Нельзя объять необъятное, но... желательно

 

Определение характеристик остойчивости и ходовых качеств яхт и др.

Упрощенная методика определения характеристик остойчивости и ходовых качеств яхт, а также некоторых навигационных параметров



Автор: к.ф.-м.н. Козлова Н.Л.
Киев, Национальный авиационный университет, кафедра теоретической физики


Остойчивость - это сопротивление, оказываемое судном силам, которые приводят к возникновению крена.

Остойчивость является одним из наиболее хорошо изученных мореходных качеств судна. Для парусника остойчивость важна еще и потому, что определяет способность судна нести паруса и таким образом непосредственно влияет на ходовые качества. Из-за небольших размеров и характерных принципов движения, эти суда гораздо сильнее подвержены неблагоприятному воздействию стихии, что предъявляет особые требования к их остойчивости как важнейшему фактору безопасности.

Статическая или динамическая остойчивость - можно ли обеспечить одновременно и ту, и другую? Выбор между статической и динамической остойчивостью приводит нас к компромиссу, когда однозначно правильного ответа не существует. У более тяжелых яхт выше статическая и динамическая остойчивость, но хуже эксплуатационные качества. У широких яхт выше статическая остойчивость, но также выше риск опрокидывания и отрицательная остойчивость. Широкий корпус обычно характерен для легких судов с более высокой ходкостью, имеющих малый период бортовой качки и небольшой момент инерции. Кроме того, у яхт с высокими ходовыми качествами, как правило, меньше сечение мачт и легче такелаж. Это снижает вес надводной части и повышает статическую остойчивость, но значительно снижает момент инерции. Тяжелые крейсерские суда с глубоким бульбкилем, тяжелым рангоутом, обилием такелажа и радаром, размещенным над краспицами, обладают значительным моментом инерции, большим периодом бортовой качки и очень устойчивы к порывам ветра и ударам волн.
Лучше всего делать оценки, исходя из назначения судна. От судна для прибрежного плавания, например, можно ожидать меньшей динамической остойчивости из-за широкого корпуса. От океанского крейсерского судна, вероятно, нет. Подобным образом, рангоут из углеволокна может повысить статическую остойчивость (хорошо при слабых ветрах), но существенно снизит момент инерции. Хотя статическая остойчивость всегда является критическим параметром парусных судов, необходимо также знать их динамические характеристики, так как последние играют важнейшую роль в штормовых условиях.




Для вычисления величины угла положительной остойчивости (расчетного угла заката диаграммы остойчивости) используется приведенная ниже эмпирическая формула. Эта величина является одним из наилучших показателей предельной остойчивости. Если угол крена не превышает данную величину, судно еще сохраняет способность к самовосстановлению. Для динги, например, этот угол составляет примерно 80 градусов, для судна, предназначенной для плавания во внутренних водах, величина угла должна быть не менее 100 градусов. Для яхт открытого моря этот угол должен быть не менее 120 градусов. Яхты с углом положительной остойчивости меньшим 140 градусов могут устойчиво оставаться в перевернутом положении после опрокидывания. Если этот угол превышает 140 градусов, яхта, как правило, самостоятельно возвращается в нормальное положение.

Угол положительной остойчивости примерно равен: 110 + ( 400 / (SSV-10) ).

Здесь:
величина SSV (Screening Stability Value) = (Ширина наибольшая**2 ) / ( BR*HD*DV**1/3 )
где:
BR - Балластный коэффициент ( Вес киля / Общий вес яхты )
HD - Осадка корпуса
В этой формуле наибольшая ширина и осадка корпуса задаются в метрах.
DV - Водоизмещение в кубических метрах.
Если величина DV задается в фунтах водоизмещения, то она преобразуется в кубические метры по следующей формуле:
Водоизмещение в кубических метрах = ( Вес в фунтах / 64 )* 0.0283168



Нижеприведенная формула используется для определения величины фактора риска опрокидывания CSF (Capsize Screening Formula). Этот эмпирический показатель был введен яхтенным гоночным союзом США (USYRU - United States Yacht Racing Union) по результатам анализа гонки FASTNET 1979 года.

