения до минимальной. При плавании по реке большое значение при управлении судном будет иметь течение.

21. Основные понятия морской буксировки. Виды буксировки.

Буксировка в кильватер осуществляется при морских и дальних океанских плаваниях; буксировка борт о борт - в портах, на хорошо защищенных от морской волны акваториях; буксировка толканием - преимущественно на реках и озерах. В настоящее время буксировка толканием стала применяться и на море. Сочлененные барже-буксирные составы, состоящие из очень больших (дед­вейтом примерно 10000 т), оборудованных высокими стойками барж и мощных буксиров с устройством в носовой части для соеди­нения с баржей, используются для перевозок круглого леса из со­ветских дальневосточных портов в Японию. Буксирный караван может состоять из двух судов - буксирую­щего и буксируемого, либо из нескольких буксирующих судов и од­ного крупного плавучего объекта, либо из мощного буксирного судна и состава из нескольких буксируемых плавсредств. Морские и океанские буксировки в кильватер за кормой на бук­сирном канате выполняют после подготовки, в которую входят: тщательная проработка рейса с учетом гидрометеорологических факторов, оборудование каравана буксирными принадлежностями, техническими средствами, необходимыми для обеспечения безопас­ности буксирной операции (линеметательные установки, средства аварийной связи, спасательные средства). В таких случаях исполь­зуют мощные буксирные суда с неограниченным районом плава­ния или транспортные суда, которые дополнительно оборудуют средствами для крепления буксирных тросов либо используют для этой цели штатное оборудование, расположенное в кормовой части судна. К плановым буксирным операциям чаще всего привлекают буксиры-спасатели и ледоколы. Вынужденные буксировки аварийных судов могут выполняться буксирами-спасателями экспедиционного отряда АСПТР или транс­портными судами, находящимися вблизи бедствующего судна. Ка­питан буксирующего судна на месте принимает решение о способе крепления буксирного троса, его длине, скорости движения кара­вана и выборе пути следования.

22. Расчет тяги винта и тяги на гаке буксирующего судна. Паспортная диаграмма тяги.

Максимальный упор, развиваемый буксирующим судном, определим по формуле: Р = 4400*N е /(H в *n), N е = 0,87 * В сопротивление буксируемого судна, кроме того, включается сопротивление застопоренного винта R" б = R" + R зв R" = 6 * W" * V 2 , W" = b" * B" * T" R зв = 2,24 * (D" в) 2 * V 2 , кгс; V - в узлах R S = R б + R" б (R=R0+R1=Rш; Fг=Рш-R0)

23. Определение скорости буксировки и прочности буксирного троса на тихой воде.

V б =V 0 (R0/(R0+R1) 1/2 -скорость буксировки на тихой воде м/с; Fг=R0(V 2 0 - V 2 б)/ V 2 1 - сила тяги на гаке, kH. Допустимая сила тяги на гаке Fдоп= Рразр/k, kH. Где k-коэф.запаса прочности. Vдоп= V б (Fдоп/Fг) 1/2 , уз.

24. Относительное перемещение судов при буксировке на волнении.

