Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.
Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.
Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.
Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.
В качестве вступления. Данная статья появилась на свет с подачи и при моральной поддержке моих давних коллег по общению на форуме сайта «Верфь на столе». Целью её было освещение в ограниченных рамках сайта обширного раздела мореходной практики связанной с изменением парусности судна соразмерно силе и направлению ветра. Именно поэтому описывается лишь процесс взятия на рифы и уборки парусов. Публикация рассчитана на людей, знакомых с основными понятиями и терминами из практики вооружения парусных судов. Дабы не повторяться, намеренно упускаю и сокращаю все, что уже было опубликовано на этом сайте и связанно с этой темой, а попытаюсь обобщить то, что на мой взгляд может показаться интересным пытливому читателю в трудах, опубликованных большей частью в России во второй половине XIX века.
Итак, сначала о ветре. Да, да о нем, ибо, не вдаваясь в теорию и подробные расчеты, именно он и есть суть движущая сила парусного судна. В эпоху расцвета парусного кораблестроения моряки характеризовали силу ветра в зависимости от парусов, которые можно было нести, идя курсом бейдевинд. Это объяснялось тем, что при курсе бейдевинд суда вынуждены носить меньшую парусность. Основные причины заключаются в том, что, во-первых, боковое, наиболее опасное с точки зрения потери рангоута воздействие парусов через обрасопленные реи на мачты и стеньги, поддерживаемые вантами и фордунами более сзади, нежели с боков, оказывается наибольшим, чем при иных курсах; во-вторых, боковая остойчивость корабля существенно меньше продольной; и, в-третьих, сила ветра, воздействующая на корабль равно как и другой движущийся объект, зависит от направления его движения, то есть в бейдевинд она увеличивается, а при попутном ветре уменьшается. Поэтому при одном и том же ветре лежа бейдевинд необходимо было брать у марселей рифы, тогда как на фордевинд можно было нести и брамсели. Исходя из вышесказанного, о ветре говорили бом-брамсельный, брамсельный, марсельный, риф-марсельный и ундер-зейль, когда лежа бейдевинд можно поднять бом-брамсели, или идти под брамселями, или только под марселями или под зарифленными марселями, или нести только нижние паруса. Для более точной характеристики ветра говорили, например, ветер брамсельный тихий, марсельный крепкий, риф-марсельный с порывами и т.д. Под штилем подразумевалось полное безветрие, а под штормом – ветер, при котором держались под глухо зарифленным грот-марселем или только под одними триселями. Позднее перешли к более точному определению силы ветра в баллах по системе Бофорта (табл. 1).
| Вычисленная скорость в секунду времени | Давление в русских фунтах на фут | Баллы, означающие степень силы ветра | Название ветров по Бофорту | Название ветров по системе Чапмана |
| 10,4 | 0,28 | 1 | Light air Весьма слабый | |
| 20,8 | 1,11 | 2 | Light wind Слабый | |
| 31,2 | 2,49 | 3 | Light breeze | |
| 41,6 | 4,43 | 4 | Moderate breeze Умеренный | Бом-брамсельный |
| 51,9 | 6,92 | 5 | Fresch breeze свежий | Брамсельный |
| 62,3 | 9,97 | 6 | Strong breeze Весьма свежий | Марсельный |
| 72,7 | 13,57 | 7 | Moderate gale Сильный | Риф-марсельный |
| 83,1 | 17,72 | 8 | Fresch gale Весьма сильный | Ундер-зейль |
| 93,5 | 22,43 | 9 | Strong gale Крепкий | Полу-шторм |
| 103,9 | 27,69 | 10 | Heavy gale Весьма крепкий | Полный шторм |
| - | - | 11 | Storm Буря | |
| 124,7 | 39,88 | 12 | Hurricane Ураган |
Соответственно постепенно увеличивающейся силе ветра постепенно уменьшали парусность судна обычно в следующем порядке:
Убирали брам-стаксели и бом-брамсели с бом-кливером;
Крепили брамсели или оставляя последние, брали у марселей один риф;
Брали у марселей второй риф, причем обычно крепили брамсели;
Брали у марселей третий риф и заменяли кливер фор-стеньги стакселем, при этом кливер старались удерживать как можно дольше;
Крепили крюйсель, брали последний риф у фор- и грот-марселей, брали один риф у бизани;
Крепили фор-марсель и брали последний риф у бизани (или ставили штормовую бизань), фор-стеньги стаксель заменяли фока-стакселем.
Нижние паруса рифились обычно в следующей последовательности: вместе с четвертым рифом у марселей брали первый риф у грота, затем второй риф у грота и первый у фока, затем второй у фока и крепили грот или заменяли его грот-триселем, и, в крайнем случае, когда сила ветра и волнения лишали возможности иметь ход и вынуждали держаться под грот-марселем, крепили фок.
При попутных ветрах порядок постепенной уборки парусов предполагался аналогичным вышеизложенному с той лишь разницей, что для уменьшения рыскливости в бакштаг убирали бизань и крепили крюйсель во время взятия третьего рифа у других марселей.
