Основы теории парусной яхты
Требования, предъявляемые к парусной яхте
Чтобы передвигаться по воде достаточно быстро и безопасно, яхта должна обладать известными мореходными качествами.
Главные мореходные качества всякого судна – плавучесть, остойчивость, ходкость и поворотливость. Кроме того, парусная яхта должна быть способной нести паруса.
Все эти качества судно должно сохранять при любых условиях плавания, то есть швертботы – в условиях рек и озер, гоночные килевые яхты – в условиях прибрежного морского плавания, мореходные крейсеры – в условиях открытого моря и т. д.
Изучение мореходных качеств является предметом специальной науки – теории корабля, на основных элементах которой применительно к парусной яхте мы и остановимся в этой главе.
Плавучесть – это способность судна держаться на воде (плавать). Она должна сохраняться при нагружении судна, его движении и преодолении волн.
Рис. 76. Главные размерения килевой яхты
Всякое плавающее судно в спокойном состоянии находится на воде в равновесии под действием двух сил: веса судна, направленного вертикально вниз, и силы давления воды на подводную часть его, направленной вертикально вверх. Сила давления воды на подводную часть корпуса называется силой плавучести. По закону Архимеда сила плавучести равна весу воды, вытесненной судном.
Вес воды, вытесненной судном, называется весовым водоизмещением судна, или просто водоизмещением. Отличают еще объемное водоизмещение, или объем воды, вытесненной судном.
Весовое водоизмещение измеряют в тоннах (реже-в килограммах), объемное – в кубических метрах. В пресной воде объемное водоизмещение равно весовому, так как кубический метр пресной воды весит одну тонну.
Одно и то же судно с определенным весовым водоизмещением (всегда равным весу судна) в разной воде может иметь разное объемное водоизмещение. В пресной воде объемное водоизмещение больше, чем в соленой, так как соленая вода тяжелее пресной и при равном весе занимает меньший объем. Поэтому суда в пресной воде сидят глубже, а в соленой – мельче.
С этим явлением яхтсменам зачастую приходится сталкиваться при обмере судов: килевая яхта будет иметь большую длину по ватерлинии (по зеркалу воды) в пресной воде, чем в соленой (рис. 76).
Объемное водоизмещение судна определяется его формой, а также длиной и шириной по ватерлинии и осадкой.
Длина по ватерлинии измеряется в диаметральной плоскости, между точками пересечения передней и задней кромок судна с плоскостью воды.
Ширина по ватерлинии измеряется в самом широком месте судна (в плоскости мидельшпангоута).
Осадкой называется расстояние самой углубленной точки подводной части судна от поверхности воды.
Если судно имеет вид прямоугольного понтона с вертикальными стенками, то очевидно, что объемное водоизмещение его равняется объему параллелепипеда с гранями, равными длине по ватерлинии, ширине по ватерлинии и осадке. Конечно, всякое судно с определенными длиной и шириной по ватерлинии и осадкой будет иметь меньшее водоизмещение, чем понтон с такими же размерами. Отношение объемного водоизмещения судна к объему параллелепипеда со сторонами, равными длине по ватерлинии, ширине по ватерлинии и осадке, называют коэффициентом полноты водоизмещения. Чем больше этот коэффициент, тем больше полнота обводов судна или полнота судна. Чем тихоходнее судно, тем обычно больше его полнота. Например, для тихоходных коммерческих судов этот коэффициент (в теории корабля он обозначается греческой буквой d- «дельта») равен примерно 0,8; для крупных военных кораблей и торговых парусников-от 0,6 до 0,7, для миноносцев и легких крейсеров – от 0,45 до 0,50. Парусные яхты имеют еще меньшие коэффициенты полноты. Так, для швертботов d= 0,28-0,33; для гоночных килевых яхт d=0,12-0,17; для крейсерских килевых яхт d=0,19-0,22.
Зная коэффициент полноты водоизмещения, можно приближенно подсчитать объемное водоизмещение судна, помножив этот коэффициент на произведение длины по ватерлинии на ширину по ватерлинии и на осадку. Если это выразить формулой, получим водоизмещение:
V=d * LВЛ* BВЛ* T (м3)
Пример. Надо подсчитать, каково водоизмещение швертбота длиной по ватерлинии 6,5 м, шириной по ватерлиния 1,7 м и осадкой 0,2 м. Если считать в среднем его коэффициент полноты равным 0,3, то по указанной формуле его водоизмещение равно:
V=0,3* 6,5* 1,7* 0,2=0,66 (м3)
При вычислении водоизмещения по этой формуле для швертботов и компромиссов надо брать осадку без шверта, а для килевых яхт – с фальшкилем.