Теоретические основы морской буксировки. При плавании на тихой воде горизонтальная составляющая натяжения буксирного троса рав­няется тому сопротивлению, которое оказывает буксируемое судно при данной скорости. Сопротивление буксируемого судна и собственное сопротивление преодолеваются упором гребного винта (буксиров­щика). При неравномерной работе машин буксировщика, рыскании бук­сирующего и буксируемого судов, страгивании с места в начале букси­ровки, резком повороте буксировщика, внезапно налетевшем шквале и в некоторых других случаях, когда наблюдаются рывки и появ­ляются динамические нагрузки, в буксирном тросе могут возникнуть усилия большие, чем максимальный упор гребного винта буксиров­щика. Перечисленные выше причины возникновения в буксирном тросе значительных усилий, превышающих максимальный упор винта, встречаются как при работе на тихой воде, так и при буксировке в штормовых условиях. Но при плавании на взволнованном море или на мертвой зыби в буксирном тросе могут возникнуть усилия, которые во много раз превысят нормальные значения тяги. Это объясняется тем, что буксирующее и буксируемые суда то сближаются, то удаля­ются друг от друга, вследствие чего натяжение буксирного троса все время изменяется. При таком орбитальном движении центр тяжести каждого из судов, если бы око было свободным, описал бы около своего среднего положения некоторую орбиту. Уравнения такой орбиты в параметрической форме: х =а cos(2Пt/τ y =b sin(2Пt/τ) где τ - период волны, с; а и 6 - некоторые постоянные для данного судна и данной волны. Академик А. Н. Крылов показал, что величина а и b не превыша­ют половины высоты волны. Следовательно, если взять значение а рав­ным половине высоты волны, то будет учтен наихудший случай. В приведенном выше уравнении нас интересует только величина х, которая представляет собой изменение расстояния между судами на качке. Влияние вертикальных колебаний судов на усилия в буксир ном канате при принимаемых в морских буксировках длинах буксир­ных линий практически ничтожно. Определим усилия, возникающие при горизонтальных перемеще­ниях буксирующего и буксируемого судов вследствие их орбитального движения при плавании на волнении. Определим характер ускорения движения судна на волнении: х" = - 2л/ τ (a sin(2Пt/τ)) х"" =-4л 2 / τ 2 (a cos(2Пt/τ)). Наибольшее ускорение будет в том случае, если cos(2Пt/τ)=1, х"" =-4л 2 / τ 2 a=w.Усилие, которое возникает в этом случае, F=mx", где т - масса судна, т. Следовательно, для того чтобы воспрепятствовать судну массой т совершать орбитальное движение, к нему необходимо приложить силу, равную F. Наибольшее значение эта сила приобретает при х""=w: Fmax=mw. Таким образом, при морской буксировке необходимо подбирать буксирную линию гак, чтобы расстояние между судами могло нзменяться на значение, равное высоте волны 2а= hв. При этом в буксирных канатах не должно возникать напряжений, превышающих их прочность.

26. Способы подачи и крепления буксирного троса.

Приемы подачи буксирного троса в порту зависят от того, мо­гут суда стать Сорт о борт или не могут. В обоих случаях требу­ется провести некоторые подготовительные работы. На буксиров­щике подготавливают брагу и буксирный трос. На буксируемом судне готовят брагу или отклепывают якорь (якоря) и освобожда­ют якорную цепь для крепления буксирного троса. Если суда могут стать лагом, то после швартовки один конец буксирного троса крепят к якорной цепи или браге, затем трос проводят вдоль борта буксируемого судна так, чтобы он прохо­дил чисто от всех выступающих частей; полезно его в несколь­ких местах прихватить концом из растительного троса. Оставшуюся часть буксирного троса укладывают на корме буксировщика длин­ными шлагами так, чтобы конец, идущий к буксируемому судну мог свободно вытравливаться. Отдельные шлаги следует крепить при помощи схваток к кнехтам. Усилия, затрачиваемые на разрыв этих схваток, будут тормозить вытравливание троса. В качестве более надежного средства против преждевременного вытравлива­ния буксирного троса можно рекомендовать переносные стопоры для тросов. Буксирный трос может быть подан как с буксирующего, так и с буксируемого судна. Если суда не могут стать лагом друг к другу, буксирующее судно становится на якорь впереди буксируе­мого и буксирный трос подают при помощи буксирного катера, ко­торый с буксирующего судна доставит на буксируемое проводник из синтетического троса достаточной прочности для последующей передачи буксирного троса. Буксируемое судно выбирает провод­ник, затем буксирный трос, который крепят одним из указанных ниже способов. Проводник можно подать и другими способам», например с помощью линеметательной установки. Если необходимо начинать буксировку в открытом море, прием подачи буксирного троса выбирают в зависимости от способности буксируемого судна маневрировать. Если буксируемое судно име­ет возможность работать своей машиной, то оно подходит к корме буксирующего судна на такое расстояние, которое позволяет ис­пользовать линеметательные приборы или даже подать бросатель­ный конец. При таком взаимном расположении суда, если возник­нет угроза навала их друг на друга, могут легко разойтись, для чего буксируемому судну нужно только дать ход назад. После по­дачи линя передают проводник из синтетического троса, затем на проводнике подают буксирный трос, который крепят к браге или якорной цепи. Если буксируемое судно не может двигаться, то бук­сирный трос подают с буксирующего судна. Операция подачи буксира занимает длительное время, поэтому прежде всего надо выяснить, какое судно дрейфует по ветру быст­рее: буксирующее или буксируемое. Для этой цели буксировщик подходит к корме буксируемого судна, ложится в створ его мачт, стопорит машины, и с него некоторое время ведется наблюдение за взаимным дрейфом. При подаче буксирного троса далеко в море проводник пере­дают со шлюпки при помощи поплавка или линеметателыюго при­бора. Если подача ведется со шлюпки, то ее спускают с большей частью уложенного проводника. Если невозможно спустить шлюп­ку, проводник можно подать при помощи какого-либо поплавка, который буксирует на длинном лине буксирующее судно. В качест­ве такого поплавка могут быть использованы анкерок, спасатель­ный круг, спасательный нагрудник или какой-либо плавучий предмет. На транспортных судах выбор способа крепления буксирных канатов (тросов) определяется в зависимости от размеров и осо­бенностей устройства судов, наличия средств для крепления бук­сирных тросов, а при вынужденных буксировках - еще и от погод­ных условий. Во всех случаях должно быть обеспечено надежное крепление тросов и предусмотрена возможность изменения длины буксирного троса и его немедленной отдачи. На буксирующем судне буксирный трос может быть закреплен за кнехты или за брагу, обнесенную вокруг прочных судовых кон­струкций на корме. На буксируемом судне, если оно буксируется носом вперед, буксирный трос может быть соединен с якорной цепью или непосредственно с якорем либо закреплен за бра­гу или за кнехты. Рассмотрим некоторые спо­собы крепления буксирных тросов, используемые в морской практике при случайных (вынужденных) буксировках транспортных судов. Самым простым способом крепления буксирного троса на небольшом буксирующем суд­не является его крепление не­посредственно на кнехтах. Буксирный трос прово­дят через швартовный клюз или киповую планку и кладут 1-2 шлага на ближайший по длине судна кнехт, затем крепят его на следующем кнехте. Если кнехтов на борту более двух и они расположены в ряд по длине, то на нервом кладут один шлаг, на втором два и окончательно крепят буксирный трос на третьем. Таким способом крепления на­грузка от буксира распределяется на несколько точек. На корме буксирующего судна обычно нет таких устройств, как брашпиль и якорные цепи. В этой части судна крепление бук­сирного троса значительно сложнее, чем на баке, поэтому заранее готовят для крепления буксира брагу. Брагу крепят большей частью за прочные конструктивные элементы верхних сооружений» за рубку, комингс люка и даже за надстройку. Описанным способом удобно крепить буксирный трос н на ровнопалубных судах, проводя брагу вокруг комингса кормового трю­ма. На кнехт следует накладывать такое число шлагов браги, ко­торое допускается его нагрузкой. Оставшаяся часть тягового уси­лия должна быть передана на комингс грузового люка пли на другие прочностные конструкции, расположенные на палубе судна. Трос браги следует брать такой же прочности, как и буксирный, или делать его из нескольких шлагов. Самым простым способом крепления буксира на буксируемом судне является крепление буксирного троса к двум или одной якор­ным цепям. Такой способ крепления имеет положитель­ные стороны: цепи перетираются не так быстро, как тросы всех ви­дов. Кроме того, крепление за якорные цепи позволяет регулиро­вать длину буксирной линии в довольно широких пределах.

