История, Как Возникло Древнерусское Государство, История рода Рюриковичей, Старинные Печати, Государственный Герб России: от первых Печатей до наших Дней, Символы и Святыни России в Картинках, Преподобный Феодосий Кавказский, Русские Святые, Как Появились Награды в России, Портреты Российских Царей, Генералов, Изображения Наград, Русские Народные Игры, Русские Хороводы, Русские народные Поговорки, Пословицы, Присловья, История Древней Греции, Чудеса Света, История Развития Флота, Автомобили Внедорожники, Отдых в Волгограде
Загрузка...

Меню Сайта

Главная

Как Возникло Древнерусское Государство

Русские князья период от 1303 до 1612 года

Династия Романовых

История России с конца XVIII до начала XX века

История и мистика при Ленине и Сталине

История КГБ от Ленина до Горбачева

История Масонства

Казни

Государственный Герб России: от первых Печатей до наших Дней

Символы и Святыни Русской Православной Церкви

Символы и Святыни России в Картинках

Портреты Российских Царей, Генералов, Изображения Наград

Награды Российской Империи

Русские Народные Игры

Хороводы

Русские народные Поговорки, Пословицы, Присловья

История Древней Греции

Преподобный Феодосий Кавказский

Русские Святые

Алгоритмы геополитики и стратегии тайных войн мировой закулисы

Чудеса Света

Катастрофы

Реактивные самолеты и ракеты Третьего рейха

История Великой Отечественной Войны, Сражения, Нападения, Операции, Оборона

История формирования, подготовка, и выдающиеся операции спецподразделений (спецназа)

История побед летчика Гельмута Липфера

История войны рассказанная немецким пехотинцем Бенно Цизером

Мифы индейцев Южной Америки

История Развития Флота

История развития Самых Больших Кораблей

Постройка моделей Кораблей и Судов

История развития Самых Быстрых Кораблей

Автомобили Внедорожники

Вездеходы Снегоходы

Танки

Подводные Лодки

Туристам информация о Странах

Отдых в Волгограде

Сопротивление Воды при движении Корабля

По современным представлениям, при движении корабля на него действуют две равные и противоположно направленные горизонтальные силы.

Одна из них, действующая в направлении движения,— тяга движителя, другая — сопротивление воды, которое возникает вследствие того, что корпус корабля испытывает ряд сопротивлений, получивших названия и обозначения.

Это сопротивление трения Rfсопротивление формы Rpv волновое сопротивление Rw воздушное сопротивление Rв Таким образом, полное сопротивление Rт представляет собой сумму указанных составляющих:

Rт = Rf + Rpv + Rw + Rв

Каков физический смысл составляющих полного сопротивления?

Сопротивление трения связано с вязкостью жидкости. Если поместить в воду гладкий лист фанеры или металла и буксировать его в вертикальном положении ребром вперед, то даже при полированной поверхности буксируемого листа динамометр покажет значительное усилие, которое с увеличением скорости буксировки будет возрастать приблизительно по квадратичному закону. Какие же силы препятствуют движению листа в воде?  Посмотрите с высоты птичьего полета на линейный корабль США «Техас» (рис. 11). Впечатление такое, что в слое, непосредственно примыкающем к корпусу корабля, вода вскипает. С увеличением  скорости   интенсивность процесса  возрастает.  Почему?

В силу вязкости воды ее частицы, сцепившись с поверхностью корпуса корабля, прилипают к нему и движутся вместе с ним. Силы сцепления частиц воды друг с другом меньше, чем с твердым телом, и второй слой воды, расположенный рядом с первым, будет несколько отставать от него по скорости, как бы

цепляясь за него, но постепенно сползая. Каждый последующий слой будет двигаться по отношению к кораблю с несколько меньшей скоростью, чем предшествующий. Увлекаемые трением, движущиеся вместе с кораблем массы воды образуют попутный поток, называемый пограничным слоем, на создание которого затрачивается работа.

Возможно, читатель слышал о рыбе-лоцмане, сопровождающей акул и питающейся остатками их добычи. Маленькая рыбка, длиной не более 20см, передвигается в непосредственной близости от акулы, едва не касаясь ее туловища плавниками.

 

Рис. 11. Линейный корабль «Техас» на полном ходу

В 1930-х годах всемирно известный советский океанограф В. В. Шулейкин обнаружил любопытную зависимость максимальной скорости рыб и морских животных от их размеров. Согласно этой зависимости, акула могла развивать скорость около 15 уз, в то время как рыба-лоцман — не более 5 уз. Все получило объяснение, когда выяснилось, что рыбки — спутники акул плавают в пограничном слое, образующемся вокруг хищниц, и сопровождают их как бы на буксире. Если же рыбка «не угадает», на каком участке туловища акулы эффект пограничного слоя будет максимальным, эту разницу она легко покрывает за счет собственных мышц.

