Не вятърът, а платното определя посоката. Тема: „Физика на движението на ветроходна яхта

Преди да разгледаме как работи едно платно, трябва да вземете предвид две кратки, но важни точки:
1. Определете какъв вид вятър влияе на платната.
2. Говорете за специфична морска терминология, свързана с курсове, свързани с вятъра.

Истински и привидни ветрове в яхтинга.

Вятърът, който действа върху движещ се кораб и всичко върху него, е различен от този, който действа върху всеки неподвижен обект.
Всъщност вятърът като атмосферно явление, духащо спрямо земята или водата, е това, което наричаме истински вятър.
В яхтинга вятърът спрямо движеща се яхта се нарича привиден вятър и е сумата от истинския вятър и насрещния въздушен поток, причинен от движението на плавателния съд.
Видимият вятър винаги духа под по-остър ъгъл спрямо лодката от истинския вятър.
Привидната скорост на вятъра може да бъде по-голяма (ако истинският вятър е насрещен или страничен) или по-малка от истинския вятър (ако е от попътен вятър).

Посоки спрямо вятъра.

На вятъраозначава от посоката, от която духа вятърът.
На вятъра- от посоката на вятъра.
Тези термини, както и производните от тях, като „наветрено“, „подветрено“, се използват много широко и не само в яхтинга.
Когато тези термини се прилагат за кораб, обичайно е да се говори и за наветрената и подветрената страна.
Ако вятърът духа от десния борд на яхтата, тогава се нарича тази страна наветрено, лява страна - подветреносъответно.
Порт и десен халс са два термина, пряко свързани с предишните: ако вятърът духа от десния борд на кораба, тогава казват, че той плава на десния борд, ако отляво, тогава отляво.
В английската морска терминология това, което се свързва с десния борд и левия борд, е различно от обичайните дясно и ляво. Казват Starboard за десния борд и всичко свързано с него, а Port за лявата страна.

Курсове спрямо вятъра.

Курсовете спрямо вятъра варират в зависимост от ъгъла между посоката на видимия вятър и посоката, в която се движи корабът. Те могат да бъдат разделени на остри и пълни.

Близкият ход е остър курс спрямо вятъра. когато вятърът духа под ъгъл по-малък от 80°. Може да има стръмен близък вятър (до 50°) или пълен близък вятър (от 50 до 80°).
Пълните курсове спрямо вятъра са курсове, когато вятърът духа под ъгъл от 90° или повече спрямо посоката, в която се движи яхтата.
Тези курсове включват:
Gulfwind - вятърът духа под ъгъл от 80 до 100°.
Бекштаг - вятърът духа под ъгъл от 100 до 150° (стръмен бекштаг) и от 150 до 170° (пълен бекштаг).
Преден вятър - вятърът духа назад под ъгъл над 170°.
Ляв - вятърът е строго насрещен или близо до него. Тъй като ветроходът не може да се движи срещу такъв вятър, той по-често се нарича не курс, а позиция спрямо вятъра.

Маневри спрямо вятъра.

Когато яхта под платна промени курса си, така че ъгълът между вятъра и посоката на движение намалява, тогава се казва, че корабът е е даден. С други думи, да се сплескаш означава да отидеш под по-остър ъгъл спрямо вятъра.
Ако настъпи обратният процес, т.е. яхтата промени курса към увеличаване на ъгъла между нея и вятъра, корабът отпада .
Нека изясним, че термините („преди” и „падане”) се използват, когато лодката променя курса спрямо вятъра в рамките на същия халс.
Ако корабът промени халс, тогава (и само тогава!) такава маневра в яхтинга се нарича завой.
Има два различни начина за смяна на халс и, съответно, два завоя: халсИ подигравка .
Халсът е завой срещу вятъра. Плавателният съд се задвижва, носът на лодката пресича линията на вятъра, в даден момент плавателният съд преминава през лявата позиция, след което ляга на другия халс.
Яхтирането при джибс се случва по обратния начин: корабът пада, кърмата пресича линията на вятъра, платната се прехвърлят на другата страна, яхтата лежи на различен халс. Най-често това е завой от един пълен курс към друг.

