Ходкостью называется способность судна перемещаться на воде с заданной скоростью при определенной мощности двигателя. Ходкость является одновременно мореходным качеством и маневренным элементом судна. Инерция является только маневренным элементом судна.
1. Ходкость
Скорость движения или ход сообщается судну в результате работы двигателя и движителя.
Сила, которая сообщает судну движение, называется упором. Мощность судового двигателя, приводящего в действие движитель (гребной винт и т. д.), зависит от назначения судна и его габаритов. Не вся мощность двигателя используется движителем для создания упора. Часть мощности теряется бесполезно в виде потерь на трение в подшипниках и в других движущихся частях машины и гребного вала. Часть мощности теряется еще и при взаимодействии винта с водой.
Отношение полезной мощности, использованной на создание упора N y к полной мощности двигателя N называется полным коэффициентом полезного действия – к.п.д. Для маломерных судов в зависимости от качества выполнения линии гребного вала и винта полный к.п.д. обычно составляет от 0,45 до 0,55.
Чем меньше сопротивление воды, тем большую скорость сообщит упор судну. Поэтому скорость движения зависит не только от мощности мотора, но и от обводов корпуса, от качества его окраски и от соотношения ширины, длины и осадки судна.
Обводы корпуса с малым сопротивлением движению существенны для судов с большой скоростью, например для спасательного катера, но совершенно не обязательны для туристских катеров. При дальних туристских плаваниях на судах с большой скоростью все внимание судоводителя будет направлено на отыскание фарватера. Обход препятствий лишит его возможности испытать прелести похода. Кроме того, быстрое движение судна лишает и других участников похода возможности любоваться окружающей природой, а при волнении, даже небольшом, утомляет их.
При разгоне судна упор растет с увеличением скорости судна, но это продолжается до некоторого предела, после чего сила сопротивления становится равной упору, т. е. судно начинает двигаться равномерно, с постоянной скоростью.
Для водоизмещающих круглодонных небыстроходных судов (катеров), больших туристских и рабочих лодок с подвесными моторами скорость можно ориентировочно определить по формуле:
Для полуглиссирующих быстроходных катеров с V-образными обводами и водоизмещением до 5 т, а также для лодок с подвесным мотором скорость определяется по формуле
где N – мощность двигателя, л с.;
L – длина корпуса по грузовой ватерлинии, м;
D – весовое водоизмещение с командой, грузом и топливом, т;
V – скорость хода, км/час.
На очень малом ходу судно плохо слушается руля, так как давление воды на руль небольшое. Увеличение скорости способствует улучшению поворотливости судна.
Самой малой скоростью или самым малым ходом называют наименьшую скорость, при которой судно слушается руля и способно управляться. Малый ход равен 50% полного хода, который принимают за 100%, а средний – 75%.
Скорость хода измеряется расстоянием, которое проходит судно в единицу времени и выражается в узлах (милях в час), километрах в час и в метрах в секунду.
Скорость хода для каждого судна определяется опытным путем (см. §26).
Ходкость судна характеризуется скоростью хода и инерцией, от которых зависит успешное маневрирование судна, и для каждого судна они индивидуальны.
В режиме плавания судна, при котором его вес полностью уравновешивается гидростатической силой поддержания, с началом движения на судно действует горизонтальная сила сопротивления водной среды. Эта сила направлена противоположно движению судна и называется сопротивлением воды. Чем больше скорость хода судна, тем больше сопротивление воды. Кроме сопротивления водной среды, или гидродинамического сопротивления, на судно действует сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), особенно увеличивающееся при сильном встречном ветре.
Полное гидродинамическое сопротивление состоит из сопротивления формы (вихревого и волнового сопротивления) и сопротивления трения.
Волновое сопротивление – это сила сопротивления воды, возникающая при движении судна, раздвигающего воду, и связанная с потерей энергии на волнообразование. Волновое сопротивление зависит от скорости судна, размерений и обводов его, глубины фарватера. С уменьшением скорости уменьшается волновое сопротивление. Относительная величина волнового сопротивления зависит от ободов подводной части корпуса судна. Судно с неудачными обводами вызывает большую волну при своем движении. Судно с хорошими обводами может волны почти не вызывать.