Таким образом, штормовую парусность в бейдевинд на судах с прямым парусным вооружением составляли обычно глухо зарифленный грот-марсель (о парусе говорили что он глухо зарифлен, если у него были взяты все четыре рифа), фока стаксель и зарифленная бизань. При фордевинде это обычно были фор-стеньги стаксель, зарифленные грот-марсель и фок. Грот-марсель необходим как парус, у которого поднимающиеся сзади волны не отнимают много ветра, фок переносит вперед общий центр парусности, а фор-стеньги стаксель для компенсации случайного сильного рыскания.
В качестве наглядного примера привожу литографию Т. Г. Даттона (T G Dutton). На ней (Рис.1) изображен барк Constance, идущий бакштаг при риф-марсельном ветре под тремя парусами: фор-стеньги стакселем, фоком и грот-марселем, взятым на два рифа; команда в это время убирает фор-марсель и грот. При этом соответствующие лисель-спирты приподняты над реями, чтобы освободить место для укладки парусов.
Рис. 1. Барк Constance, идущий бакштаг.
Нельзя не упомянуть, что количество устанавливаемых парусов зависит не только от силы ветра и его направления относительно курса судна, но и от величины волнения, личного опыта капитана, характеристик и свойств конкретного корабля и некоторых других факторов. Немалую роль играет своевременность принятия решения об изменении парусности при изменении силы ветра: преждевременное уменьшение парусности ведет к потере хода, а передержка может сделать уборку парусов и взятие рифов делом трудным и опасным для марсовых.
Для того, чтобы иметь возможность брать паруса на рифы, в процессе отакелаживания в паруса продевают риф-леера, риф-сезни и риф-штерты; ввязывают кренгельсы и шпрюйты, пришивают лапки и обносные сезни, продевают нок-бензеля и штык-болты. Более подробное рассмотрение этого вопроса, несомненно, может представить интерес с точки зрения изготовления моделей кораблей.
Риф-сезни обычно плелись из пяти шкимушек. Их вешали через шест и из длинных концов сплетали плетенку длиною, достаточной для образования двойного очка, которое было необходимо для того, чтобы продетые риф-сезни не могли проскочить сквозь люверс паруса (Рис. 2). Затем сплетенную часть вешали серединой через шест, делали одним концом оборот вокруг шеста для образования двойного очка, соединяли оба конца и продолжали плести сезень из шкимушек обоих половин. (Рис. 3). Концы сезней обвивали парусной ниткой и крыжевали, прошивая насквозь. Длина риф-сезней должна соответствовать толщине рея, а так как риф вязали на рее как можно выше, задние половины сезней обычно делались длиннее передних, исключая сезней четвертого рифа, у которых наоборот передние концы делались длиннее задних, по причине того, что штык-болт четвертого рифа брался, как правило, сзади рея и сам риф обтягивался под низ рея. В процессе отакелаживания риф-сезни продевали, сидя на полу, два человека – по одному с каждой стороны растянутого паруса. Каждый, взяв одну половину риф-сезня, пропускал ее конец в люверс, в то же время принимал от своего коллеги другой конец сезня и пропускал его в очко своей половины. Далее на конец сезня надевался обыкновенный шкив, люди брались каждый за свой конец руками, ногами упирались в шкивы и таким образом плотно обтягивали сезень, надежно закрепляя его в люверсе. При взятии рифов парусину между реем и соответствующим риф-бантом закатывали и получившийся рулон обвязывали риф-сезнями прямым (Рис. 4) или рифовым узлом (Рис. 5).
Рис. 2 - 5. Риф-сезни.
Во второй половине XIX века через люверсы в риф-банте стали проводить один или два риф-леера одним из показанных ниже способов (Рис. 6). Чтобы полуштыки риф-лееров не могли ослабевать, на них клали бензеля из шкимушгара.
Рис. 6 и 7. Проводка риф-леера.
Риф-сезни с клевантами укреплялись на прутковом леере, служащим для привязки паруса, или на специальном леере, укрепленном позади парусного леера, либо обносились вокруг рея (Рис. 8) (на марса-реях их крепили парами – один для 1-го и 3-го рифа, второй для 2-го и 4-го). При взятии такого рифа парусину подбирали до соответствующего риф-банта, конец риф-сезеня пропускали в петлю риф-леера и закрывали на клевант (Рис. 9).
Рис. 8 и 9. Риф-сезни.
При взятии такого рифа мякоть не трогали, а оставляли висеть между парусом и реем.
Риф-сезни триселей и бизани вырубались из белого троса и вшивались в парус несколько иначе. Вот один из способов: делали в парусе дыру в месте продевания риф-сезеня, продевали его и равняли концы по обе стороны паруса. Затем раскручивали сезень вплотную у паруса, чтобы пряди развернулись и образовали калышки петлями. Пришивали эти петли к парусу, а немного ниже простегивали обе части сезня и паруса насквозь. Концы сезней обвивали парусной ниткой и тоже простегивали насквозь для прочности.
