> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Сопротивление воды 1Г

Сопротивление воды 1Г

Сопротивление воды 1Г движению судна и зависимость егоот размеров и формы последнего были известны уже древним: однако, при малых скоростях, какие доставляли современные примитивные средства передвижения. как весла и паруса, сопротивление судов, вообще говоря, было невелико и не могло побудить к его научному исследованию, а потому достижение тех или иных успехов в этой области шло чисто эмпирическим путем. Так продолжалось до половины XVII в., когда Галилеем были предприняты опыты с падением тел в воде и воздухе; полвека спустя Ньютон дал свою чисто математическую «инерционную“ теорию со“ противления движению тел в среде, лишенной сцепления между частицами. Хотя во второй половине XVIII в.опыты,проделанные Борда, показали непрактичность этой теории, все же она просуществовала около ста лет, и лишь в конце XVIII в на смену ей пришли теории, производившие сопротивление, главным образом, от трения частиц воды между собою и о поверхность судна. Для изучения законов этого трения, не поддававшихся чистой теории, оказалось существенно необходимым заняться, прежде всего, экспериментальным исследованием вопроса (опыты Бофуа); однако, слишком пристальное увлечение опытом едва не повело к тому, что теория оказалась на втором плане, и лишь в последнее время она вновь начинает продвигаться на подобающее ей место.

Уже в конце XVIII в Дю-Буа различал, кроме встречного носового сопротивления, также влияние обтекающих кормовую часть потоков воды, образующих и о о у т-н и и поток и вызывающих подавление на корму; в тридцатых годах XIX в Скотт-Россель указал на важное значение в вопросе сопротивления условий волнообразования, которому он даже отводил первое место. Все больше раздвигавшиеся пределы исследования дали Ранкину возможность снова отдать преимущество трению, пока, наконец, В. Фруд не примирил оба направления, указав путь, который отводил каждому из них надлежащее место. Но его представлению полное сопротивление воды движению судна составляется из: а) сопротивления от трения частиц воды о поверхность корпуса судна R,; б) сопротивления от образования близ поверхности судна водоворотов R3; в) сопротивле

ния от образования волн в районе движения судна R, яг) отсопривлеыия воздуха подводиой части судна Rt.

Благодаря опытам, произведенным над буксировкой по воде досок разных размеров и при разных скоростях, сопротивление трения Rj оказалось возможным выразить формулой:

Rj =» Д. f,. W. v

где Д — плотность воды, f,—сопротивление в к па lm’ поверхности (т. паз. к о э ф ф. трения), W—поверхность подводной части в m“, v — скорость в m/seo и х — показатель, равный 1,93. Сопротивление от водоворотов R3t вызываемое трением в ближайшихк поверхности судна слоях воды, можно считать, примерно, 8% —10% от R,. Волновое сопротивление R3 представляется гораздо более сложным, так как образуемы) судном волны могут складываться в самые различные комбинации. При установившемся ходе судна на тихой воде образуются поперечные и расходящиеся волны (фигура 19). Поперечные волны, гребни которых перпендикулярны движению судна, интерферируют друг с другом и, в зависимости от скорости судна и его длины, значительно усложняют явление; что касается расходящихся волн, образующих как бы «усы“, то они держатся обособленно, причем угол их расхождения мало изменяется со скоростью. Для судов обычного типа волновое сопротивление достаточно точно может быги выражено формулой: 3

D lv«

Е, - о L,

где D — водоизмещенио в т.ах, v — скорость в узлах, L—длина в m и с — коэфф., равный 0,05—0,06.

Между прочим, картина волнообразования обладает тем свойством, что для геометрически подобных судов она становится идентичной при некоторых сходственных скоростях, а именно, когда эти скорости пропорциональны корням квадратным из линейных размерений таких судов; при этом величины волнового сопротивления становятся пропорциональными кубам линейных размерений. На этом основании Б. Фруд предложил воспользоваться для изучения сопротивления данного судна исследованием сопротивления его уменьшенной модели в специальном опытовом бассейне; получив пз опыта величину полного сопротивления модели г, он вычитал из нее со противление трения модели r1=f3.w.v,te3 (где w — смоченная поверхность модели=W ) и vi—скорость буксирования в узлах =v, a fj—соотв. коэфф. трения):

полученное ост ат очное сопротивление В. Фруд по вышеуказанному вакопу подобия распространял на судно, получая, таким образом, величину волнового со-/L

противления R3=(r—г,), —j, где L и I линейныеразмерения судна и модели. Прибавляя к этой величине R3, вычисляемую отдельно величину сопротивления трения для судна “R,=f.W.vl,s3 он получал, следовательно, полное сопротивление для данного судна (ф и г. 20).