Работа с платна по време на яхтинг.

Едно от основните предизвикателства за моряка при работа с платна е да ориентира платното под оптималния ъгъл спрямо вятъра, за да го задвижи най-добре напред. За да направите това, трябва да разберете как платното взаимодейства с вятъра.
Работата на платното в много отношения е подобна на работата на крилото на самолета и се извършва според законите на аеродинамиката. За особено любопитните яхтсмени можете да научите повече за аеродинамиката на платното като крило в поредица от статии:. Но е по-добре да направите това, след като прочетете тази статия, като постепенно преминавате от лесен към по-сложен материал. Въпреки че на кого го казвам? Истинските яхтсмени не се страхуват от трудности. И можете да направите всичко точно обратното.

Основната разлика между платното и крилото на самолета е, че за да възникне аеродинамична сила върху платното, е необходим определен ненулев ъгъл между него и вятъра; този ъгъл се нарича ъгъл на атака. Крилото на самолета е с асиметричен профил и може да работи нормално при нулев ъгъл на атака, но платното не.
Докато вятърът тече около платното, възниква аеродинамична сила, която в крайна сметка движи яхтата напред.
Нека разгледаме работата на платно при яхтинг при различни курсове спрямо вятъра. Първо, за простота, нека си представим, че мачта с едно платно е вкопана в земята и можем да насочваме вятъра под различни ъгли спрямо платното.

Ъгъл на атака 0°. Вятърът духа покрай платното, платното се вее като знаме. Върху платното няма аеродинамична сила, има само сила на съпротивление.
Ъгъл на атака 7°. Започва да се появява аеродинамична сила. Насочено е перпендикулярно на платното и все още е с малки размери.
Ъгълът на атака е около 20°. Аеродинамичната сила е достигнала максималната си стойност и е насочена перпендикулярно на платното.
Ъгъл на атака 90°. В сравнение с предишния случай аеродинамичната сила не се е променила значително нито по величина, нито по посока.
Така виждаме, че аеродинамичната сила винаги е насочена перпендикулярно на платното и нейната величина практически не се променя в ъгъла от 20 до 90 °.
Ъгли на атака, по-големи от 90°, няма смисъл да се вземат предвид, тъй като платната на яхтата обикновено не са поставени под такива ъгли спрямо вятъра.

Горните зависимости на аеродинамичната сила от ъгъла на атака са до голяма степен опростени и осреднени.
Всъщност тези свойства варират значително в зависимост от формата на платното. Например, дълъг, тесен и сравнително плосък грот на състезателни яхти ще има максимална аеродинамична сила при ъгъл на атака от около 15°; при по-високи ъгли силата ще бъде малко по-малка. Ако платното е по-шкембе и няма много голямо съотношение на ширината, тогава аеродинамичната сила върху него може да бъде максимална при ъгъл на атака около 25-30°.

Сега нека да разгледаме как работи едно платно на яхта.

За простота нека си представим, че на яхтата има само едно платно. Нека бъде пещера.
Първо, струва си да погледнете как се държи системата яхта + платно, когато се движите по най-острите курсове спрямо вятъра, тъй като това обикновено повдига най-много въпроси.

Да кажем, че яхтата е засегната от вятър под ъгъл 30-35° спрямо корпуса. Като ориентираме платното по курс под ъгъл приблизително 20° спрямо вятъра, ние получаваме достатъчна аеродинамична сила А върху него.
Тъй като тази сила действа под прав ъгъл спрямо платното, виждаме, че тя дърпа яхтата силно настрани. Като разложите силата A на два компонента, можете да видите, че силата на тласък напред T е няколко пъти по-малка от силата, която тласка лодката настрани (D, дрейфова сила).
Какво кара яхтата да се движи напред в този случай?
Факт е, че конструкцията на подводната част на корпуса е такава, че съпротивлението на корпуса на движение настрани (така нареченото странично съпротивление) също е няколко пъти по-голямо от съпротивлението на движение напред. Това се улеснява от кила (или централния борд), руля и самата форма на корпуса.
Страничното съпротивление обаче възниква, когато има какво да се съпротивлява, т.е., за да започне да работи, е необходимо известно странично изместване на тялото, така нареченият ветров дрифт.