Риф-штерты, их так же называли змейками, служили для удобства притягивания паруса к рею при взятии рифов. Они представляли собой тонкую веревку, один конец которой приплесневывался к люверсу верхней шкаторины; другой конец спускался по передней стороне паруса и прихватывался к шейкам соответствующих риф-сезней вплоть до четвертого рифа (Рис. 7). У нижних парусов делали от 6 до 8 змеек, у марселей по 6, (на малых судах по 4), у крюйселей по 4.
Не менее важное значение, чем сопротивление корпуса, имеет сила тяги, развиваемая парусами. Чтобы яснее представить себе работу парусов, познакомимся с основными понятиями теории паруса.
Мы уже говорили об основных силах, действующих на паруса яхты, идущей с попутным (курсом фордевинд) и со встречным ветром (курсом бейдевинд). Выяснили, что сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер,-силу дрейфа и силу тяги (см. рис. 2 и 3).
Теперь посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса я от чего зависят силы тяги и дрейфа.
Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус (рис. 94), который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.
Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.
Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Именно она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.
Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х (рис. 95) подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.
Подобное построение позволяет легко убедиться, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.
Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.
В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью» (рис. 96): размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге.
Рис. 96. Профиль паруса
Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.
Любой парус при углах атаки больше 15-20°, то есть при курсах яхты 40-50° к ветру и больше, позволяет уменьшить подъемную силу и увеличить лобовое сопротивление, поскольку на подветренной стороне образуются значительные завихрения. А так как основную часть подъемной силы создает плавное, без завихрений, обтекание подветренной стороны паруса, то уничтожение этих завихрений должно дать большой эффект.
Уничтожают завихрения, образующиеся за гротом, постановкой стакселя (рис. 97). Поток воздуха, попадающий в щель между гротом и стакселем, увеличивает свою скорость (так называемый эффект сопла) и при правильной регулировке стакселя «слизывает» вихри с грота.
Рис. 97. Работа стакселя
Профиль мягкого паруса трудно сохранить неизменным при различных углах атаки. Раньше на швертботах ставили сквозные латы, проходящие через весь парус, - их делали более тонкими в пределах «пуза» и более толстыми к задней шкаторине, где парус гораздо площе. Сейчас сквозные латы ставят главным образом на буерах и катамаранах, где особенно важно сохранить профиль и жесткость паруса при малых углах атаки, когда обычный парус уже полощет по передней шкаторине.
Если источником подъемной силы является только парус, то лобовое сопротивление создает все, что оказывается в потоке воздуха, обтекающем яхту. Поэтому улучшение тяговых свойств паруса может быть достигнуто также и за счет снижения лобового сопротивления корпуса яхты, рангоута, такелажа и экипажа. Для этой цели используют различного рода обтекатели на рангоуте и такелаже.
Величина лобового сопротивления паруса зависит от его очертаний. По законам аэродинамики лобовое сопротивление крыла самолета тем меньше, чем оно уже и длиннее при той же площади. Вот почему парус (по существу то же крыло, но поставленное вертикально) стараются делать высоким и узким. Это позволяет также использовать верховой ветер.
Лобовое сопротивление паруса в очень большой степени зависит от состояния его передней кромки. Передние шкаторины всех парусов должны быть туго обтянуты, чтобы не допускать возможности вибраций.
Необходимо упомянуть еще об одном весьма важном обстоятельстве - так называемой центровке парусов.
Из механики известно, что всякая сила определяется ее величиной, направлением и точкой приложения. До сих пор мы говорили только о величине и направлении сил, приложенных к парусу. Как мы увидим дальше, знание точек приложения имеет большое значение для понимания работы парусов.
Давление ветра распределяется по поверхности паруса неравномерно (большее давление испытывает его передняя часть), однако для упрощения сравнительных расчетов считают, что оно распределяется равномерно. Для приближенных расчетов равнодействующую силу давления ветра на паруса полагают приложенной к одной точке; за нее принимают центр тяжести поверхности парусов, когда они помещены в диаметральной плоскости яхты. Эту точку называют центром парусности (ЦП).
Остановимся на самом простом графическом способе определения положения ЦП (рис. 98). Вычерчивают парусность яхты в нужном масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр каждого паруса. Получив таким образом на чертеже центры О и O1 двух треугольников, составляющих грот и стаксель, проводят через эти центры две параллельные линии ОА и O1Б и на них откладывают в противоположных направлениях в любом, но одинаковом масштабе столько линейных единиц, сколько квадратных метров в треугольнике; от центра грота откладывают площадь стакселя, а от центра стакселя - площадь грота. Концевые точки А и В соединяют прямой АБ. Другой прямой - O1O соединяют центры треугольников. На пересечении прямых А Б и O1O будет находиться общий центр.
Рис. 98. Графический способ нахождения центра парусности
Как мы уже говорили, силе дрейфа (будем считать ее приложенной в центре парусности) противодействует сила бокового сопротивления корпуса яхты. Силу бокового сопротивления считают приложенной в центре бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления называется центр тяжести проекции подводной части яхты на диаметральную плоскость.