Водоизмещение является мерой плавучести судна, но оно не полностью характеризует плавучесть его и безопасность его плавания.
Главную роль для сохранения плавучести при нагрузке судна играет высота надводного борта F (рис. 76). Судно с низким бортом будет легко захлестываться волной, поэтому высота борта определяется главным образом размером волны в тех водах, где ему предстоит плавать. Вот почему речным швертботам достаточно иметь надводный борт высотой 0,3-0,4 м; мореходным килевым яхтам надо иметь борт значительно выше-0,7-1,2 м. Чтобы яхта легче всходила на волну, высота борта в носовой части делается больше, чем в середине и в корме.
Запас плавучести судна тем больше, чем больше высота надводного борта.
Определяется он объемом надводной части судна от ватерлинии до палубы.
Если порожнее судно загрузить полностью, то оно сядет глубже и его водоизмещение станет больше. Разница между весовыми водоизмещениями груженого и порожнего судна называется его грузоподъемностью.
Остойчивость. Если судно сидит так, что его расчетная ватерлиния не параллельна действительной в продольном направлении (рис. 77), то говорят, что судно имеет дифферент на нос или корму. Дифферент обычно является следствием неверного расчета судна, или неправильного распределения грузов по длине судна, или, наконец, следствием затопления его кормовых или носовых отсеков.
Дифферент может образоваться также под действием гидродинамических сил при движении яхты: с увеличением скорости хода судно приобретает дифферент на корму.
Рис. 77. Крен и дифферент
Из-за несимметричного относительно диаметральной плоскости судна расположения грузов или действия внешних сил (силы давления ветра на паруса и т. д.) судно может иметь крен.
Способность судна противостоять крену и возвращаться в нормальное положение по прекращении действия кренящих сил называется поперечной остойчивостью.
Когда судно плавает без крена, оно находится в равновесии под действием силы плавучести и своего веса. Точка приложения силы тяжести судна со всеми его частями и грузами называется центром тяжести судна (ЦТ). Точка приложения силы плавучести будет находиться в центре тяжести вытесненной судном воды. Эта точка называется центром величины (ЦВ).
Если грузы или экипаж не перемещаются, то в любом положении судна центр тяжести сохраняет свое положение. Центр величины перемещается при крене из-за изменения формы подводной части корпуса.
Когда швертбот плавает без крена, то сила тяжести (вес) судна уравновешивается силой плавучести. Сила плавучести приложена в центре величины (ЦВ) и направлена вертикально вверх. Центр величины расположен в диаметральной плоскости судна, так как очертания подводной части судна без крена симметричны относительно этой плоскости.
Рис. 78. Остойчивость швертбота
Если рассматривать случай, когда все грузы размещены на судне симметрично относительно диаметральной плоскости, то центр тяжести (ЦТ) будет расположен также в диаметральной плоскости судна. Сила плавучести равна весу; они лежат в одной плоскости, и швертбот находится в равновесии (рис. 78, а).
Если швертбот накренится, то центр величины переместится в сторону крена вследствие изменения формы надводной части. Сила тяжести и сила плавучести уже не будут расположены в одной плоскости и образуют пару сил, стремящуюся возвратить швертбот в нормальное положение. Такая остойчивость называется положительной (рис. 78, б).
Мерой остойчивости является произведение весового водоизмещения на расстояние между силами веса и плавучести (плечо остойчивости) -так называемый момент статической остойчивости. Он измеряется в тонно-метрах. При данном крене момент остойчивости швертбота может быть увеличен, если экипаж переместится на борт, противоположный крену (рис. 78, в). Тогда центр тяжести судна переместится в точку ЦТ и плечо остойчивости l, а следовательно, и момент остойчивости также увеличатся. Это обстоятельство широко используют спортсмены, плавающие на швертботах, где для уменьшения крена (увеличения остойчивости) экипаж «вывешивается» за борт, или, как говорят, откренивает судно.