Това изместване естествено възниква под действието на страничния компонент на аеродинамичната сила и като отговор незабавно възниква сила на странично съпротивление S, насочена в обратна посока. По правило те се балансират под ъгъл на дрейфа около 10-15°.
И така, очевидно е, че страничният компонент на аеродинамичната сила, най-силно изразен при остри курсове спрямо вятъра, причинява две нежелани явления: отклонение на вятъра и крен.

Дрейфът на вятъра означава, че траекторията на яхтата не съвпада с нейната централна линия (равнината на диаметъра или DP е умен термин за линията нос-кърма). Има постоянно изместване на яхтата към вятъра, като се движи сякаш малко настрани.
Известно е, че при плаване с яхта на близък курс при средни метеорологични условия, ветровото отклонение като ъгъл между DP и действителната траектория е приблизително 10-15°.

Напредвайте срещу вятъра. Такиране.

Тъй като яхтата под платна не е възможна строго срещу вятъра и можете да се движите само под определен ъгъл, би било добре да имате представа колко рязко може да се движи яхтата в градуси спрямо вятъра. И какъв, съответно, е онзи бавен участък от курсове спрямо вятъра, в който движението срещу вятъра е невъзможно.
Опитът показва, че обикновена круизна яхта (не състезателна яхта) може ефективно да плава под ъгъл от 50-55° спрямо истинския вятър.

По този начин, ако целта, която трябва да бъде постигната, е разположена строго срещу вятъра, тогава яхтата към нея няма да се осъществи по права линия, а на зигзаг, първо на един халс, след това на другия. В този случай, на всеки халс, естествено, ще трябва да се опитате да плавате възможно най-рязко срещу вятъра. Този процес се нарича такинг.

Ъгълът между траекториите на яхтите на две съседни галсове при халс се нарича халс. Очевидно при рязкост на движение спрямо вятъра 50-55°, ъгълът на поворот ще бъде 100-110°.

Големината на ъгъла на поворот ни показва колко ефективно можем да се движим към целта, ако тя е строго срещу вятъра. За ъгъл от 110°, например, пътят до целта се увеличава с 1,75 пъти в сравнение с движението по права линия.

Работа на платно на други курсове спрямо вятъра

Очевидно е, че вече при курс на гълфветр силата на тягата T значително надвишава силата на дрейфа D, така че дрейфът и търкалянето ще бъдат малки.

С бекстейга, както виждаме, не се е променило много в сравнение с гълфвиндовия курс. Гротът е поставен в позиция почти перпендикулярна на DP и тази позиция е екстремна за повечето яхти; технически е невъзможно да се разгърне дори по-далеч.

Позицията на грота на курса на джибе не се различава от позицията на курса на бекстейга.
Тук за простота, когато разглеждаме физиката на процеса в яхтинга, вземаме предвид само едно платно - грота. Обикновено яхтата има две платна - грот и стакел (челно платно). И така, при джиб курс, кливерът (ако е разположен от същата страна като грота) е в сянката на вятъра на грота и практически не работи. Това е една от няколкото причини, поради които джибовете не са любими сред лодкарите.

Ветрове, които духат в западна посока в южната част на Тихия океан. Ето защо нашият маршрут беше проектиран така, че на ветроходната яхта „Жулиета“ да се движим от изток на запад, тоест така, че вятърът да ни духа в гърба.

Въпреки това, ако погледнете нашия маршрут, ще забележите, че често, например при движение от юг на север от Самоа до Токелау, трябваше да се движим перпендикулярно на вятъра. И понякога посоката на вятъра се промени напълно и трябваше да вървим срещу вятъра.

Маршрутът на Жулиета

Какво да направите в този случай?

Ветроходните кораби отдавна могат да плават срещу вятъра. Класикът Яков Перелман писа за това отдавна добре и просто във втората си книга от поредицата „Занимателна физика“. Представям това парче тук дословно със снимки.