27. Управление судном при буксировке. 28. Способы уменьшения параметров рыскания буксируемого судна.

Буксирный канат закреплен на буксирующем и буксируемом су­дах, и они начинают двигаться. Этот момент является ответствен­ным, так как при движении со значительным ускорением в буксир­ной линии может возникнуть чрезмерное усилие. Когда буксирный канат начинает обтягиваться, необходимо машину застопорить и в дальнейшем увеличивать скорость понемногу. Полную длину буксирного каната устанавливают по выходе на достаточную глу­бину. Изменять курс следует плавно, избегая крутых поворотов даже в том случае, если судно развило постоянную скорость. По достижении судами полной скорости буксировки буксирное устройство необходимо осмотреть. Нагрузка, приложенная к дета­лям и конструкциям, которые служат для крепления буксирного каната, не должна превышать допустимой. Если буксировка осу­ществляется на нескольких канатах, необходимо выровнять их на­тяжения. У места, где возможна отдача буксирного троса, должен быть инструмент, позволяющий или перерубить буксирный трос, или привести в действие отдающее устройство. Может быть предусмот­рено перенесение нагрузки на страховочный трос в случае обрыва основного буксирного троса. На корме буксирующего и на носу буксируемого судов должна быть установлена вахта для наблюдения за работой буксирного устройства. Во время буксировки в шторм курс необходимо располагать так, чтобы орбитальное движение обоих судов оставалось в пределах, допустимых данной бук­сирной линией. Наибольшее влияние орбитального движения обоих судов на усилия в буксирном канате наблюдается при их следовании против вол­ны пли по волне. При плавании курсами, параллельными волнам (лагом к волне), это влияние будет минимальным и проявляется в форме рыскания буксируемого судна. Большое значение имеет со­отношение длины волны и расстояния между судами. Рекомендует­ся иметь такую длину буксирного троса, чтобы и буксируемое, и буксирующее суда одновременно всходили на волну и спускались с нее; при этом разность фаз орбитального движения судов сводит­ся к минимуму.