Опытовый бассейн представляет здание, во всю длину которого идет достаточно широкий и глубокий канал, наполненный водой (длина этого канала достигает 200 ш). Но обеим стенкам канала проложены рельсы, а по ним ходит тележка, способная выдержать вес приборов и нескольких человек. На тележке имеется устройство для подвешивания параффиновой модели таким образом, чтобы она сидела в воде до надлежащего уровня; тележка движется с желаемой скоростью и тянет за собою модель, причем величина встречаемого моделью сопротивления автоматически регистрируется специальным динамометром.

На величину остаточного сопротивления имеет большое влияние форма судна; изучением влияния отдельных характеристических элементов судна занимаются по настоящее время многие ученые. Таким образом, было изучено влияние большей или меньшей величины коэфф. полноты водоизмещения, положения мидель-шпангоута по длине, цилиндрической вставки ), отношения между главными размерениями судна и так далее

) Цилиндрическая вставка образуется, когда средняя часть судна на некотором протяжении имеет совершенно одинаковое поперечное сечение; это обстоятельство дает значительную выгоду при постройке суди а

С другой стороны, па величину остаточного сепротпвле-ния имеет влияние глубина воды в районе движения судна; при недостаточной глубине воды сопротивление начинает увеличиваться быстрее обычного, что продолжается до некоторой скорости (примерно, равной (6) t), где t—глубина воды в ш, а скорость—в узлах), после чего сопротивление растет гораздо медленнее обычного, пока не установится такого же порядка, как

на глубокой воде. Точно также на величину сопротивления оказывает влияние поперечное сечение русла, по которому движется судно (ф и г. 21); поэтому для судов внутреннего плавания с этим влиянием приходится считаться, особенно, когда отношение между поперечным сечением канала и мидель-шпангоутом судна опустится ниже известного предела. По опытам Беллипграта можно считать, что возрастание сопротивления про/ ш V

порциокальпо величине у --- J, где m—отношениевышеупомянутых площадей. Кроме того, в виду вредного влияния волны, развиваемой при движении судна, на

Фигура 21.

берега каналов, а также других условий, форма судов внутреннего плавания имеет другой вид, чем у глубоко сидящих морских судов.

Полученная тем или другим путем величина полного сопротивления судна служит основанием для расчета мощности его двигателя; при этом эффективная мощность двигателя в лошадиных силах будетравна ЕНР=—~— (где К — сопротивление в ke, v-75

Скорость хода в ш/яес и 75 — эквивалент лош. с. в mkg) и выразит полезную работу, затрачиваемую на движение

Судна. Однако, кроме этой полезной работы, двигатель должен снабжать энергией обслуживающие его вспомогательные механизмы, а также покрывать неизбежные потери энергии на трение, работу движителей и так далее,. причем для паровой машины эти потери нс меньше, если только не превосходят, полезной работы, и, следовательно, ковфф. полезн. действия установки не более 50%. Поэтому индикаторная мощность машины, развиваемая в ее цилиндре, оказывается в 2,0— 2.5 раза больше эффективной.

Весьма часто для определения индикаторной мощности машины пользуются эмпирическими формулами, точность которых становится значительно вероятнее, если можно воспользоваться результатами испытаний схожих по типу и размерам судов. Из таких формул наиболее употребляются:

а) адмиралтейские; — английская:

IHP

и французская: 1НР =

0V3

гп3

где D —

водоизмещение в t. 0 — площ. миделя в m“. v — скорость в узлах, а С и пт“—коэфф-ты, величина которых лежитв следующих пределах:

С шабольшие пассажирские пароходы. . 240—300 55—57 малые » » . . 150—250 40—45

большие грузовые парохолы 260—400 64—75

малые 150—250 40—64

буксиры 100—150 15—34

речные колесные пароходы 165—275 40—60

б) ннж.-мех. В. И. Афанасьева:

где А0 — коэфф., величина которого для судов с плохо окрашенной подводной поверхностью и неважными винтами — 23, для нормальных судов и винтов — 24, а для очень удачно подобранных обводов судна и при лучших винтах — 25; для мелких судов внутреннего плавания А0 спускается до 20; v—наибльшап скорость судна в узлах, и к — отношение L:B

b) формула Тэйлора (в форме, указанной проф. А. П. Ф а н-д е р-Ф лито м):

100

+ 1,5

(fj

(-V

моо/

]

г;:о

ЕНР — эффективная мощность в лошадиных силах, т) — коэфф; пол. д. всей установки, включая колеса, винты и так далее. W — смоченная поверхность в ф.а, v — скорость в узлах, о — коэфф. водоизмещения, D — водоизмещение в t, L — длина по грузовой в футах.