Величина CSF = Ширина корпуса / (Водоизмещение / 64)**1/3

Здесь водоизмещение задается в фунтах, ширина корпуса измеряется в футах.

С помощью данной формулы можно оценить сопротивляемость яхты крену и опрокидыванию. Полученное значение можно использовать только как приближенную оценку. В целом, тяжелые яхты с узкими корпусами являются более остойчивыми. Величина CSF, не превышающая 2, соответствует достаточной степени остойчивости. Если величина CSF превышает 2, это свидетельствует о том, что яхта может быть подвержена опрокидыванию.

В данной формуле не учитывается полностью положение центра тяжести по вертикали (VCG). Значение VCG может быть уменьшено за счет использования длинного киля или закрепления вдоль нижнего края киля дополнительного балласта. Однако, по мнению А. Коулса [2], "влияние большого перемещения центра тяжести по вертикали на подверженность яхты опрокидыванию удивительно мало". Тем не менее, низкое расположение центра тяжести заметно улучшает способность яхты к самовосстановлению после опрокидывания. Поэтому, яхты с длинным свинцовым килем или свинцовым бульбом на конце киля могут иметь больший угол положительной остойчивости по сравнению с рассчитанным по формуле значением.




Показатель SA/D - отношение площади парусности к водоизмещению - характеризует ходкость парусной яхты в слабый ветер. Чем выше этот показатель, тем быстрее будет двигаться яхта.

По существу, это - отношение мощности к весу, вычисленное при полном стакселе и не зависящее от длины корпуса.
Для крейсерских яхт величина данного показателя лежит в пределах от 10 до 15.
Для крейсерско-гоночных яхт его величина находится в пределах от 16 до 20.
Для гоночных яхт этот показатель превышает 20.
Для экстремальных гоночных яхт значение этого показателя превышает 24.

Формула для вычисления:

SA / D = Площадь парусности / (Водоизмещение)**2/3

Здесь:
Площадь парусности - в квадратных футах
Водоизмещение - в кубических футах




Показатель D/L - отношение водоизмещения к длине. Свидетельствует о том, является ли судно тяжелой крейсерской яхтой (значение превышает 325) или же легкой гоночной яхтой (значение не превышает 200). Возможно, это наиболее распространенный и понятный оценочный показатель. Малые значения, обусловленные низким весом и большой длиной по ватерлинии, ассоциируются с высокой ходкостью. Общая тенденция для новых парусных яхт - к уменьшению этого показателя, которое обеспечивает лучшие эксплуатационные качества. Недостатком является то, что легкие яхты больше подвержены воздействию шторма. Это требует постоянного внимания к рулевому управлению и настройке парусов, утомительных для экипажа.

Формула для вычисления:

D / L = Водоизмещение / ( 0.01 * LWL )**3

Здесь:
LWL - длина корпуса по ватерлинии в футах
Водоизмещение берется в длинных тоннах (1 длинная тонна = 1,016 метрической тонны)




Ветровая нагрузка на парус - сила, с которой вымпельный ветер воздействует на парус.

Формула для вычисления:

Нагрузка в фунтах = Площадь парусности * (Скорость ветра )**2 * 0.00431

Здесь:
площадь парусности - в квадратных футах
скорость ветра - в узлах

Это выражение полезно при определении размера лебедки, необходимой для управления рабочим (100%) стакселем в сильный ветер. Поделите величину давления на стаксель в фунтах на коэффициент передачи лебедки и на отношение длины рукоятки лебедки к радиусу ее барабана. В результате вы получите значение силы, которую нужно будет прикладывать к лебедке в сильный ветер.




Радиус циркуляции судна на якоре (Swinging Radius)

Наиболее простой способ определения радиуса циркуляции судна на якоре состоит в том, что необходимо сложить длину выпущенного якорного каната и полную длину судна. Радиус циркуляции всегда будет меньше этой величины. Как развлечение, можно вычислить более точный результат, если воспользоваться следующей формулой:

Радиус циркуляции = LOA + [ (Длина якорного каната )**2 - (Глубина + Высота надводного борта )**2 ]**1/2

Здесь:
LOA - длина корпуса наибольшая




Фактор комфортности плавания (Motion Comfort Ratio - MCR)

Этот показатель был получен опытным путем яхтенным конструктором Тедом Бруэром. По формуле определяется скорость восходящего и нисходящего движения яхты при ее ходе на волнении. Чем выше скорость, тем хуже условия комфортности для экипажа. Таким образом, формула определяет общий уровень комфортности яхты во время плавания. При увеличении водоизмещения фактор комфортности также увеличивается. При увеличении длины и ширины корпуса фактор комфортности уменьшается.