Вихревое сопротивление вызывается выступающими частями подводной части судна, например транцем, угловым ахтерштевнем, а также шероховатостями днища.
Сопротивление трения определяется вязкостью или силой сопротивления взаимному перемещению слоев воды. Слой воды, прилипший к обшивке корпуса, увлекается движущимся судном и называется пограничным слоем. Благодаря хаотическому тепловому движению молекулы воды из пограничного слоя переходят в прилегающий к нему слой воды и уносят некоторое количество движения, сообщенное им движителем судна. Уменьшение количества движения по второму закону Ньютона равно отрицательному импульсу силы, что и объясняет возникновение сил вязкого трения. Шероховатости увеличивают толщину пограничного слоя. Величина сопротивления трения тем больше, чем больше площадь смоченной поверхности обшивки корпуса и степень ее шероховатости, чем больше скорость хода и вязкость, определяемая плотностью и температурой воды. Сопротивление трения увеличивается с увеличением плотности воды и с уменьшением ее температуры. При одинаковой длине, ширине и осадке судна сопротивление трения всегда меньше у судов с закругленным поперечным сечением корпуса.
При увеличении скорости движения судна ввиду плохой сжимаемости воды давление в носовой части судна увеличивается и падает перед винтом. Носовая часть судна поднимается из воды, корма садится (увеличивается дифферент на корму) и днище судна начинает двигаться под углом к поверхности воды. На глиссирующее судно начинает действовать гидродинамическая подъемная сила, уменьшающая гидростатическую силу поддержания. При малой скорости гидродинамическая подъемная сила незаметна, но с увеличением скорости она увеличивается. Поэтому судно с плоским днищем при определенной скорости можно заставить скользить по поверхности воды или глиссировать.
В режиме глиссирования гидродинамическое сопротивление значительно меньше, чем при водоизмещающем режиме движения судов. Особая конфигурация корпуса глиссера обеспечивает ему быстрый переход из водоизмещающего режима в режим глиссирования, особенно если на днище имеется выступ-редан. Редан при сравнительно небольшом увеличении мощности значительно увеличивает скорость, которая у некоторых групп глиссеров достигает 200 км/час.
Общей оценкой глиссера является отношение его полного водоизмещения к мощности его двигателя. Иногда для той же цели применяют обратную величину, т. е. мощность двигателя, приходящуюся на единицу веса.
Глиссеры при хорошей скорости не обладают хорошими мореходными качествами, грузоподъемность их сравнительно мала. Поэтому глиссеры обычно используются только как спортивные суда.
При встрече даже с небольшой волной плоское днище глиссера испытывает сильнейшие удары, вызывая тряску. Это не только отражается па прочности судна, но и быстро утомляет команду.
Безреданные катера с глиссирующими обводами движутся при небольшом остаточном водоизмещении, они могут развивать большую скорость и иметь большую грузоподъемность. Эти суда менее чувствительны к волне, чем глиссер, и успешно преодолевают небольшие волны. Поэтому у них район плавания больше, чем у глиссеров. Такие катера используются как спасательные, разъездные, туристские.
Сейчас построены и строятся суда на подводных крыльях, у которых корпус судна глиссирующий, а под корпусом делаются несущие поверхности – подводные крылья. На самом полном ходу корпус такого судна движется в воздухе – над водой.
При одинаковой площади и скорости подъемная сила подводного крыла в три-четыре раза больше, чем у редана. Гидродинамические качества крыла зависят от угла атаки и удлинения крыла. Суда на подводных крыльях имеют большие скорости, экономичны, более мореходны, чем глиссеры. Это обусловлено тем, что при движении на крыльях корпус находится над водой и не испытывает ударов волн, а при плавании на малых скоростях уменьшается качка. Наилучшая мореходность достигается тогда, когда вес катера приблизительно поровну распределяется на носовое и кормовое крыльевые устройства.