„Плаване срещу вятъра

Трудно е да си представим как ветроходните кораби могат да вървят „срещу вятъра“ - или, както казват моряците, да вървят „на близко теглене“. Вярно, един моряк ще ви каже, че не можете да плавате директно срещу вятъра, но можете да се движите само под остър ъгъл спрямо посоката на вятъра. Но този ъгъл е малък - около една четвърт от прав ъгъл - и изглежда, може би, еднакво неразбираем: дали да плавате директно срещу вятъра или под ъгъл към него от 22 °.

В действителност обаче това не е безразлично и сега ще обясним как е възможно да се придвижите към него под лек ъгъл от силата на вятъра. Първо, нека да разгледаме как вятърът обикновено действа върху платното, тоест къде бута платното, когато духа върху него. Сигурно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: където и да духа вятърът, той избутва платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: оставете вятъра да духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по-долу; линията AB представлява платното.

Вятърът винаги бута платното под прав ъгъл спрямо неговата равнина.

Тъй като вятърът притиска равномерно цялата повърхност на платното, заместваме налягането на вятъра със сила R, приложена към средата на платното. Ще разделим тази сила на две: сила Q, перпендикулярна на платното, и сила P, насочена по него (вижте фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното никъде, тъй като триенето на вятъра върху платното е незначително. Остава силата Q, която избутва платното под прав ъгъл спрямо него.

Знаейки това, лесно можем да разберем как един ветроходен кораб може да плава под остър ъгъл спрямо вятъра. Нека линията KK представлява линията на кила на кораба.

Как можеш да плаваш срещу вятъра?

Вятърът духа под остър ъгъл спрямо тази линия в посоката, посочена от поредица от стрелки. Линията AB представлява платно; поставя се така, че равнината му да разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Проследете разпределението на силите на фигурата. Представяме налягането на вятъра върху платното чрез сила Q, която, знаем, трябва да е перпендикулярна на платното. Нека разделим тази сила на две: сила R, перпендикулярна на кила, и сила S, насочена напред по линията на кила на плавателния съд. Тъй като движението на кораба в посока R среща силно съпротивление от водата (килът на ветроходните кораби е много дълбок), силата R е почти напълно балансирана от съпротивлението на водата. Остава само една сила S, която, както виждате, е насочена напред и следователно движи кораба под ъгъл, сякаш към вятъра. [Може да се докаже, че силата S е най-голяма, когато равнината на платното разполовява ъгъла между кила и посоките на вятъра.]. Обикновено това движение се извършва на зигзаг, както е показано на фигурата по-долу. На езика на моряците такова движение на кораба се нарича „хервс“ в тесния смисъл на думата.

Нека сега разгледаме всички възможни посоки на вятъра спрямо курса на лодката.

Диаграма на курса на кораба спрямо вятъра, тоест ъгълът между посоката на вятъра и вектора от кърмата към носа (курс).

Когато вятърът ви духа в лицето (leventik), платната висят от едната страна на другата и е невъзможно да се движите с платното. Разбира се, винаги можете да спуснете платната и да включите двигателя, но това вече няма нищо общо с ветроходството.

Когато вятърът духа точно зад вас (джиб, попътен вятър), ускорените въздушни молекули оказват натиск върху платното от едната страна и лодката се движи. В този случай корабът може да се движи само по-бавно от скоростта на вятъра. Тук работи аналогията с карането на велосипед на вятъра - вятърът ви духа в гърба и е по-лесно да въртите педалите.

Когато се движи срещу вятъра (с близко теглене), платното се движи не поради натиска на въздушните молекули върху платното отзад, както при джиб, а поради повдигащата сила, която се създава поради различните скорости на въздуха от двете страни по протежение на платното. Освен това, поради кила, лодката не се движи в посока, перпендикулярна на курса на лодката, а само напред. Тоест, платното в този случай не е чадър, както при платно с близък ход, а крило на самолет.

