Источник: сайт www.johnsboatstuff.com
Перевод Ольги Николаевской.

Те из нас, кто ходит на небольших яхтах, быстро учатся ценить остойчивость. Порыва ветра или большой волны бывает достаточно, чтобы промокнуть. Лодки большего водоизмещения, особенно сконструированные для крейсерского плавания, реагируют намного медленнее и обычно производят впечатление гораздо более остойчивых. В нормальных условиях практически все большие лодки достаточно остойчивы, но будет ли это верно в жестокий шторм? Будут ли они неистово раскачиваться, смогут ли выйти из сильнейшего крена? Собираетесь вы на однодневную прогулку или отправляетесь в кругосветное плавание, важно, чтобы вы знали ответы на эти вопросы и понимали ключевые факторы, определяющие остойчивость.

Остойчивость - это сопротивление, оказываемое лодкой силам, которые приводят к возникновению крена. Обычно эти силы постоянные, как, например, давление ветра на паруса, но штормовые условия могут ввести в игру динамические усилия (порывы ветра или разрушительные волны). Оценка общей остойчивости океанских крейсерских судов требует учета факторов как статической, так и динамической остойчивости. Тут задействованы четыре ключевых фактора:
- центр тяжести, определяющий балластовую остойчивость (остойчивость веса),
- центр плавучести, управляющий остойчивостью формы,
- водоизмещение, влияющее на статическую и динамическую остойчивость,
- момент инерции, характеризующий динамическую остойчивость.

Первые три фактора определяют статическую остойчивость. Это обычно демонстрируется кривой зависимости выпрямляющего плеча от угла крена, как показано на рис.1. Длина выпрямляющего плеча - это расстояние по горизонтали между центром плавучести и центром тяжести. "Восстанавливающий момент", который характеризует остойчивость, является просто произведением выпрямляющего плеча и водоизмещения. Выпрямляющее плечо начинается с нуля, достигает максимума при крене около 40 градусов и затем снова снижается к нулю приблизительно при 130 градусах. Угол крена, при котором выпрямляющее плечо становится равным нулю, обычно называют "углом положительной остойчивости" (в нашей литературе обычно "угол заката" - прим. вебмастера). Когда крен превышает это значение, лодка опрокидывается.

Рис.1: диаграмма статической остойчивости.

Принято связывать большой угол положительной остойчивости с "хорошей остойчивостью", но сам по себе он не является хорошим показателем остойчивости. Например, бревно с небольшим грузом, прибитым с одной стороны, будет иметь очень большой угол положительной остойчивости (почти 180 градусов), но у него будет очень малое сопротивление крену. Лодка, построенная подобным образом, с округлым днищем и очень малым балластом, будет опасной, так как будет сильно раскачиваться и сможет нести только малый парус. Катамараны находятся на другом конце шкалы, исключительно остойчивые при малых кренах, но с сильно ограниченным углом положительной остойчивости. Площадь под кривой статической остойчивости, показывающая, как много энергии требуется для опрокидывания лодки, более важна, чем угол положительной остойчивости, и ее рассмотрение является лучшим методом анализа этих графиков. Поскольку фактический восстанавливающий момент равен произведению выпрямляющего плеча и водоизмещения, тяжелые лодки по природе своей более остойчивы, чем легкие, при прочих равных условиях.

Остойчивость, управляемая центром тяжести (остойчивость веса), очевидна. Тяжелые лодки с низким расположением центра тяжести, обычно показывают высокую остойчивость. Остойчивость, управляемая центром водоизмещения, часто называемая остойчивостью формы, определяет влияние центра остойчивости на угол крена. Как правило, чем шире корпус, тем выше остойчивость формы, но при предельных углах наклона на остойчивость формы также влияют высота надводного борта, выпуклость палубы и размеры рубки.

Динамическая остойчивость определяет, насколько сильно кренится судно в ответ на порыв ветра или удар сильной волны. Остойчивое крейсерское судно должно без ущерба противостоять этим динамическим воздействиям до их прекращения. Большое водоизмещение улучшает динамическую остойчивость, но наиболее важный фактор - момент инерции судна. Момент инерции вычисляется перемножением веса каждого элемента судна и квадрата его расстояния от центра тяжести. Квадратичная зависимость делает эту величину очень зависимой от того, насколько тяжелые предметы удалены от центра тяжести. Например, швертбот, на котором два человека сидят по центральной линии на носу и корме, обладает меньшим моментом инерции, чем такой же швертбот с теми же людьми, сидящими по бортам. У этих лодок один и тот же вес, тот же центр тяжести, тот же центр плавучести (формы, водоизмещения), но перемещение людей от центральной линии существенно повышает момент инерции. Если две идентичные лодки встретят порыв ветра, наименьшую качку будет испытывать лодка с набольшим моментом инерции. Корпуса с глубокой осадкой, большим водоизмещением и высокими тяжелыми мачтами имеют наибольший момент инерции.