Центр бокового сопротивления можно найти, вырезав контур подводной части яхты из плотной бумаги и поместив эту модель на лезвие ножа. Когда модель уравновесится, легко нажимают на нее, затем поворачивают на 90° и снова уравновешивают. Пересечение этих линий дает нам центр бокового сопротивления.
Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной прямой с ЦБС (рис. 99). Если ЦП лежит впереди ЦБС (рис. 99, б), то сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового сопротивления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к ветру, или приводиться (рис. 99, в).
Рис. 99. Центровка яхты
И чрезмерное приведение к ветру, и в особенности уваливание (неправильная центровка) вредны для хода яхты, так как заставляют рулевого все время работать рулем, чтобы сохранить прямолинейность движения, а это увеличивает сопротивление корпуса и снижает скорость судна. Кроме того, неправильная центровка приводит к ухудшению управляемости, а в некоторых случаях - к ее полной потере.
Если мы отцентруем яхту так, как показано на рис. 99, а, то есть ЦП и ЦБС окажутся на одной вертикали, то судно будет очень сильно приводиться и управлять им станет весьма трудно. В чем дело? Здесь две главные причины. Во-первых, истинное расположение ЦП и ЦБС не совпадает с теоретическим (оба центра сдвинуты вперед, но неодинаково).
Во-вторых, и это главное, при крене сила тяги парусов и сила продольного сопротивления корпуса оказываются лежащими в разных вертикальных плоскостях (рис. 100), получается как бы рычаг, заставляющий яхту приводиться. Чем больше крен, тем больше склонность судна приводиться.
Чтобы ликвидировать такое приведение, ЦП помещают впереди ЦБС. Возникающий с креном момент силы тяги и продольного сопротивления, заставляющий яхту приводиться, компенсируется улавливающим моментом сил дрейфа и бокового сопротивления при переднем расположении ЦП. Для хорошей центровки приходится ЦП помещать впереди ЦБС на расстоянии, равном 10-18% длины яхты по ватерлинии. Чем менее остойчива яхта и чем выше поднят ЦП над ЦБС, тем больше в нос надо его передвигать.
Чтобы яхта имела хороший ход, ее надо отцентровать, то есть поставить ЦП и ЦБС в такое положение, при котором судно на курсе бейдевинд в слабый ветер было полностью уравновешено парусами, иными словами - было устойчиво на курсе с брошенным или закрепленным в ДП рулем (допускается легкая склонность к уваливанию при совсем слабом ветре), а при более сильном ветре имело склонность приводиться. Каждый рулевой должен уметь правильно центровать яхту. На большинстве яхт склонность приводиться увеличивается, если перебраны задние паруса и потравлены передние. Если же перебраны передние и перетравлены задние паруса, судно будет уваливаться. При увеличении «пузатости» грота, а также плохо стоящих парусах яхта склонна приводиться в большей степени.
Рис. 100. Влияние крена на приведение яхты к ветру
Воздействие ветра на корабль определяется его направлением и силой, формой и размерами площади парусности корабля, расположением центра парусности, значениями осадки, крена и дифферента.
Действие ветра в пределах курсовых углов 0-110° вызывает потерю скорости, а при больших курсовых углах и силе ветра не свыше 3-4 баллов - некоторое ее приращение.
Действие ветра в пределах 30-120° сопровождается дрейфом и ветровым креном.
На движущийся корабль действует относительный (кажущийся) ветер, который связан с истинным следующими отношениями (рис. 7.1)(2):
Где Vи - скорость истинного ветра, м/с;
VK-скорость кажущегося ветра, м/с;
V0 - скорость хода корабля, м/с;
βо-угол дрейфа корабля, град.
Yk - угол кажущегося ветра;
Yи-угол истинного ветра.
Удельное давление ветра на корабль в кгс/м&sub2; рассчитывается по формуле
Где W - скорость ветра, м/с.
Рис. 7.1. Зависимость истинного и кажущегося ветра
Рис. 7.2. Действие кренящего момента
Так, при урагане, когда скорость ветра достигает 40-50 м/с, величина ветровой нагрузки достигает 130- 200 кгс/м2.
Полное давление ветра на корабль определяется из выражения P = pΩ, где &Omrga; - площадь парусности корабля.
Величина кренящего момента Мкр (рис. 7.2) в кгс м для случая установившегося движения и действия силы давления ветра Р, перпендикулярной ДП корабля, определяется из выражения
Где zn - ордината центра парусности, м;
Т - средняя осадка корабля, м.
Волнение моря оказывает наиболее существенное влияние на корабль. Оно сопровождается действием на корпус значительных динамических нагрузок и качкой корабля. При плавании на волнении увеличивается сопротивление корпуса корабля и ухудшаются условия совместной работы винтов, корпуса и главных двигателей.