Все суда, когда они идут на буксире, рыскливы. При буксировке вплотную рыскливости нет, по мере увеличения расстояния между судами путем удлинения буксирного каната начинается рыскание, которое увеличивается до тех пор, пока буксирный ка­нат не войдет в воду. С этого момента рыскание замедляется. Предотвратить рыскание при помощи руля возможно лишь в том случае, если скорость рыскания позволяет рулевому удерживать судно на курсе. Необходимо помнить следующее: чем больше ско­рость буксировки, тем больше рыскает буксируемое судно; чем короче буксирный трос, тем порывистее рыскание; чем длиннее буксирный трос, тем дальше отходит буксируемое судно от курса, но рыскание теряет свою порывистость и позволяет рулевому дер­жать судно на курсе. Увеличение расхождения до требуемого значения может быть осуществлено уменьшением скорости буксировки. Однако такое уменьшение лимитируется управляемостью обоих судов, гак как их управляемость будет падать с уменьшением скорости дви­жения. Поворот на некоторый угол относительно направления бега волн приводит иногда к увеличению бортовой качки, которая может стать нежелательной, например из-за риска потерять палубный груз, но уменьшать скорость не всегда можно, так как это грозит потерей управляемости. Поэтому иногда приходится одновременно применять оба способа маневрирования, т. е. изменять курс отно­сительно бега волн и вместе с тем уменьшать скорость.

5. Обеспечение безопасности якорной стоянки. Способы обнаружения дрейфа судна.

Условия безопасной якорной стоянки. Держащая сила (в Н) якорного устройства F x складывается из держащий силы якоря F я и держащей силы участка якорной цепи, лежащей на грунте: Fx = Fя + (aq f) g, где а - длина участка цепи, лежащей на грунте, м; q - линейная плотность якорной цепи в воде, кг/м; f - коэффициент трения цепи о грунт; g - ускорение свободного падения.

Линейная плотность якорной цепи (в кг/м): в воздухе q= 0.021d 2 ц, в воде q=0,021*0,87^^0.018 d 2 ц, где d u - калибр якорной цепи, мм. Коэффициент трения при протаскивании якорной цепи по раз­личному грунту (без учета присасывания) определяется по табл. Держащая сила может быть получена через массу якоря G и удельную держащую силу К: K = F я /gG = 0.73γ г (b як /l як)(66/М як)h 3 як где g - ускорение свободного падения (9,81 m/c s); γ г - плотность грунта, т/м 3 ; b як - ширина лапы якоря, м; l як - длина лапы якоря, м; М як - величина, зависящая от типа якоря и глубины погружения его лап; h як - погружение лапы якоря, м. h як = l як sinα як; здесь α як - угол наклона лап якоря, ° (для якоря Холла а=45°). Безопасность якорной стоянки зависит от совокупности ряда фак­торов: состояния судна, характера грунта и в первую очередь гидрометеорологической обстановки. Следует всегда помнить, что даже самая благоприятная якорная стоянка при определенном изменении гидрометеорологических условий может оказаться небезопасной и потребуется немедленная съемка с якоря для перемены места стоянки или выхода в открытое море. В связи с этим категорически запрещается при стоянке судна на якоре производить в машинном отделении какие-либо работы, связан­ные с выводом из строя главного двигателя, рулевого и якорного уст­ройств. Машина должна находиться в готовности, срок которой уста­навливается капитаном судна в за

§ 24. Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус плавающего по воде судна действуют постоянные и временные силы. К постоянным относятся статические силы, такие, как вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса - силы поддержания. К временным следует отнести силы, появляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды.

Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равенство их равнодействующих, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, как известно, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как переборки, надстройки, мачты, механизмы, установки, грузы и т. п. Фактически получается так, что на одном участке по длине корпуса силы веса преобладают над силами поддержания, а на другом - наоборот.

Рис. 39. Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 - кривая сил веса; 2 - кривая сил поддержания.

От непропорционального распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна (рис. 39).

При плавании судна на взволнованной поверхности на его корпус действуют силы поддержания, все время меняющие свою величину на отдельных участках длины судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях. От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (рис. 40, а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (рис. 40, б).

Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.