Суда на подводных крыльях могут идти над небольшими волнами, а при большой волне уменьшить ход и двигаться как обычные водоизмещающие суда; они всегда должны следовать по судоходному фарватеру или по местам, где глубины известны. Эти суда ввиду увеличенной осадки не всегда могут подойти для стоянки к неизвестному и недооборудованному берегу и зайти в мелководный залив из опасения повредить крылья на малой глубине, но на полном ходу они имеют малую осадку и могут преодолевать мелководье. Моторная лодка на крыльях дли-пой 4-5 м обычно преодолевает волну высотой 0,2 м, а катер длиной 8-9 м – 0,4 м.
2. Инерция
Любое судно после выключения двигателя не сразу останавливается, а некоторое время продолжает двигаться по инерции.
Инерция как маневренный элемент судна характеризуется временем и расстоянием, которое пройдет судно от момента изменения режима работы двигателя до момента установления нового состояния движения судна.
Инерционные характеристики судна необходимо знать и учитывать при швартовке, расхождении, шлюзовании, постановке на якорь и т. д.
Инерционные характеристики своего судна судоводитель может установить опытным путем во время практического плавания. Нужно знать расстояние, проходимое судном после переключения хода с полного на стоп, со среднего на стоп и т. д., время от момента выключения двигателя до полной остановки судна, какие расстояния проходит судно в прежнем направлении после изменения ходов с переднего на задний, с заднего на передний и т. д.
В частности во внимание принимаются максимальные инерционные характеристики и конкретно выбег или свободное движение судна по инерции, проходимое после остановки двигателей, когда инерция гасится только за счет силы сопротивления воды. Выбег для глиссирующих мотолодок и катеров не превышает 50 м, а для катеров на подводных крыльях – 120 м.
Активное торможение производится путем реверса двигателей для гашения инерции движения работой двигателей на задний ход до величины, соответствующей остановке судна относительно (дна) берега.
Активное торможение совершается чаще всего экстренно при угрожающих судну обстоятельствах.
На речном флоте 30% аварий происходит из-за неправильного маневрирования, связанного с недостаточным знанием судоводителями маневренных характеристик флота, что в полной мере относится и к инерционным характеристикам судов в реальных путевых условиях *.
* По В. Павленко и Н. Солареву.
Определение расстояния, которое судно проходит по инерции с момента выключения мотора после хода на полной скорости, можно произвести следующим образом. Разогнав судно до полной скорости, нужно выключить мотор и одновременно выбросить на воду чурку; после того как судно прекратит свое движение, выбрасывают вторую чурку. Расстояние между чурками может быть измерено так же, как это описано в § 45 при определении циркуляции.
Желательно проверить инерционные характеристики, получаемые от остановки двигателя на различных режимах движения судна и свести их в специальную нижеприводимую таблицу.
Инерционные характеристики как маневренные элементы судна зависят от многих постоянных и изменяющихся причин и условий:
1. Инерционные характеристики судна тем больше, чем большую скорость развило судно и чем больше оно загружено.
2. Время остановки судна, изменения направления или скорости его движения зависит от того, насколько быстро изменится режим работы винта, от мощности двигателя и от упора винта при работе на задний или передний ход.
3. Чем больше глубина под килем судна, тем до определенных пределов больше инерционные характеристики движения судна.
4. Инерционные характеристики движения относительно дна у судна, идущего против течения, меньше, чем у судна, идущего по течению. Скорости относительно дна для судов, идущих вверх и вниз по течению, могут сильно отличаться.
5. Чем больше надводная часть судна, тем больше его парусность; при попутном ветре потребуются большие расстояния и много времени для того, чтобы погасить инерцию движения судна.
6. Встречный ветер уменьшает инерционные характеристики, попутный – увеличивает время и расстояние, необходимое для остановки судна.
Следует иметь в виду, что идущие с большой скоростью суда на крыльях имеют большее свободное торможение по расстоянию, чем водоизмещающиеся суда. На моторных лодках и катерах с подвесными моторами на подводных крыльях после резкого снятия газа набегающий поток воды энергично откидывает двигательное устройство на фиксатор, а судно на свободном торможении продолжает скользить на крыльях до потери скорости.