По време на нашите пасажи плавахме предимно с бекщагове и гълфвиндове със средна скорост от 7-8 възела със скорост на вятъра от 15 възела. Понякога плавахме срещу вятъра, полувятър и теглене. И когато вятърът утихна, включиха двигателя.

Като цяло лодка с платно, което върви срещу вятъра, не е чудо, а реалност.

Най-интересното е, че лодките могат да плават не само срещу вятъра, но дори и по-бързо от вятъра. Това се случва, когато лодката се задържи, създавайки собствен вятър.

Лодката под платно се влияе от две среди: въздушният поток, действащ върху платното и надводната част на лодката, и водата, действаща върху подводната част на лодката.

Благодарение на формата на платното, дори и при най-неблагоприятния вятър (близък ход), лодката може да се движи напред.

Платното наподобява крило, чиято най-голяма деформация е на 1/3 - 1/4 от ширината на платното встрани от предната предна част и има стойност 8 - 10% от ширината на платното (фиг. 18).

Ориз. 18. Профил на платното: B - ширината на платното по хордата (според I.I. Khomyakov, 1976).

Ако вятърът има посока IN(фиг. 19, а), среща платно по пътя, заобикаля го от двете страни. Наветрената страна на платното създава по-високо налягане (+) от подветрената страна (-). Резултатът от силите на натиск образува сила Р, насочена перпендикулярно на равнината на платното или хордата, минаваща през люфа и люфа и приложена към центъра на платното процесор(Фигура 19, b).

Ориз. 19 Сили, действащи върху платното и корпуса на лодката (според I.I. Khomyakov, 1976):

a е ефектът на вятъра върху платното; b - ефектът на вятъра върху платното и водата върху корпуса на лодката.

Сила Рсе разлага на теглителна сила T, насочена успоредно на диаметралната равнина ( DP) на лодката, което кара лодката да се движи напред, и силата на дрейфа д, насочен перпендикулярно DP, карайки лодката да се носи и да се търкаля.

Сила Рзависи от скоростта и посоката на вятъра спрямо платното. Колкото повече Ðbмежду посоката на вятъра INи равнината на платното ПП, толкова по-голяма е мощността Р. Ако Ðb=90°, сила Рдостига максималната си стойност.

правомощия TИ дзависи от Ðgмежду DPлодка и равнината на платното. С увеличение Ðgсила Tувеличава и силата днамалява.

Ефектът на водата върху лодката до голяма степен зависи от контурите на нейната подводна част.

Фиг. 20. Правилно положение на платното при различни посоки на вятъра (според I.I. Khomyakov, 1976): a - близък ход; b - gulfwind, c - jibe.

Въпреки факта, че при ветрове на близко разстояние дрейфовата сила днадвишава теглителната сила T, лодката се движи напред. Тук влиза в действие страничното съпротивление. R 1подводна част на корпуса, която е в пъти по-голяма от съпротивлението Р.

Сила д, въпреки съпротивлението на корпуса, все още издухва лодката извън линията на курса. Компилиран DPи посоката на истинското движение на лодката IPÐ анаречен ъгъл на дрейфа. Колкото по-остър е ъгълът между DPи посоката на вятъра, толкова по-голям е ъгълът на дрейфа, тъй като при острите ъгли теглителната сила Tе незначителен и лодката, която няма достатъчно движение напред, е издухана от вятъра. При вятър със стръмен над 40-45°, лодката не може да се движи напред.

По този начин, най-голямата тяга и най-малкото отклонение на лодката могат да бъдат получени чрез избор на най-благоприятното положение на централната равнина на лодката и равнината на платното спрямо вятъра. Установено е, че ъгълът между DPлодка и равнината на платното трябва да бъде равна на половината Ð Амежду централната равнина и посоката на вятъра. Фигура 20 показва правилната позиция на платното при ветрове с близък ход (a), полуветрен (b) и джиб (c).

При избора на позицията на платното спрямо DPи вятър, командирът на лодката се ръководи не от истинския, а от видимия (видимия) вятър, чиято посока се определя от резултата от скоростта на лодката и скоростта на истинския вятър (фиг. 21).