Проектировщики судов редко предоставляют достаточно деталей, чтобы мы могли оценить остойчивость. Будущий покупатель, как правило, зависит от советов различных "экспертов", журнальных обозрений, и отрезвляющих "свидетельских показаний" других яхтсменов. В то время как такие источники нельзя оставлять без внимания, возможно "разобрать" существующие проекты, используя только основные размерения, такие как максимальная длина, ширина корпуса, водоизмещение, осадка и балласт, и определить их относительную остойчивость в сравнении со стандартной. Ключевым моментом этой методики является создание стандарта, или эталона, основанного на характеристиках проектов, заведомо имеющих прекрасную остойчивость. Если проверяемая нами лодка близка к этому эталону, можно считать, что ее основная конструкция разумна и подобна конструкции судов, ставших прототипом эталона.

Чтобы этот процесс работал, чрезвычайно важна верность эталона. Мой подход к этой проблеме - разработать эталон, опираясь на существующие проекты уважаемых и признанных дизайнеров крейсерских судов. Мало кто станет оспаривать качество проектов Карла Олберга, Джона Олдена, Билла Крилока, Теда Бруэра, Лайла Хесса, Тэда Худа, Эла Мейсона, Чака Пейна и Роберта Перри. Я собрал данные о 118 лодках этих девяти конструкторов и проанализировал их, принимая во внимание шесть основных вычисляемых параметров:
- отношение водоизмещения к длине по ватерлинии;
- отношение площади парусов к водоизмещению;
- отношение наибольшей длины к ширине;
- риск опрокидывания;
- фактор комфортности;
- отношение максимального объема к объему корпуса.
Затем я применил метод "размытой логики", чтобы выбрать из моей базы данных, содержащей более 840 однокорпусных парусных судов, лодки, которые обладают полной совместимостью с этими параметрами. Размытая логика позволила расположить эти лодки с учетом того, насколько близко они находятся к эталону, построенному на основании параметров, полученных от выбранных конструкторов крейсерских судов. Все проекты из отобранных 118 были близки к усредненному. Те 55 (более 50%), что находились наиболее близко, были выбраны для построения эталона. Среднее значение их размерений и среднеквадратическое отклонение (СИГМА) приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1: ЭТАЛОН ОСТОЙЧИВОСТИ.

МАКСИМАЛЬНАЯ ДЛИНА, фут
41
4.6
ДЛИНА ПО ВАТЕРЛИНИИ, фут
32
3.6
ШИРИНА, фут
12.1
1.3
ОСАДКА, фут
5.9
0.79
ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ, фунт
306
30.6
ПЛОЩАДЬ ПАРУСА, кв. фут, полная
821
172
ПЛОЩАДЬ ПАРУСА / ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ
16.5
0.60
ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ / ДЛИНА ПО ВАТЕРЛИНИИ
306
30.6
ПОКАЗАТЕЛЬ КОМФОРТНОСТИ
35.8
3.0
РИСК ОПРОКИДЫВАНИЯ
1.7
0.06
БАЛЛАСТОВОЕ ОТНОШЕНИЕ
0.40
0.048
ДЛИНА НАИБОЛЬШАЯ / ШИРИНА
3.4
0.13
СКОРОСТЬ КОРПУСА, узлы
7.57
0.01
СКОРОСТЬ НАИБОЛЬШАЯ / СКОРОСТЬ КОРПУСА
1.07
0.01
МОМЕНТ ИНЕРЦИИ, ФУНТ*ФУТ^2
1197433
642819
ПЕРИОД, сек.
4.05
0.33
ПОКАЗАТЕЛЬ ОСТОЙЧИВОСТИ
1.1
0.12

Имея образец, можно понять, какому типу судов наши конструкторы отдают предпочтение для морского крейсерского плавания. Ясно, что это не быстроходные гоночные суда. Это большие, тяжелые лодки с высокой статической и динамической остойчивостью, имеющие хороший ход при минимальной усталости экипажа. Вычисляемые показатели остойчивости образца обсуждаются в следующем разделе.

См. также "Динамическая остойчивость".


ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

В приведенных ниже формулах использованы следующие обозначения:
disp - водоизмещение;
sail area - площадь паруса;
loa - максимальная длина корпуса;
lwl - длина по ватерлинии;
beam - ширина корпуса;
knot - узел, морская миля/час;
hull speed - максимальная скорость корпуса;
ball - вес балласта;
PI - число "Пи";
I - момент инерции;
T - период бортовой качки;
* - умножение;
^ - возведение в степень.