Рис. 7.3. Элементы волн
В результате снижается скорость, увеличивается нагрузка на главные машины, повышается расход топлива и уменьшается дальность плавания корабля. Форма и размеры волн характеризуются следующими элементами (рис. 7.3):
Высота волны h - расстояние по вертикали от вершины до подошвы волны;
Длина волны λ - расстояние по горизонтали между двумя соседними гребнями или подошвами;
Период волны t - промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине(3);
Скорость волны С - расстояние, проходимое волной в единицу времени.
По происхождению волны подразделяются на ветровые, приливо-отливные, анемобарические, волны землетрясения (цунами) и корабельные. Наиболее распространенными являются ветровые волны. Различают три типа волнения: ветровое, зыбь и смешанное. Ветровое волнение - развивающееся, оно находится под непосредственным воздействием ветра в отличие от зыби, представляющей собой инерционное волнение, или волнение, вызванное штормовым ветром, дующим в удаленном районе. Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветренный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветровых волн образуются гребни, верхушки которых под действием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются. Направление ветра и направление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30-40°. Размеры ветровых волн зависят от скорости ветра и продолжительности его воздействия, длины пути ветровых потоков над водной поверхностью и глубины данного района (табл. 7.1).
ТАБЛИЦА 7.1. МАКСИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН ДЛЯ ГЛУБОКОГО МОРЯ (Н/Λ > 1/2)
Наиболее интенсивный рост волны наблюдается при отношении C/W < 0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста волн. Поэтому волны опасны не в момент наибольшего ветра, а при последующем его ослаблении.
Для приближенных расчетов средней высоты волн установившегося океанского волнения пользуются формулами:
При ветре до 5 баллов
При ветре свыше 5 баллов
Где Б - сила ветра в баллах по шкале Бофорта (§ 23.3).
В условиях развитого волнения имеет место интерференция отдельных волн (до 2% общего количества и более), которые достигают максимального развития и превышают среднюю высоту волн в два-три раза. Такие волны особенно опасны.
Наложение одной волновой системы на другую наиболее интенсивно происходит при изменении направления ветра, частом чередовании штормовых ветров и перед фронтом тропических циклонов(4).
Энергия волн развитого волнения исключительно велика. Для корабля, лежащего в дрейфе, динамическое воздействие волн может быть определено из выражения р=0,1 τ² где τ - истинный период волны, с.
Так, для периодов волн около 6-10 с величина Р может достигать внушительных значений (3,6-10 т/м²).
При движении корабля курсом против волны динамическое воздействие волн будет возрастать пропорционально квадрату скорости корабля, выраженной в метрах в секунду.
Длина волны в метрах, скорость в метрах в секунду и период в секундах связаны между собой следующими соотношениями:
Практически движущийся корабль встречает не истинный, а относительный (кажущийся) период волны τ", который определяется из выражения
Где а - курсовой угол фронта гребня волны, измеренный по любому борту.
Плюс относится к случаю движения против волны, минус - по волне.
При изменении курса корабль располагается относительно приведенной длины волны λ":
Характер качки корабля имеет сложную зависимость между элементами волн (h, λ, τ и С) и элементами корабля (L, D, Т1,2 и δ).
Безопасность корабля с точки зрения остойчивости определяется не только его конструкцией и распределением грузов, но и курсом, а также скоростью. В условиях развитого волнения непрерывно меняется форма действующей ватерлинии. Соответственно изменяются форма погруженной части корпуса, плечи остойчивости формы и восстанавливающие моменты.
Пребывание корабля на подошве волны сопровождается увеличением восстанавливающих моментов. Пребывание корабля (особенно длительное) на гребне волны опасно и может привести к опрокидыванию. Наиболее опасна резонансная качка, при которой период собственных колебаний корабля T1,2 равен видимому (наблюдаемому) периоду волны?" Характер бортовой резонансной качки показан на рис. 7.4. Как следует из рисунка, явление резонанса наблюдается при отношении 0,7 < T1 /τ" < 1,3
Особенно опасна резонансная качка при положении корабля лагом к волне.
При следовании корабля курсом против волны значительно возрастают потери в скорости, происходят оголение оконечностей и резкие броски оборотов. Удары волн в днище носовой оконечности (явление «слемминга») могут привести к деформации корпуса и срыву отдельных механизмов и устройств с фундаментов.
При следовании по волне корабль в меньшей степени подвержен ударам волн. Однако следование его по волне со скоростью, близкой к скорости волны VK = (0,6--1,4) С (корабль «оседлал» волну), приводит к резкой потере поперечной остойчивости в связи с изменением формы и площади действующей ватерлинии, а это ведет к возникновению гироскопического момента, действующего в плоскости ватерлинии и значительно ухудшающего управляемость корабля.
Рис. 7.4. Резонансная качка
Наиболее опасно плавание малого корабля на попутном волнении, когда λ=L корабля, а VK=C.
Универсальная диаграмма качки Ю.В. Ремеза
Универсальная диаграмма качки определяет зависимость наблюдаемых элементов волн от изменения элементов движения корабля.
Диаграмма рассчитана по формуле
Где V - скорость корабля, уз.