Фигура 21. Видим вятър.

b и - истински вятър; V w - вятър от движението на лодката;

In in - видим вятър.

Ориз. 22. Монтаж на стрелата спрямо предното платно (според I.I. Khomyakov, 1976):

а - правилно; b - неправилно.

Кливера, разположен пред предното платно, играе ролята на летва. Въздушният поток, преминаващ между стрелата и предното платно, намалява натиска върху подветрената страна на предното платно и следователно увеличава силата на кнехта. Това се случва само ако ъгълът между стрелите и DPлодките са малко по-големи от ъгъла между предното платно и DP(Фигура 22, а). Ако стрелата е натисната до DP, тогава въздушният поток ще удари подветрената страна на предното платно, ще влоши формата му и ще намали теглителната сила (Фигура 22, b). Същият ефект се получава от твърде извита стрела.

Движението на ветроходна яхта при вятър всъщност се определя от простия натиск на вятъра върху нейното платно, тласкайки кораба напред. Изследванията в аеродинамичен тунел обаче показват, че плаването срещу вятъра излага платното на по-сложен набор от сили.

Когато входящият въздух обикаля вдлъбнатата задна повърхност на платното, скоростта на въздуха намалява, докато когато обтича изпъкналата предна повърхност на платното, тази скорост се увеличава. В резултат на това върху задната повърхност на платното се образува зона с високо налягане и зона с ниско налягане върху предната повърхност. Разликата в налягането от двете страни на платното създава теглителна (тласкаща) сила, която движи яхтата напред под ъгъл спрямо вятъра.

Ветроходна яхта, разположена приблизително под прав ъгъл спрямо вятъра (в морската терминология, яхтата е закрепена), се движи бързо напред. Платното е подложено на издърпващи и странични сили. Ако ветроходна яхта плава под остър ъгъл спрямо вятъра, нейната скорост се забавя поради намаляване на теглителната сила и увеличаване на страничната сила. Колкото повече платното е обърнато към кърмата, толкова по-бавно се движи яхтата напред, особено поради голямата странична сила.

Ветроходна яхта не може да плава директно срещу вятъра, но може да се движи напред, като прави поредица от кратки зигзагообразни движения под ъгъл спрямо вятъра, наречени галсове. Ако вятърът духа от лявата страна (1), се казва, че яхтата плава на ляв халс; ако духа от десния борд (2), се казва, че плава на десен халс. За да измине разстоянието по-бързо, яхтсменът се опитва да увеличи скоростта на яхтата до краен предел, като регулира позицията на платното й, както е показано на фигурата долу вляво. За да се сведе до минимум отклонението встрани от правата линия, яхтата се движи, променяйки курса от десен халс към ляв и обратно. Когато яхтата промени курса, платното се изхвърля на другата страна и когато равнината му съвпадне с линията на вятъра, известно време се развява, т.е. е неактивен (средна снимка под текста). Яхтата се озовава в така наречената мъртва зона, губи скорост, докато вятърът отново надуе платното от противоположната посока.

Ефектът на вятъра върху кораба се определя от неговата посока и сила, формата и размера на платната на кораба, местоположението на центъра на платното, стойностите на газене, крен и диферент.

Действието на вятъра в рамките на курсови ъгли от 0-110° причинява загуба на скорост, а при големи курсови ъгли и сила на вятъра не повече от 3-4 бала - леко увеличение на скоростта.

Действието на вятъра в рамките на 30-120° е придружено от дрейф и вятър.

Движещ се кораб се влияе от относителен (видим) вятър, който е свързан с истинския в следните отношения (фиг. 7.1)(2):

Където Vi е истинската скорост на вятъра, m/s;

VK-привидна скорост на вятъра, m/s;

V0 - скорост на кораба, m/s;

Ъгъл на дрейфа на кораба, градуси.

Yk - видим ъгъл на вятъра;

Yi е истинският ъгъл на вятъра.

Специфичното налягане на вятъра върху кораба в kgf/m се изчислява по формулата

Където W е скоростта на вятъра, m/s.