ОТНОШЕНИЕ ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ / ДЛИНА = disp/2240/(0.01*lwl)^3
Возможно, наиболее распространенный и понятный оценочный фактор. Малые значения, обусловленные низким весом и большой длиной по ватерлинии, связывают с высокой мореходностью. Общая тенденция для новых лодок - к уменьшению этого показателя, которое обеспечивает лучшие эксплуатационные качества. Недостатком является то, что легкие лодки больше подвержены воздействию шторма. Это требует постоянного внимания к рулевому управлению и настройке парусов, утомительных для экипажа. Так как показатель уменьшается с увеличением длины лодки, тяжелым лодкам требуется меньше балласта, и они будет легче меньших по размеру лодок с той же остойчивостью. В соответствии с эталоном допустимые значения показателя находятся в интервале от 265 до 337.

ОТНОШЕНИЕ ПЛОЩАДЬ ПАРУСА / ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ = sail area/(disp/64)^0.666
По существу это отношение мощности к весу, вычисленное при полном стакселе. У большинства однокорпусников лежит в пределах от 16 до 18. Показатели образца от 15.9 до 16.5. Показатель не зависит от длины корпуса.

СКОРОСТЬ КОРПУСА = 1.34*lwl^0.5 , knots
Обычно определяется как максимальная скорость, развиваемая водоизмещающим судном при разумной мощности (2-3 л.с. на тонну). С повышением скорости лодки создаваемая ею поперечная волна становится длиннее, образуя ложбину, движущуюся к корме. При максимальной скорости корпуса длина ложбины равна длине ватерлинии, создавая "яму", точно соответствующую длине лодки. Чтобы выбраться из этой ямы и выйти на глиссирование, требуется огромная мощность (50-100 л.с./т). Для эталона скорость корпуса составляет 7.6 узлов.

ФАКТОР СКОРОСТИ = 1.88*lwl^0.5*sail area^0.333/disp^0.25 / (СКОРОСТЬ КОРПУСА)
Числитель выражения определяет потенциальную максимальную скорость, используя полученное эмпирически соотношение. У лодок со значительной парусностью и небольшим водоизмещением фактор скорости больше 1. Для недостаточно мощных или излишне тяжелых лодок он меньше 1. Значение эталона 1.07 позволяет ожидать хорошей ходкости под парусом.

ОТНОШЕНИЕ БАЛЛАСТ/ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ = ball/disp
Один из показателей остойчивости, но для создания полной картины необходимо знать также центр тяжести, зависимость центра формы от угла крена и общий вес. Изменяется от 0.25 до 0.5. Значение эталона 0.4 указывает, что предпочтение отдается скорее остойчивости веса, чем остойчивости формы.

ОТНОШЕНИЕ ДЛИНА/ШИРИНА = loa/beam
Характеризует узость корпуса. Узкие корпуса, у которых отношение от 3 до 4 и выше, длинные и стройные, что облегчает ход, повышает скорость (благодаря низкому лобовому сопротивлению) и обеспечивает устойчивое баланс равновесие при крене. Многие современные дизайнеры отдают предпочтение более широким корпусам с большим внутренним объемом, более плоским парусом, имеющим больший скоростной потенциал при хождении в галфвинд и фордевинд. Сравнивая, следует учесть, что более длинные лодки обычно уже, чес короткие. У эталона отношение равно 3.4, соответствующее достаточно узкому корпусу. Узкие корпуса обычно хорошо сбалансированы и имеют низкую отрицательную остойчивость.

РИСК ОПРОКИДЫВАНИЯ = beam/(disp/(0.9*64))^0.333
Эмпирический показатель, введенный яхтенным гоночным союзом США (USYRU - United States Yacht Racing Union) по результатам анализа гонки FASTNET 1979 года. Исследования были субсидированы обществом военно-морских архитекторов и морских инженеров (SNAME). Оказалось, что лодки со значением риска, превышающим 2, не должны принимать участие в океанских гонках. Значения, меньшие 2, считаются "хорошими". В соответствии с формулой считаются непригодными лодки с широким корпусом из-за их высокой отрицательной остойчивости, лодки с малым весом из-за их резкой реакции на большие волны (низкий момент инерции), так как обе эти характеристики очень важны в сильный шторм. Показатель ничего не говорит о статической остойчивости. Некоторые современные прибрежные крейсерские суда и многие гоночные проекты не удовлетворяют этому критерию. Интересно, что исследование пришло к заключению, что статическая остойчивость оказалась относительно неважной в прогнозе опрокидывания при динамических воздействиях. Ширина корпуса и вес оказались намного более важными факторами. Широкие лодки предоставляют волнам большее плечо рычага для возбуждения качки, а легким лодкам нужно меньше энергии, чтобы опрокинуться; и то, и другое нежелательно для крейсерского судна. Значение эталона очень низкое - 1.7.