Диаграмма определяет зависимость между X и V sin a при различных значениях т". Она построена относительно преобладающей системы волн, которая может быть выделена на любом волнении и оказывает наиболее существенное влияние на качку корабля (§ 23.4). Универсальная диаграмма может быть использована только в районах с достаточно большими глубинами (более 0,4Х волны).
Применение универсальной диаграммы качки позволяет решить следующие основные задачи:
- определить курс и скорость, при которых корабль может попасть в положение резонансной качки (килевой и бортовой);
Определить длину волны в районе плавания;
Определить сектора курсов и диапазоны скоростей, при которых корабль будет испытывать сильную качку, близкую к резонансной;
Определить курсы и скорости, при которых корабль будет находиться в состоянии наиболее опасной пониженной поперечной остойчивости;
Определить курсы и скорости, при которых корабль будет испытывать явление «слеминга».
(1) Дальнейшее усиление ветра сопровождается ветровым волнением, снижающим скорость корабля.
(2) Координаты истинного ветра связаны с землей, а кажущегося с кораблем.
(3) Практически движение частиц воды ветрового волнения происходит по орбитам, близким по форме к окружности или эллипсу, Перемещается лишь профиль волны.
(4) Характер волнообразования и его связь с элементами ветра подробно рассматриваются в курсе океанографии.
§ 61. Использование паруса.
В практике управления маломерными моторными судами па море и реке известно много примеров, когда даже самый примитивный парус, сделанный из имеющихся на судне «подручных» средств, позволял небольшому самоходному судну, потерявшему возможность самостоятельно передвигаться, успешно окончить плавание без посторонней помощи.
Судоводителю-любителю надо хорошо знать, как действует парус и как сделать простое парусное оборудование на случай, если механический двигатель судна окажется неисправным, без топлива или за борт упадет подвесной мотор, а также на случай повреждения или потери гребного винта.
Соединение парусного вооружения с мотором увеличивает туристические возможности судна. С помощью паруса аварийное судно можно довести до базы или до ближайшего населенного пункта.
1. Действие паруса.
Давление воздушного потока на поверхность паруса движет судно. Направление этого движения зависит от положения паруса относительно направления ветра. Точка приложения равнодействующей всех сил давления ветра на парус называется центром парусности - ЦП.
Рис. 137. Силы, действующие на парус и судно при ветре с носовых углов
Если бы парус был вытянут вдоль диаметральной плоскости судна, то сила давления ветра А (рис. 137) кренила бы судно, но не двигала его вперед. Но если плоскость паруса поставлена под некоторым углом к направлению ветра, то сила А может быть разложена на две составляющие Б и В. Первая «работает», а вторая «скользит» вдоль паруса (см. рис. 137, а и 138, а).
Всякое судно обладает способностью сопротивляться боковому сдвигу в воде - оно имеет так называемое боковое сопротивление и центр его - ЦБС - располагается обычно близко от миделя судна в его подводной части и приблизительно на одной отвесной линии с ЦП (рис. 139). Перенося силу Б в ЦБС, пренебрегая креном и считая ЦБС неподвижной точкой, можно разложить Б на две составляющие Т и Д. Первая тянет судно вперед вдоль диаметральной плоскости, а вторая стремится сместить судно в бок, создавая ему дрейф (см. рис. 137, б). Величина дрейфа зависит от формы подводной части судна и угла между направлениями диаметральной плоскости ДП судна и ветра. В этом можно убедиться, построив схему сил для нескольких положений. Чем меньше угол между ДП и направлением ветра, тем больше сила А и меньше сила Т (см. рис. 138, а и б).
Рис. 138. Силы, действующие на парус и судно при ветре с кормовых углов
Если судно имеет сильно развитые продольные плоскости под водой (борта, угловатые скулы, киль, руль), то смещение судна в бок незначительно. Если же судно плоскодонное, незагруженное и широкое, то его БС ничтожно и дрейф велик. Поэтому суда первого рода, например, яхты или килевые шлюпки, способны двигаться вперед под углом до 40-30° к направлению ветра, считая от носа, а плоскодонные катера и лодки только при ветре с кормы, т. е. под углами ветра не менее 120° к диаметральной плоскости.
Рис. 139.
Положение центра парусности относительно центра
бокового сопротивления
Наивыгоднейшее положение паруса при любом направлении ветра такое, при котором плоскость паруса делит пополам угол между ДП и ветром (см. рис. 137, а, 138, а). Практически парус следует ставить так, чтобы угол I был немного меньше угла II .
Если ЦП по вертикали совпадает с ЦБС, то судно движется вперед без помощи руля. Однако на ходу ЦБС несколько смещается в нос или в корму, и поэтому судно на ходу будет всегда уклоняться от курса носом на ветер или под ветер. Обычно считается, что парусное судно под действием шквала или без управления рулем должно само под действием паруса «зарыскнуть» или «прийти к ветру», т. е. повернуть носом против него. Тогда само собой прекратится кренящее действие ветра. Поэтому мачту и парус на судне размещают так, чтобы ЦП был всегда несколько в корму (по вертикали) от ЦБС. Этого достигают при расчете на чертеже или же опытным путем на воде (см. рис. 139). Однако для судов, способных ходить под парусом только с попутными ветрами, ЦП должен быть расположен в нос от ЦБС. Тогда при шквале судно будет само уходить от него, т. е. стремиться «уваливаться под ветер». Это безопаснее и облегчает в случае усиления ветра быструю уборку паруса, если даже для этого будет брошено управление рулем.
