Сопротивление судна, распределение водоизмещения.

Сопротивление воды движению яхты судостроители рассматривают состоящим из двух основных составляющих: сопротивления трения и сопротивления формы. Сопротивление трения зависит от шероховатости смоченной поверхности обшивки. Уменьшение смоченной поверхности наружной обшивки и уменьшение вязкости воды путем добавления в наружные слои обшивки определенных полимеров являются испытанными средствами для снижения сопротивления трения, которое на малых скоростях движения яхты составляет значительную долю общего сопротивления.

Использование полимеров может уменьшить сопротивление трения до 36 %, однако для судов, участвующих в гонкax, этот способ запрещен вcеми спортивными парусными организациями. Тщательной полировкой поверхности подводной части с помощью высококачественной пасты можно снизить сопротивление трения самое большее на 15%. Сильное обрастание подводной части, наоборот, ведет к повышению сопротивления трения на 50% выше. Наиболее эффективной мерой уменьшения сопротивления трения является, следовательно, уменьшение смоченной поверхности.

За последние годы это выразилось в широком применении коротких килей, благодаря чему сопротивление трения yдалось снизить на 30% и даже больше без ощутимого урона других качеств яхты. Улучшились управляемость и остойчивость на курсе по сравнению с традиционными яхтами имеющими длинный киль, и снизилась стоимость постройки благодаря более простым обводам корпуса. Сопротивление формы, вызванное образованием волн и вихреобразованием за выступающими частями (рулями, килями, кронштейнами гребного вала и т. д.), так просто уменьшить нельзя.

Aнглийский физик Вильям Фруд в конце 18-того века  установил зависимость сопротивления от относительной скорости. Уже в конце 19-того столетия точная оценка сопротивления формы в крупном судостроении проводилась на основании испытаний моделей судов в бассейне. В яхтостроении этот метод начали использовать только с середины текущего столетия, хотя и раньше, например, для разработки гоночных яхт, делались попытки исследования сопротивления формы. Из — за высокой стоимости испытаний моделей только в последние десятилетия стали проводить систематические исследования сопротивления формы парусных яхт.

Но поскольку на основные элементы проектов яхт, подвергнутых исследованиям влияют формулы обмера (RORC, ССА и IOR), их результаты имеют весьма ограниченную ценность. Дизайнеру  яхты приходится иметь дело с гидродинамикой быстроходных водоизмещающих судов, которые развивают скорость в области чисел R=2,5…4,0 (R=V/-VL,  где V-скорость в узлах;  L —  длина корпуса по ватерлинии КВЛ, м). Эти числа соответствуют абсолютным скоростям яхты длиной по КВЛ 10 м, равным   7,9 — 12,7 уз.

Как видно из графика в этом интересном диапазоне скоростей находится так называмый горб сопротивления, обусловленный ростом волнового сопротивления (составная часть сопротивления формы, вызванная затратами энергии на образование волн у корпуса судна). Скорость, соответствующая горбу сопротивления, называется среди специалистов предельной скоростью водоизмещающего корпуса. Она равна 2,43 -V L , что дает 7,7 уз для судна с длиной ПО ватерлинии 10 м.

Это, однако, устаревшая контрольная цифра. Каждый яхтсмен, плавающий на современной быстроходной гоночной яхте, знает из собственного опыта, что предельная скорость корпуса, по крайней мере, при плавании полными курсами под спинакером, временами может быть значительно превышена. Яхтсмен, плавающий на тяжелой туристской яхте или моторном паруснике типа рыболовного тендера, может не мeнять cвoегo мнения о непреодолимости звукового барьера.

«Длина бежит»  старое меткое выражение — и это верно. Имеют в виду, конечно, не смоченную длину корпуса по ватерлинии, к которой чаще вceгo относят значение скорости, а действительную, или эффективную, длину ватерлинии. Несомненно, однако, что распределение водоизмещения по длине является исходным моментом в определении этой эффективной длины.

Распределение водоизмещения наглядно представляется строевой по шпангоутам яхты, отдельные ординаты которой образуют площади шпангоутов. Херрешоф —  один из самых известных сторонников систематизированного проектирования яхт —  считает синусоиду идеальной кривой распределения водоизмещения. Из теории проектирования крупных судов, однако, известно, что большие объемы в оконечностях судна (на самых крайних концах строевой па шпангоутам) сказываются положительно на снижении сопротивления воды при водоизмещающем плавании.

Так появился носовой бульб, который успешна применяли на больших моторных яхтах, на у бале мелких и парусных яхт попытки использовать eго не дали положительного результата. Так как небольшая яхта на ходу под парусами не обходится без килевой качки на волне то получаемое небольшое преимущество в демпфировании качки не окупается вследствие роста сопротивления  формы.

Сравнение строевой по шпангоутам нормального судна с коротким килем и современной быстроходной водоизмещающей яхты показывает значительное совпадение кривых в носовой части. На графике с нанесенными строевыми по шпангоутам для яхт разного типа бросаются в глаза черезвичайно малые объемы в области носовой части у судна с длинным килем – одного из однотонников построенных в Германии. Эта яхта оказалась одной нз самых тихоходных на международных регатах.

Иначе обстоит дело с рспределенным водоизмещением в кормовой части корпуса . Кто из дизайнеров впервые пришел к мысли о распределении большего водоизмещения в корме, неизвестно. Бриттон Ченс, например, существенно улучшил ходовые качества двенадцатиметровика «Интерпид» благодаря концентрации водоизмещения в кормовой части судна и эта яхта уверенно победила конкурентов гонке на Кубок Америки в 1970году.

Смещение объемов подводной части в корме в основном обеспечивало успех, хотя в некоторых случаях не давало желаемого результата. В этих случаях дизайнеры не учитывали, что смещение центра величины в корме должны сопутствовать более плоские обводы кормы, необходимые для достижения высоких скоростей.

Наряду с распределением водоизмещения по большой длине киля нового вида способствовало созданию такой скорости яхты, которая считалась до сих пор недостижимой. Вместо якобы превышаемой 2,43V-L=6.9узла при длине по КВЛ 8,15 метра была легко достигнута скорость 9 узлов, что соответствует значению V=3.15V-L.

Вполне очевидно что в этой области на корме судна действуют уже значительные динамические силы поддержания, поэтому при правильном сочетании обводов кормы яхты с новым типом киля имеются предпосылки для перехода от быстроходной водоизмещающей яхты к глиссирующему паруснику с мотором. В любом случае растянутое по длине распределение водоизмещения для быстроходных водоизмещающих судов с правильным обтеканием корпуса нуждается в тщательной разработке.

Источник:  К. Рейнке. Л. Лютьен. И. Мус.  Постройка яхт.