Ориз. 7.1. Връзка между истински и привиден вятър

Ориз. 7.2. Ефект на момента на накланяне

Така че, по време на ураган, когато скоростта на вятъра достигне 40-50 m / s, натоварването от вятъра достига 130-200 kgf / m2.

Общото налягане на вятъра върху кораба се определя от израза P = pΩ, където е площта на платната на кораба.

Големината на кренящия момент Mkr (фиг. 7.2) в kgf m за случай на равномерно движение и действието на силата на налягането на вятъра P, перпендикулярно на DP на кораба, се определя от израза

Където zn е ординатата на центъра на платното, m;

T - средно газене на кораба, m.

Бурното море има най-значително въздействие върху кораба. Съпровожда се от действието на значителни динамични натоварвания върху корпуса и търкалянето на кораба. При плаване в бурно море съпротивлението на корпуса на кораба се увеличава и условията за съвместна работа на витлата, корпуса и главните двигатели се влошават.

Ориз. 7.3. Вълнови елементи

В резултат на това скоростта намалява, натоварването на главните двигатели се увеличава, разходът на гориво се увеличава и далечината на плаване на кораба намалява. Формата и размерът на вълните се характеризират със следните елементи (фиг. 7.3):

Височина на вълната h - вертикално разстояние от върха до дъното на вълната;

Дължина на вълната λ е хоризонталното разстояние между два съседни гребена или падини;

Периодът на вълната t е периодът от време, през който вълната изминава разстояние, равно на нейната дължина (3);

Скоростта на вълната C е разстоянието, изминато от вълната за единица време.

Въз основа на техния произход вълните се делят на вятърни, приливни, анемобарични, земетръсни (цунами) и корабни вълни. Най-често срещаните са вятърните вълни. Има три вида вълни: вятърни, вълни и смесени. Вятърните вълни се развиват, те са под прякото влияние на вятъра, за разлика от вълната, която е инерционна вълна или вълна, причинена от бурен вятър, който духа в отдалечен район. Профилът на вятърната вълна не е симетричен. Подветреният му склон е по-стръмен от наветрения. На върховете на вятърните вълни се образуват хребети, чиито върхове се срутват под въздействието на вятъра, образувайки пяна (агнета) и се откъсват при силен вятър. Посоката на вятъра и посоката на вятърните вълни в открито море като правило съвпадат или се различават с 30-40°. Размерът на вятърните вълни зависи от скоростта на вятъра и продължителността на неговото въздействие, дължината на пътя на вятърните потоци над водната повърхност и дълбочината на района (Таблица 7.1).

ТАБЛИЦА 7.1. МАКСИМАЛНИ СТОЙНОСТИ НА ВЪЛНОВИТЕ ЕЛЕМЕНТИ ЗА ДЪЛБОКОТО МОРЕ (Н/Λ > 1/2)

Най-интензивен вълнов растеж се наблюдава при съотношението 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.

За приблизителни изчисления на средната височина на вълната на постоянните океански вълни се използват следните формули:

С ветрове до 5 бала

При вятър над 5 бала

Където B е силата на вятъра в точки по скалата на Бофорт (§ 23.3).

В условията на развити вълни има интерференция на отделни вълни (до 2% от общия брой или повече), които достигат максимално развитие и надвишават средната височина на вълната два до три пъти. Такива вълни са особено опасни.

Наслагването на една вълнова система върху друга се случва най-интензивно при промяна на посоката на вятъра, има често редуване на бурни ветрове и преди фронта на тропическите циклони (4).

Енергията на вълните на развитите вълни е изключително висока. За плаващ кораб динамичният ефект на вълните може да се определи от израза p=0,1 τ², където τ е истинският период на вълната, s.

По този начин, за периоди на вълна от около 6-10 s, стойността на P може да достигне впечатляващи стойности (3,6-10 t/m²).

Когато корабът се движи срещу вълна, динамичният ефект на вълните ще се увеличи пропорционално на квадрата на скоростта на кораба, изразена в метри в секунда.