2. Основные термины.
В зависимости от направления ветра относительно ДП и борта судна приняты следующие термины правил управления судна под парусами.
Борт, обращенный к ветру, называется наветренным. Борт, обращенный от ветра, называется подветренным. Ход с ветром, дующим в правый борт, называют правым галсом, в левый борт - левым галсом. Прямой отрезок пути под парусами называется галсом.
Двигаться к наветренной цели, расположенной в стороне, откуда дует ветер, значит подыматься; двигаться к подветренной цели - спускаться; парусное судно не может идти прямо против ветра, оно должно идти зигзагами, ложась то на правый, то на левый галс. Такое движение называется лавировкой.
Ветер, дующий с носовых курсовых углов в секторе 0-85°, называется бейдевинд; говорят: «Судно идет в бейдевинд» (правого или левого галса). Ветер, дующий в борт (85-95°), называется галфвинд; говорят: «Судно идет в галфвинд или в полветра» (правого или левого галса). Ветер, дующий с кормовых курсовых углов (95-170°), называется бакштаг; говорят: «Судно идет в бакштаг» (правого или левого галса). Ветер, дующий прямо в корму (175° левый борт- 175° правый борт), называется фордевинд; говорят: «Судно идет на фордевинд». Галс при этом не отмечается. Чем больше становится угол между направлением ветра и ДП, тем ветер делается «полнее», чем меньше, тем ветер и курс «круче».
3. Постановка парусов и управление парусным судном.
Постановку парусов следует сообразовать с направлением ветра. Как правило, косые паруса поднимают, поставив судно носом против ветра («на ветер», «к ветру»). Прямой же парус поднимают, поставив судно по ветру. Если ветер препятствует постановке паруса у берега, следует развернуть судно или отойти от берега. Первым ставят грот, ослабив шкот. Когда фал вытянут до места, обтягивают шкот и начинают править рулем, ложась на нужный курс. После этого ставят стаксель и обтягивают его подветренный шкот.
Грот и стаксель под действием ветра давят на соответствующую оконечность судна. Если эти силы неравны, то судно стремится вращаться вокруг своего ЦБС, зарыскивая или уваливаясь. При движении на прямом курсе при боковом ветре необходимо отрегулировать натяжением шкотов оба паруса так, чтобы судно при прямом руле шло прямо. Если сохраняется все же стремление увалиться или зарыскнуть, но необходимо выровнять судно на курсе рулем. Можно, однако, добиться уравновешенности действия парусов перемещением грузов или людей вдоль шлюпки. Если нос идет под ветер, загружают нос, если идет на ветер, загружают корму.
На ходу под парусами в шлюпке нельзя стоять. Все должны сидеть на сиденьях наветренного борта, а при сильном ветре - на дне лицом к парусу (т. е. с наветренной стороны). При движении под парусом судоводитель-любитель должен поддерживать на судне дисциплину, и только по его команде разрешается перемещаться на судне или выполнять ту или иную работу. Снасти не должны быть разбросаны в беспорядке внутри судна, их следует уложить в бухточки. Шкоты должны быть чисто расправлены; грота-шкот и стаксель-шкот следует держать на руках; запрещается завертывать их взахлест на утках.
В крайнем случае делают один-два оборота и ходовой конец держат на руках.
Грузы, инструменты и другие вещи должны быть уложены так, чтобы при крене судна они не могли сместиться и не препятствовали действиям с парусами, наблюдению вперед и откачиванию воды. Фалы должны быть завернуты так, чтобы в случае сильного шквала их можно было мгновенно отдать.
Если судно сильно кренит ветром, то при ветре с борта или с носа следует потравить шкоты, а затем «привести к ветру», для чего рулем поставить судно почти против ветра, раздернув стаксель-шкоты. При ходе с попутным ветром «приводить к ветру" при сильном шквале опасно, поэтому лучше убрать грот и продолжать движение под стакселем. При ходе в бейдевинд полезно несколько загрузить нос, при этом судно лучше слушает руля и парусов. Если нужно держать круче к ветру, то следует подобрать грота-шкот и несколько потравить стаксель-шкот. Однако нельзя при этом допускать, чтобы паруса «полоскали» (хлопали) по ветру.
Как уже было сказано, угол между ветром и ДП должен делиться парусом пополам. Поставив судно на курс и расположив соответственно парус, следует затем слегка подобрать грота-шкот так, чтобы передняя шкаторина его начала мелко дрожать. Это значит, что парус работает хорошо. Чрезмерное выбирание шкота только валит судно, убавляя ход и увеличивая дрейф (снос под ветер). Чем круче к ветру идет судно, тем ход меньше, а дрейф больше. При ходе в бакштаг дрейфа практически нет, а на фордевинде он отсутствует совершенно.