ФАКТОР КОМФОРТНОСТИ = disp/(0.65*(0.7*lwl+0.3*loa)*beam^1.33)
Полученный опытным путем показатель, предложенный конструктором яхт Тедом Бруэром. Большое значение указывает на более гладкое, более комфортное движение в море. Отдает предпочтение тяжелым лодкам с несколько свешивающимися и узкими бортами. Все эти факторы замедляют реакцию судна на удары волн. Эта философия проектирования противоречит многим современным крейсерско-гоночным проектам, но она основана на огромном количестве данных, полученных в условиях океана, а не только на том, насколько хорошо выглядит проект на яхтенных шоу. В среднем для крейсерского судна этот показатель должен лежать в пределах от 30 до 40. Для гоночных проектов он может быть меньше 20, для полнокилевых проектов Колина Арчера может достигать 60. Значение 36 эталона показывает, что комфортность имеет высокий приоритет при оценке крейсерских судов.

МОМЕНТ ИНЕРЦИИ (I) = disp^1.744/35.5
Эмпирический показатель, разработанный SNAME. Высокие значения указывают на сопротивление раскачивающим усилиям. Момент инерции очень чувствителен к расстоянию элементов судна от центра тяжести. Тяжелый такелаж может существенно повысить момент инерции при незначительном изменении водоизмещения.

ПЕРИОД БОРТОВОЙ КАЧКИ (Т) = 2*PI*(I/(82.43*lwl*(0.82*beam)^3))^0.5
Период качки зависит от момента инерции. Значение 0.82*beam используется вместо ширины корпуса по ватерлинии из-за отсутствия необходимых данных. Коэффициент 0.82 находится в близком соответствии с несколькими судами, для которых проводились измерения периода, но необходимо получить больше данных (если вы измерили данные о бортовой качке, пришлите мне их по e-mail, и я включу их в свою базу данных). Попросту говоря, период бортовой качки судна обратно пропорционален его остойчивости. У неостойчивых судов большой период бортовой качки, у остойчивых - малый. Период бортовой качки очень легко определить. Нужно просто взяться за ванты и начать раскачивать лодку, пока крен достигнет нескольких градусов. Затем подсчитывается количество полных циклов в одной минуте и делится на 60. Как показывает опыт, лодки с периодом, меньшим 4 секунд, остойчивы, с периодом, большим 8 - валки. Значение эталона 4.05 находится ближе к устойчивому концу диапазона, указывая на хорошую статическую остойчивость.

ПОКАЗАТЕЛЬ ОСТОЙЧИВОСТИ = T / (beam*0.3048)
Еще один эмпирический показатель, описывающий влияние периода бортовой качки и ширины корпуса на остойчивость. Лодки со значениями до 1 считаются остойчивыми, более 1.5 - валкими. Для валких судов он превышает 1.5. Мне нравится этот показатель, так как он прост и позволяет одновременно учесть центр тяжести и момент инерции. Эталонная лодка снова тяготеет в сторону остойчивости со значением показателя остойчивости 1.1.

Итак, для определения статической остойчивости всех крейсерских судов используют комбинацию остойчивости веса, остойчивости формы и водоизмещения. Затем полученное значение используется для определения площади паруса, при которой при незарифленном парусе имеется значительное сопротивление опрокидыванию, ослабляющее воздействие ветра. Это очень сложный этап проектирования лодки. Избыточная парусность потребует раннего взятия рифов при сильном крене, недостаточная превратит лодку в улитку при слабом ветре. Большое значение имеет и динамическая остойчивость, тесно связанная с моментом инерции. Большой момент инерции помогает выжить в тяжелых погодных условиях. Период качки лодки сочетает элементы статической и динамической остойчивости и может быть полезен при сравнении больших крейсерских судов.
Хотя при выборе идеального крейсерского судна должны быть учтены многие факторы, хорошим началом может стать принятие за основу эталона остойчивости. Суда, спроектированные девятью конструкторами мирового уровня, оставили за бортом не одну морскую милю. Если ваша лодка будет похожа на них, можете быть уверены, что она в хорошей компании с точки зрения статической и динамической остойчивости.

 

07.11.2002
^ Наверх Наверх ^
Copyright 2000 - 2013 ukryachting.net - Карта сайта