С дальнейшим увеличением крена форма подводной части продолжает меняться, остойчивость сначала достигает наибольшего значения (при угле крена 20-35°), затем постепенно уменьшается, и наконец наступает такое положение, когда сила веса приходит в одну плоскость с силой плавучести и снова наступает положение равновесия (рис. 78, г).
Если придать швертботу больший крен, то действие пары сил будет уже стремиться опрокинуть его (рис. 78, д). Такая остойчивость называется отрицательной. Для большинства швертботов отрицательная остойчивость начинается при углах крена порядка 60-70°.
Посмотрим, как будет меняться остойчивость при действии на судно волны (рис. 79). Набегающая волна вызовет перемещение ЦВ, а значит, и отрицательную остойчивость (рис. 79 справа), и судно начнет крениться в обратную сторону. При проходе следующих волн картина повторится, и судно все время будет раскачиваться на волне. На крупной волне эти качания могут приводить к опрокидыванию швертботов, так как действие бортовой качки в отдельные моменты может совпадать с действием ветра на паруса.
У килевой яхты, где благодаря тяжелому фальшкилю центр тяжести расположен очень низко, зачастую ниже ЦВ. картина остойчивости иная (рис. 80). Как видно из рисунка, килевая яхта с глухой палубой всегда имеет положительную остойчивость, причем с увеличением угла крена она увеличивается и достигает наибольшей величины при крене 90°, когда паруса лежат на воде. Конечно, на практике яхту с открытым кокпитом или плохо задраенными люками при этом зальет водой и она может затонуть, не успев выпрямиться.
Очень своеобразно с точки зрения остойчивости ведут себя катамараны. На рис. 81 показаны силы и моменты, действующие на катамаран при крене. При малых углах крена, когда подветренный корпус погружается в воду, а наветренный выходит из нее, ЦВ энергично перемещается под ветер (рис. 81, б). Наконец, когда наветренный корпус выйдет из воды, плечо остойчивости достигнет максимальной величины (рис. 81,в).
В этот момент плечо остойчивости примерно равно половине расстояния между корпусами, а крен относительно невелик-около 10-12°. В дальнейшем остойчивость уменьшается, и катамаран ведет себя как швертбот, вплоть до переворачивания; при этом он становится вниз мачтой. Начальная остойчивость катамарана очень велика, однако, достигнув максимума, она интенсивно падает. Отрицательная остойчивость у него начинается несколько раньше, чем у швертбота, – при крене примерно 50-60°.
Рис. 81. Остойчивость катамарана
Следует отметить, что для катамарана имеет значение и продольная остойчивость. У килевых яхт и швертботов обычно продольная остойчивость достаточна велика, чтобы не считаться с возможностью сколько-нибудь серьезного дифферента под действием ветра на паруса (даже под спинакером). Узкие корпуса катамарана не имеют столь большой продольной остойчивости, и при свежем ветре он может получить дифферент на нос. В результате нос подветренного корпуса зароется в воду и катамаран опрокинется, как говорят, через скулу.
Мы рассматривали остойчивость яхты под действием какого-либо момента, который вызывает определенный крен. Очевидно, что если кренящий момент, приложенный к яхте, больше момента остойчивости, то судно начнет крениться. С этим сталкиваются, например, когда на яхте, идущей без крена курсом бейдевинд с почти обезветренными парусами, начинают подбирать шкоты, увеличивая силу дрейфа, а значит, и кренящий момент. Так как с увеличением крена кренящий момент от давления ветра на паруса уменьшается, а восстанавливающий момент остойчивости растет, то оба момента придут в равновесие при некотором угле крена и, если ничего не изменится, крен этот будет сохраняться. На рис. 82 показана сравнительная диаграмма остойчивости швертбота и катамарана с одинаковыми парусами; следовательно, при равной силе ветра кренящие моменты у них одинаковы. Кривая А соответствует кренящему моменту при скорости ветра 5-6 м/сек. При этом у швертбота крен будет около 19°, у катамарана – 4°. При усилении ветра кренящий момент возрастает, и наступит положение, при котором для катамарана он будет равен моменту остойчивости в точке 1, соответствующей максимуму остойчивости и кренящему моменту по кривой Б. Из рисунка видно, что в такой ситуации малейшее увеличение крана (или усиление ветра) приведет к опрокидыванию катамарана, так как при большем крене кренящий момент все время больше момента остойчивости. Швертбот же при этом накренится больше (до точки 2). Но при увеличении угла крена момент остойчивости больше кренящего момента. Поэтому он перевернется лишь при силе ветра, соответствующей кривой В, которая проходит тоже вблизи максимума остойчивости (точка 3).