Управление рулем на фордевинде самое трудное. Судно стремится развернуться бортом к ветру, причем оно может броситься на любой галс. Парус стоит поперек судна и его наружная шкаторина все время рискует быть отдутой с подветра, т. е. с носа, когда ветер после порыва спадает. Тогда парус может стремительно переброситься с одного борта на другой с резким ударом, могут быть порваны ванты, шкот или опрокинуто судно.
Поэтому, идя на фордевинд, следует загрузить больше корму, а во избежание перебрасывания грота на другой галс полезно тонким шестом (багром, веслом) распереть шкотовый угол паруса. Для этого тонкий конец шеста вставляют в шкотовый кренгельс паруса, а толстый упирают во что-нибудь внутри судна - в борт, кильсон. У распорного шеста должен сидеть человек и придерживать его руками.
Если все же парус бросился на другой борт, то следует руками как можно быстрее подобрать слабину шкота, а телом нажать на румпель и вывести судно на курс бакштаг того галса, на который бросился парус. Иначе переброс может повториться. Это означает, что если, например, парус стоял на левый галс (был вывален на правый борт) и его бросило на правый галс, то при переходе паруса на левый борт следует привести судно в полный бакштаг правого галса (взять правее) и так править.
Если при ходе на фордевинд при крепком ветре волнение начинает заливать судно с кормы, а изменить курс почему-либо невозможно, то нельзя загружать корму для улучшения управляемости; вместо этого нужно выпустить с кормы на прочном конце длиной 5-8 м драгу (волокушу). Драгой может служить обвязанная прочная корзинка, загруженная так, чтобы она едва плавала, а также связка любых предметов, имеющих минимальную плавучесть и оказывающих значительное сопротивление. На неглубоком месте можно спустить с кормы небольшую гладкую балластину, волочащуюся по грунту за судном.
Прямой парус, как уже было сказано, непригоден для лавирования, но может все же работать и при боковых ветрах. По общим правилам оттяжками и шкотами его поворачивают в требуемое положение и рулем удерживают судно на нужном курсе или возможно ближе к нему. В этих случаях наветренные шкот и оттяжку реи заносят вперед, а подветренные - на корму.
4. Повороты.
Под парусами для перемены галса делаются повороты двух видов: поворот оверштаг делают, приводя судно к ветру и переходя носом через линию ветра; поворот через фордевинд делают, уваливая нос судна под ветер и переходя линию ветра кормой.
Рис 140. Поворот оверштаг
Поворот оверштаг (рис. 140) удобнее и безопаснее, чем через фордевинд, так как судно не разгоняется, а наоборот, почти останавливается, проходя носом линию ветра. Перед поворотом подают команду: «К повороту оверштаг готовиться», берут несколько полнее, чтобы увеличить ход, затем подбирают грота-шкот, кладут руль на ветер и травят стаксель-шкот. Судно пойдет носом к ветру, стаксель заполощет. В момент, когда судно стало носом на ветер и заполоскал грот, полезно снова подобрать стак сель-шкот, чтобы он помог перевалить через линию ветра, для этого командуют: «Стаксель на ветер». Затем травят грота-шкот, переводят шкотами стаксель на новый галс, командуя: «Стаксель на правый (или левый) борт», и дают судну под его действием увалиться под ветер на новом галсе, после чего выбирают грота-шкот и ложатся на нужный курс.
Рис. 141. Поворот через фордевинд
Для облегчения поворота оверштаг полезно перед его началом пересадить одного-двух человек в нос. Может случиться, что судно, придя носом к ветру, остановится и пойдет задним ходом. За этим надо следить и сразу же переложить руль. Тогда на заднем ходу рулем можно развернуть корму в нужном направлении и поворот удастся. Если же поворот совсем не удался, то следует быстрее лечь на прежний галс и повторить маневр.
Поворот через фордевинд (рис. 141) делается тогда, когда это требуется по форме фарватера или когда благоприятствуют погода и местность. Этот поворот требует простора, так как судно получает большой ход. Для поворота через фордевинд, после предупредительной команды, начинают уваливаться под ветер, постепенно потравливая грота-шкот. Придя в бакштаг, кладут постепенно руль еще больше под ветер, одновременно быстро выбирают грота-шкот, чтобы при перебрасывании паруса он был выбран, а парус вытянут посреди судна.
Тогда переход грота на другой борт произойдет без рывка. Судно перейдет кормой линию ветра, паруса перейдут на другой галс и «заберут» ветер. Стаксель-шкот травят, чтобы он не препятствовал судну идти носом к ветру. Как только судно пришло на новый галс, грота-шкотом и рулем приводятся на требуемый курс и правят им, подобрав соответственно шкоты стакселя и грота.
При сильном ветре поворот через фордевинд делают, убрав грот или прихватив его к мачте.