Фигура 22.

Приведенные формулы показывают, как сильно растет индикаторная мощность машины при увеличении скорости, например, прибавка скорости всего на 10% потребует увеличения мощности почти на 30 — 35%, а зто, в свою очередь, вызовет в такой же мере как излишний вес машины, так и излишний расход топлива. При постоянном весе всего судна такая добавка к весу механизмов и топлива отразится тотчас уменьшением грузоподъемности на торговых судах и ослаблением весанаступательных или оборонительных средств на военных судах. На фигуре 22 показаны крнвыо мощностей для нескольких разнотипных судов.

В тесной связи с вопросами мощности двигателя находится вопрос о работе судовых д в и ж и т ел е й, как естественных (паруса), так и искусственных (весла, колеса, винты, водомет и так далее). Из истории С. видно, что почти до конца средних веков как несла, так и паруса имели одинаково широкое применение; натем паруса получили преобладающее значение и сохраняли его до половины прошлого столетия, когда появились паровые суда с колесными и винтовыми движителями. Однако, и в настоящее время паруса продолжают применяться в качестве дешевого способа движения, особенно при перевозке громоздких и дешевых грузов: леса, руды, зерна, угля, нефти и тому подобное. Основной недостаток парусных судов — полная зависимость их от ветра — в настоящее время избегается тем, что на паруснике ставят небольшой вспомогательный паровой или тепловой двигатель, который позволяет ему в момент затишья или противного ветра не останавливаться, а передвигаться, хотя и с небольшей скоростью, до нового попутного ветра.

Давление ветра па парус зависит от скорости ветра, площади паруса и положения паруса относительно направления ветра. Обычно, для оценки силы ветра пользуются шкалой Бофорта, каждый из 12 баллов которой, начиная от полного штиля до жестокого урагана, соответствует ветру определенной скорости и давления на единицу неподвижной поверхности. Таким образом, ураган в 12 баллов имеет скорость 40 m/sec, а давление 195 kg/m3; буря в 8 баллов и средний ветер в 4 балла будут иметь соответственно: 21,5 m/sec и 56 kg/ma, ю,3 m see и 12,6 kg/m3. Вообще говоря, давление ветра на парус можно довольно точно определить из выражения: Р=0,12 Av3, где Р — давление в kg, А—

Д

площадь паруса в т8 и v — скорость ветра в m/sec; если поверхность находится под некоторым углом а к направлению ветра, то давление его на парус, по формуле _ , 2 since

Дюшмена, будет пропорционально——. Давление

1 + sin3 аветра на парус будет зависеть от относительной скорости ветра, равной разности между скоростями ветра и судна. При этом (ф и г. 23) давление ветра можно в конечном счете разложить на две составляющих: КВ вдоль судна и КВ перпендикулярно к борту; так как сопротивление судна в этом направлении гораздо больше, то движение судна пойдет не но направлению DB, а по некоторому Х,Х, угол которого у с диаметральной плоскостью судна паз. углом дрейфа. Давление ветра на паруса можно считать приложенным в центре парусности, ко ординаты которого по длине и высоте получатся и-

Е A. i . 3

выражения-0=-—, гдо 1А.<; сумма произведений

ЗА ,

площади каждого паруса на расстояние его ц.т. от неко торой осповиой линии, наир., грузовой ватерлинии’ a IA— сумма площадей всех парусов. В зависимости от положении ц. парусности по длине судна оно может быть или устойчивым на курсе, или рыск д и-вым (когда ц. пар. слишком впереди), или увальчивым (ц. пар. слишком в корму от средины судна).По» яожонне ц евтра парусности по высоте весьма важно для остойчивости судна; при небольших допускаемых углах крена (4° — 6) общее уравнение поперечной остойчивости дает: sin if =

р. A. h

D. MG

ветра на ma, A.h — общий момент парусности по высоте относительно ц. бокового сопротивления (принимаемого обычно в ц. тяж. погруженной части диаметральнойплоскости), D — водоизмещение в t и MG — поперечная метацентр, высота в т; величина — наз. к о э ф ф.