Основное представление о пограничном слое сформулиро-вал великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907), который постоянно интересовался вопросами кораблестроения и много сделал в этой области. В 1880 г. Менделеев в своей работе «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании» отмечал основную роль «прилипшего к твердому телу слоя жидкости, который движется вместе с телом и увлекает последнее». Почти одновременно с Менделеевым и независимо от него мысль о существовании и о значении пограничного слоя высказал Н. Е. Жуковский.

Первое теоретическое обоснование и анализ явлений, происходящих в пограничном слое, принадлежит выдающемуся немецкому ученому Л. Прандтлю (1875—1953), который объяснил и подтвердил опытами, что течение жидкости, обтекающей тело, можно разделить на две области: область относительно тонкого слоя вблизи тела (пограничный слой), где трение играет существенную роль, и область вне пограничного слоя, где трением можно пренебречь.

Исследователем, сыгравшим первостепенную роль в развитии теории пограничного слоя, был англичанин О. Рейнольдс (1842—1912), который дал объяснение парадокса, многие годы сдерживавшего развитие гидродинамики. Суть парадокса сводилась к следующему. Рейнольде доказывал, что сопротивление жидкости, протекающей в трубе, прямо пропорционально скорости жидкости и обратно пропорционально квадрату диаметра трубы, в то время как его оппоненты утверждали, что сопротивление жидкости прямо пропорционально квадрату скорости ее движения и обратно пропорционально диаметру трубы. Многократные опыты подтверждали оба вывода. За выяснение истины взялся Рейнольдс.

В воду, протекавшую по стеклянной трубке, ученый ввел тонкую струйку красителя. В трубке как бы протянулась цветная нить в виде слоя, не смешивающегося с основным потоком воды. Такое движение воды Рейнольде назвал ламинарным (от латинского слова lamina — пластинка). А если увеличить скорость воды в трубке? При этом картина резко изменилась. Скачком замедлилось движение подкрашенного слоя. Быстрые беспорядочные завихрения перемешали краситель в воде. Ученый назвал такое движение воды турбулентным (от латинского turbulentus — быстрый, беспорядочный). Итак, все стало на свои места. Различие в результатах опытов являлось следствием того, что одни исследователи экспериментировали при ламинарном течении жидкости, а другие при турбулентном.

Рейнольде вывел безразмерное соотношение, которое в его честь названо числом Рейнольдса. Физическая суть числа Рейнольдса заключается в том, что произведение скорости течения жидкости (или движения тела) на характерный размер тела, деленное на показатель вязкости жидкости, есть число постоянное. Турбулентность появляется тогда, когда силы инерции, определяемые скоростью жидкости, ее плотностью и характерным размером тела, превышают силу вязкости жидкости.

Число Рейнольдса имеет первостепенное значение для областей техники, связанных с движением жидкости или с движением тел в ней. Оно позволяет достаточно точно определить коэффициент сопротивления трения, который необходим при расчете сопротивления трения. При турбулентном режиме коэффициент сопротивления трения гораздо выше, чем при ламинарном. Вот почему, несмотря на то что, как мы уже знаем, вода не трется о поверхность корпуса корабля, обшивку подводной части стремятся сделать более гладкой и систематически очищают в процессе эксплуатации. Это делается с одной целью — снизить турбулентность пограничного слоя. Ведь всякие неровности на подводной части корпуса, даже песчинки и грязь, являются источниками образования вихрей в пограничном слое, а следовательно, турбулизаторами.

Еще древние мореплаватели знали, что обрастание корпуса судна представителями морской флоры и фауны приводит к снижению скорости. Особенно «хорошо» обрастал дуб — наиболее распространенный материал времен деревянного судостроения. Для предохранения кораблей и судов от обрастания применялись различные способы. Так, в XVI в. имели место попытки применить для обшивки подводной части корпуса свинец. Однако из-за низких механических свойств свинец не выдерживал  волнения  моря, и   тяжелые  листы  обшивки  обрывались, История донесла до нас и сведения о покрытиях в виде медных гвоздей с огромными шляпками, защищавшими большую часть корпуса ниже ватерлинии от обрастания.

Загрузка...

В XVIII—XIX вв. получила распространение уже упоминавшаяся нами обшивка подводной части корпусов тонкими медными листами. Из-за высокой цены на медь во Франции пытались заменить медные листы цинковыми. Но цинк в морской воде быстро разрушался,  и опыты были прекращены.

Итальянские судостроители пошли на смелый эксперимент, облицевав подводную часть корпуса судна «Буффало» тонкими стеклянными пластинами. При осмотре судна в доке после нескольких месяцев плавания было установлено, что пластины совершенно не обрастают, однако часть пластин... отсутствовала, так как надежно укрепить их на обшивке корпуса и защитить от механических повреждений было невозможно.

До наших дней основным способом борьбы с обрастанием является очистка подводной части корпуса в доке и покрытие ее специальными составами, содержащими вещества, губительно действующие на морских обитателей.

Сопротивление формы зависит от конфигурации движущегося в жидкости тела. Как и сопротивление трения, оно обусловлено вязкостью жидкости.