Дължината на вълната в метри, скоростта в метри в секунда и периодът в секунди са свързани помежду си чрез следните отношения:

Практически движещ се кораб среща не истинския, а относителния (привиден) период на вълната τ", който се определя от израза

Където a е ъгълът на насочване на фронта на вълновия гребен, измерен по която и да е страна.

Плюс се отнася за случая на движение срещу вълната, минус - по вълната.

При промяна на курса корабът се позиционира спрямо намалената дължина на вълната λ":

Характерът на търкалянето на кораба има сложна връзка между вълновите елементи (h, λ, τ и C) и елементите на кораба (L, D, T1,2 и δ).

Безопасността на кораба по отношение на устойчивостта се определя не само от конструкцията и разпределението на товара, но и от неговия курс и скорост. В условията на развито вълнение формата на съществуващата водолиния непрекъснато се променя. Съответно се променя формата на потопената част на корпуса, рамената на устойчивост на формата и възстановителните моменти.

Престоят на кораба на дъното на вълната е придружен от увеличаване на моментите на изправяне. Стоенето на кораб (особено дълго време) на гребена на вълната е опасно и може да доведе до преобръщане. Най-опасно е резонансното търкаляне, при което периодът на собствените трептения на кораба T1,2 е равен на видимия (наблюдаван) период на вълната?" Естеството на бордовото резонансно търкаляне е показано на фиг. 7.4. Както следва от фигурата, явлението резонанс се наблюдава при съотношение 0,7< T1 /τ" < 1,3

Резонансното люлеене е особено опасно, когато корабът е позициониран с лаг, обърнат към вълната.
Когато корабът следва курс срещу вълната, загубите на скорост се увеличават значително, излагайки краищата и възникват внезапни скокове на скоростта. Вълновите удари в долната част на носа (сламинг феномен) могат да доведат до деформация на корпуса и откъсване на отделни механизми и устройства от фундаментите.

Когато следва вълна, корабът е по-малко податлив на въздействието на вълните. Въпреки това, следването му по вълната със скорост, близка до скоростта на вълната VK = (0,6--1,4) C (корабът „яхна“ вълната) води до рязка загуба на странична стабилност поради промяна на формата и площта на съществуващата водолиния и това води до появата на жироскопичен момент, действащ в равнината на водолинията и значително влошаващ управляемостта на кораба.

Ориз. 7.4. Резонансно накланяне

Най-опасното плаване на малък кораб е в благоприятно море, когато λ=L на кораба, а VK=C.

Универсална схема на накланяне Ю.В. Ремеза

Универсалната диаграма на търкаляне определя зависимостта на наблюдаваните вълнови елементи от промените в елементите на движението на кораба.

Диаграмата се изчислява по формулата

Където V е скоростта на кораба, възли.

Диаграмата определя връзката между X и V sin a за различни стойности на m. Тя е конструирана спрямо преобладаващата вълнова система, която може да бъде идентифицирана на всяко морско ниво и има най-значителен ефект върху движението на кораба (§ 23.4 Универсалната диаграма може да се използва само в зони с достатъчно големи дълбочини (повече от 0,4X вълни).

Използването на универсална диаграма на накланяне ви позволява да решите следните основни проблеми:
- определяне на курса и скоростта, с които корабът може да влезе в положение на резонансно накланяне (накланяне и страна);

Определете дължината на вълната в зоната на плаване;

Определете секторите на курса и диапазоните на скоростта, при които корабът ще изпитва силно търкаляне, близко до резонансно;

Определете курсовете и скоростите, при които корабът ще бъде в най-опасното състояние на намалена странична стабилност;

Определете курсовете и скоростите, при които корабът ще преживее феномена „затръшване“.

(1) По-нататъшното усилване на вятъра е придружено от вятърни вълни, които намаляват скоростта на кораба.
(2) Координатите на истинския вятър са свързани със земята, а видимият вятър с кораба.
(3) На практика движението на водните частици във ветровите вълни се извършва по орбити, близки по форма до кръг или елипса.Движи се само вълновият профил.
(4) Природата на образуването на вълни и връзката им с елементите на вятъра се обсъждат подробно в курса по океанография.