Рис. 82. Остойчивость швертбота и катамарана при действии ветра на паруса
Указанное обстоятельство свидетельствует о том, что хотя швертбот или катамаран сами по себе сохраняют положительную остойчивость до точек 4 и 5 соответственно, но опасность перевернуться возникает значительно раньше, при углах крена несколько больших, чем углы, соответствующие максимуму остойчивости, а вовсе не критическим углам крена (в точках 4 и 5), как иногда думают. Это следует иметь в виду при управлении швертботом, а в особенности катамараном, который в положении / переворачивается весьма стремительно.
Остановимся вкратце на наиболее существенных моментах рассмотренного материала (их надо знать, чтобы грамотно управлять яхтой):
– швертбот и катамаран могут опрокинуться, причем опрокидывание происходит при крене, близком к тому, при котором достигается максимальная остойчивость;
– килевая яхта опрокинуться не может, но если она имеет открытый кокпит, то при большом крене или волне ее может залить, и она затонет;
– бортовая волна раскачивает яхту и уменьшает ее остойчивость; швертбот на большой волне может перевернуться совершенно неожиданно;
– вода, находящаяся внутри судна, существенно уменьшает его остойчивость; при большом количестве ее в трюме швертбота достаточно совсем небольшого крена, чтобы он перевернулся;
– широкое судно остойчивее узкого;
– чем ниже центр тяжести, тем остойчивее судно, и наоборот;
– чем больше площадь парусности и чем выше расположен центр парусности, тем меньше, при прочих равных условиях, остойчивость судна.
Некоторые из этих выводов не объяснены, их придется принять на веру или самостоятельно познакомиться с литературой по теории яхты.
Управляемость судна – это его способность изменять направление движения (поворачивать) под действием руля и парусов. Схема действия руля показана на рис. 83. При движении судна давление воды на руль направлено примерно перпендикулярно плоскости руля. Силу R давления воды на руль можно разложить на две силы: N и Q.
Сила N толкает корму в сторону, противоположную той, в которую положен руль, поэтому судно начинает двигаться не по прямой, а по кривой. Сила Q вызывает добавочное сопротивление движению судна.
Если закрепить руль в одном положении, то судно пойдет примерно по окружности, которая называется циркуляцией. Диаметр или радиус циркуляции является мерой поворотливости судна: чем меньше радиус циркуляции, тем лучше поворотливость, и наоборот.
Наибольшая поворотливость получается, когда руль положен на определенный угол-обычно не больше 15- 20° на килевых яхтах, у которых руль подвешен на ахтерштевне (например, класс «Дракон») и 30-40° на швертботах и килевых яхтах, где руль стоит отдельно от плавника (например, на монотипах класса «Солинг»).
Чрезмерно положенный руль, как видно на рис. 83, только тормозит ход и отнюдь не способствует улучшению поворотливости.
Поворотливость тем лучше, чем короче подводная часть судна и чем ближе к середине расположены места с наибольшей осадкой. Судно с равномерно распределенной осадкой (например, военно-морская шлюпка) обладает значительно худшей поворотливостью, чем парусная яхта с ее коротким, глубоким килем. Швертботы еще поворотливее, чем килевые яхты.
Излишняя поворотливость понижает устойчивость на курсе, то есть способность судна сохранять прямолинейность движения. Излишне поворотливая яхта резко отзывается на малейшее движение руля, а так как рулем приходится работать в какой-то мере постоянно, рулевой на такой яхте быстро утомляется. Большим дефектом является также рыскливость-склонность судна плохо слушаться руля и произвольно бросаться из стороны в сторону. Причинами рыскания чаще всего бывают люфты в рулевом устройстве (руль болтается относительно румпеля), дифферент на нос, попутная волна, слишком сильно выбранный шверт при попутном ветре (у швертботов). С рыскливостью, вызванной конструктивными дефектами судна, иногда удается справиться «домашними» средствами, без помощи верфи, – дифферент на корму и установление плавников дают желаемый результат. Если в рыскание не устраняется, надо обратиться к специалистам по судостроению или опытным путем найти причину дефекта, вызывающего рыскание, и устранить его, если это возможно. У нетренированного и малоопытного рулевого иногда рыскает и совершенно «здоровая» яхта.