Посмотрим сверху на корабли, один из которых — длинный и узкий, с плавными формообразованиями, а второй имеет полные формообразования и широкую корму (рис. 12). У первого корабля пограничный слой простирается вдоль бортов с плавным переходом в попутный поток, у второго как бы отрывается от корпуса, образуя широкий след. В зоне отрыва обтекающие корпус потоки резко срываются и превращаются б завихрения. Происходит так называемый отрыв пограничного слоя.

 

Рис. 12. Обтекание корпусов кораблей с разными формообразованиями

Частицы воды, находящиеся в слоях, ближайших к поверхности корпуса корабля, движутся по отношению к нему с очень малой скоростью и, следовательно, приобретают небольшую кинетическую энергию. Двигаясь от носа к корме, где давление больше, чем в средней части, частицы, потеряв из-за вязкости воды часть своей кинетической энергии, не в состоянии преодолеть повышенное давление в кормовой оконечности корабля. Израсходовав всю энергию, частицы останавливаются, а затем под воздействием повышенного встречного давления начинают двигаться назад, навстречу потоку, отрывая пограничный слой от поверхности корпуса. За точкой, в которой происходит отрыв пограничного слоя, зарождаются и образуются вихри — добавочное сопротивление.

Именно этим объясняется интенсивный отрыв пограничного слоя у кораблей с тупой кормовой оконечностью и, наоборот, незначительный отрыв, а порой и полное его отсутствие у кораблей с большим отношением длины к ширине и узкой кормой. У некоторых типов судов, а особенно у барж, сопротивление формы может составлять около 50% полного.

Волновое сопротивление вызвано тем, что вода, обладая массой, оказывает давление на каждую точку поверхности подводной части корпуса корабля. Когда корабль стоит без движения, давление действует перпендикулярно или, как говорят, нормально к поверхности корпуса в каждой данной точке. Горизонтальные составляющие давлений взаимно уравновешиваются, а вертикальные в сумме создают архимедову силу поддержания, равную массе корабля.

 

Ряс. 13. Система волн, создаваемая движущимся кораблем

Но как только корабль начнет двигаться, частицы воды, выведенные из равновесия, начинают совершать колебания под воздействием силы тяжести воды, образуя систему волн. Носовая часть корабля, вклиниваясь в массу спокойной воды, оказывает на нее давление и вытесняет значительный объем. Поскольку геометрические размеры корпуса постоянны, корпус высвобождает точно такой объем пространства, который мгновенно заполняется окружающей корабль водой. Процесс происходит настолько быстро, что масса воды приобретает ускорение и ,по инерции поднимается выше, а затем опускается ниже, чем требуется для равновесия. В носовой и кормовой частях корпуса давление повышается, в то время как в средней части понижается. Соответственно повышается и понижается уровень воды — образуются корабельные волны, которые, двигаясь со скоростью корабля, как бы сопровождают его.

Пока скорость корабля неизменна, волны движутся вместе с ним, не меняя ни величины, ни расположения. Если корабль идет малым ходом, хорошо заметны расходящиеся волны, представляющие собой короткие валы, приблизительно параллельные друг другу, которые зарождаются в носовой и кормовой частях корабля (рис. 13). С увеличением скорости корабль сопровождают поперечные волны, располагающиеся между расходящимися, перпендикулярно к направлению курса, которые также зарождаются в носовой и кормовой частях корабля. На месте первой расходящейся волны в носовой части появляется бугор, который затем превращается в первую поперечную волну носовой системы волн.

Эта волна начинается гребнем, а первая поперечная волна кормовой системы волн — впадиной. Длина гребня у каждой последующей поперечной волны обеих систем больше, чем у предыдущей, а высота меньше. При значительном развитии поперечных волн расходящиеся теряют рельефность, а у быстроходных кораблей вообще становятся малозаметными.

В результате возникновения волн распределение давления воды на корпус резко изменяется по сравнению с тем, каким оно было при неподвижном корабле. Горизонтальные составляющие давлений уже не уравновешивают друг друга, а их результирующая — волновое сопротивление — оказывается направленной навстречу движению кораблю.

Волновое сопротивление является главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих кораблей, так как по мере увеличения скорости оно очень интенсивно возрастает: если сопротивление трения растет примерно пропорционально квадрату скорости, то волновое сопротивление возрастает примерно пропорционально четвертой степени.

В этом отношении подводные лодки находятся в более выгодном положении. Из рассмотренного нами механизма волнового сопротивления видно, что   непременным его условием является расположение корпуса корабля на границе двух сред — воды и воздуха. Вот почему у подводной лодки, погруженной на  достаточную глубину, волновое сопротивление вообще отсутствует.

Говоря о составляющих полного сопротивления, необходимо остановиться и на сопротивлении выступающих частей. На корпусе корабля в его подводной части неизбежны конструктивные элементы, которые выступают над плавной формой очертания поверхности. Их называют выступающими частями. К выступающим частям относятся гребные валы с кронштейнами, рули, различные наделки корпуса и т. п. Известны двух и трехвинтовые быстроходные корабли, у которых сопротивление выступающих частей составляет порядка 25—30% полного сопротивления.

История развития Самых Быстрых Кораблей