Ходкостью (ходовыми качествами) называют способность судна развивать и удерживать скорость хода. Она определяется, с одной стороны, сопротивлением, которое оказывает движению судна вода (и в некоторой степени воздух), а с другой – величиной движущей судно силы, то есть силы тяги парусов.
Чем меньше сопротивление корпуса судна и чем больше сила тяги парусов, тем больше скорость судна.
Сопротивление воды движению яхты складывается из следующих частей: сопротивление трения корпуса о воду, волновое сопротивление и сопротивление формы корпуса. Кроме того, учитывается и сопротивление надводной части судна воздуху, обдувающему корпус (для парусного судна-при движении против ветра).
Для парусных яхт, передвигающихся со скоростями, обычно не превышающими 4-6 узлов, то есть 8-12 км/час, большое значение имеет сопротивление трения поверхности днища о воду. В зависимости от скорости оно составляет от 40 до 80% и более общего сопротивления корпуса. Чем меньше скорость, тем больше доля сопротивления трения в общем сопротивлении корпуса.
При малых скоростях движения (до 2-2,5 узла) сопротивление трения составляет 70-80% общего сопротивления яхты.
Сопротивление трения зависит от гладкости поверхности днища. Чем меньше шероховатость, тем меньше и сопротивление трения. А так как в девяти случаях из десяти гладкость днища яхты зависит только от умения и трудолюбия ее экипажа, то, значит, в его же руках и возможности повышения скорости яхты.
Опытами установлено, что особенно сильно отражается на сопротивлении трения обрастание днища водорослями. Если не мыть днище, то через один-два месяца сопротивление трения увеличится на 40-60 %, что равносильно потере скорости яхты в средний ветер на 8-15%.
По сравнению с зеркально-гладким днищем даже такая малая шероховатость, как 0,2-0,3 мм, увеличивает сопротивление трения небольшой яхты на 15-20%, что равноценно потере скорости до 6%.
Сопротивление трения зависит также от величины смоченной поверхности, то есть погруженной в воду поверхности корпуса. Чем больше смоченная поверхность, тем больше сопротивление трения. Поэтому, например, на швертботах и яхтах с достаточно полными обводами бывает полезно при слабом ветре слегка закренивать судно: геометрические свойства корпуса яхты таковы, что при крене (до известного предела, обычно до 10-15°) смоченная поверхность меньше, чем на ровном киле. При этом сопротивление уменьшается и судно идет несколько быстрее.
Как видим, уменьшение сопротивления трения чрезвычайно важно для повышения быстроходности парусной яхты.
Волновое сопротивление возникает от того, что судно при движении по воде образует на ее поверхности волны. Затрата энергии на их образование определяет величину волнового сопротивления. С увеличением скорости волновое сопротивление растет, причем быстрее, чем сопротивление трения.
Этим и объясняется меньшая доля сопротивления трения при больших скоростях движения.
Волновое сопротивление, кроме того, зависит от длины судна и его водоизмещения, а также от формы корпуса (как говорят, обводов), в частности от его полноты. Чем больше длина судна, тем меньше, при прочих равных условиях, волновое сопротивление.
Точнее говоря, волновое сопротивление существенно зависит не от самой длины яхты, а от ее относительной скорости, которую определяют отношением скорости к квадратному корню из длины по ватерлинии. Опыты показывают, что волновое сопротивление практически отсутствует при относительной скорости
– меньше 0,4-0,45 и начинает интенсивно расти при
больше 0,9.
* Здесь V – скорость в м/сек, L – длина по ватерлинии в м.
При больших скоростях волновое сопротивление увеличивается так сильно, что прирост скорости водоизмещающей яхты становится малозаметным даже при значительном усилении ветра или увеличении площади парусности. Обычным водоизмещающим яхтам практически трудно достичь скорости большей, чем
При этой скорости волновое сопротивление составляет уже 60-70% общего сопротивления.
Сопротивление формы объясняется возникновением завихрений при обтекании корпуса водой. Эти завихрения (рис. 84) образуются на кривых участках корпуса, а также около выступающих частей (киль, рули, пазы обшивки и пр.). Сопротивление формы, как и волновое сопротивление, зависит от обводов корпуса, а также от соотношения его размеров. Чем плавнее линии, по которым вода обтекает корпус, и чем меньше на нем выступающих частей, тем меньше и сопротивление формы.
Экипаж может несколько уменьшить сопротивление формы. Если из пазов обшивки торчит конопатка и выдавилась шпаклевка, если на поверхности днища есть не заделанные заподлицо заплаты, головки винтов, заклепок и т. п., если, наконец, погнут шверт или перо руля, сопротивление формы увеличивается довольно ощутимо. Чтобы уменьшить его, необходимо убрать все ненужные выступы, наплывы краски, выемки на поверхности корпуса, а не убираемым выступающим частям (штевни, плавники, выступающий киль, шверт, руль и т. п.) по возможности придать обтекаемую форму.
Сопротивление формы в значительной степени зависит от соотношения главных размеров яхты – длины и ширины. Чем уже и длиннее яхта и чем острее ее обводы, тем меньше сопротивление формы.
Большое значение имеет правильная профилировка шверта у швертбота и плавника фальшкиля у килевой яхты. Если шверту или плавнику придать профиль, подобный профилю крыла самолета, то можно несколько уменьшить сопротивление подводной части.
Наконец, для получения хороших ходовых качеств при лавировке, то есть когда яхта идет против ветра (при большой силе дрейфа), она должна иметь достаточное боковое сопротивление.
Лавировочные качества яхты определяются не только величиной площади ее бокового сопротивления, но и его распределением: чем глубже под воду опущен киль или шверт, тем больше сопротивление дрейфу, а раз дрейф меньше, то она идет круче к ветру.
Значительное влияние на сопротивление движению яхты оказывают крен и дрейф. Установлено, что при увеличении крена сверх известного для каждой яхты предела общее сопротивление увеличивается. До крена 10-15° яхты с обычными обводами имеют даже меньшее сопротивление, так как при этом уменьшается смоченная поверхность. Однако при большем крене сопротивление корпуса возрастает довольно резко – на 15-25% при крене 30-35°. Это приводит к уменьшению скорости судна. Кроме того, при крене сильно падает тяга парусов, что еще больше уменьшает скорость хода. Поэтому откренивать швертбот или небольшую килевую яхту нужно не столько для того, чтобы уменьшить возможность опрокидывания или заливания водой через кокпит, сколько для увеличения скорости хода.
Именно поэтому опытные яхтсмены на малых судах, где весом экипажа можно существенно уменьшить крен, стараются откренивать яхту, насколько позволяют правила и физические возможности. В ряде классов швертботов разрешается применять «летучие трапеции» – приспособления, позволяющие матросу откренивать судно, вывешиваясь за борт во весь рост. Это дает возможность вести яхту почти без крена на всех курсах и при сильном ветре.
Дрейф также очень сильно сказывается на сопротивлении. Обычно килевая яхта имеет дрейф примерно 2-4 , а швертбот – 5-6°. Опыты показали, что увеличение (или уменьшение) дрейфа на 1° вызывает рост (или уменьшение) сопротивления яхты на 8-10%. Таким образом, если бы мы добились уменьшения дрейфа килевой яхты с 3 до 2°, то уменьшили бы ее сопротивление на 8- 10% и судно пошло бы круче на 1°. Это дало бы возможность увеличить скорость прохождения дистанции в лавировку на 4-6% (2-3 мин. на каждый час лавировки).
Дрейф и появляющееся в результате добавочное сопротивление также неизбежны (на острых курсах), как неизбежно при этом возникновение и силы дрейфа. К сожалению, невозможно совсем избавиться от дрейфа, но совершенно реально уменьшить добавочное сопротивление от него, умело используя паруса и управляя яхтой с минимально возможным дрейфом.
В уменьшении дрейфа швертбота большую роль играет достаточная площадь шверта и правильная центровка. Площадь выступающей части шверта не должна быть меньше 2,5-3% площади парусности, иначе швертбот будет иметь повышенный дрейф и пойдет в лавировку много хуже.