Большее значение указывает на более плавное, более комфортное движение в море. Отдается предпочтение тяжелым яхтам с несколько свешивающимися и узкими бортами. Все эти факторы замедляют реакцию судна на удары волн. Эта философия проектирования противоречит многим современным крейсерско-гоночным проектам, но она основана на огромном количестве данных, полученных в условиях океана, а не только на том, насколько хорошо выглядит проект на яхтенных шоу. В среднем для крейсерского судна этот показатель должен лежать в пределах от 30 до 40. Для гоночных проектов он может быть меньше 20, для полнокилевых проектов Колина Арчера может достигать 60.

Формула для вычисления:

MCR = Водоизмещение / (2/3*((7/10 * LWL)+(1/3 *LOA))*Ширина**4/3 )

Здесь:
LOA - длина корпуса наибольшая в футах
LWL - длина корпуса по ватерлинии в футах

Ширина задается в футах, водоизмещение - в фунтах.




Вычисление скорости яхты

Если лаг не работает, можно вычислить скорость яхты, определяя временной интервал, необходимый для прохождения ее корпуса (длина которого известна) мимо плавающего предмета, брошенного с носа в начальный момент времени. Конец интервала фиксируется в момент прохождения предметом траверза кормы. Если этот предмет необходимо вернуть на борт, привяжите к нему бечевку.

Формула для вычисления:

Скорость яхты = [ 60(cек в мин) * 60 (мин в часе) * длина яхты в футах ] /
[ 6076.1
(футы в морской миле) * время прохождения мимо плавающего предмета в сек ]





Определение местоположения при открытии берегового ориентира

При плавании в зоне видимости берега положение яхты можно вычислить, используя круговую линию положения (Circular LOP) и пеленг на береговой объект.

Для получения круговой линии положения необходимо засечь время появления огня маяка и взять пеленг на него. Зная высоту маяка над уровнем прилива и высоту глаза наблюдателя над уровнем моря можно приблизительно определить расстояние до маяка и принять его как первую обсервацию. Используя это расстояние можно нанести на навигационную карту круговую линию положения. Тогда точка пересечения линии пеленга на маяк с линией положения будет определять ваше местоположение. Если высоту маяка принять равной нулю, формула даст расстояние до горизонта.

Яркость огня маяка и прозрачность ночного воздуха являются теми факторами, которые могут затруднить обсервацию. Вы можете наблюдать отблеск огня или неясные очертания маяка, прежде чем увидите сам огонь. Для получения правильного результата необходимо четко видеть именно огонь маяка. Даже будучи виден, он может скрываться и появляться вновь, поскольку парусник поднимается и опускается при движении на волнении. Точка, в которой впервые открылся огонь маяка, используется для определения местоположения яхты.

Приблизительное расстояние до маяка в момент первой обсервации его огня определяется по формуле:

1.17 * sqrt ( Высота глаза наблюдателя ) + 1.17 * sqrt ( Высота огня маяка )

Данная формула учитывает искривление световых лучей из-за влияния атмосферы. Однако степень такого искривления зависит от изменений барометрического давления.





Истинный ветер (True-Wind) - это кажущийся ветер, который ощущается при отсутствии движения яхты, например, на якорной стоянке.
Вымпельный ветер (Apparent-Wind) - это ветер, направление и скорость которого вы видите и ощущаете при движении яхты. Угол вымпельного ветра всегда острее угла истинного ветра, если только он не дует строго вдоль ДП яхты с носа или с кормы. На острых курсах угол вымпельного ветра острее, а его сила - больше, чем у истинного ветра. На полных курсах угол вымпельного ветра острее, а его сила - меньше, чем у истинного ветра.

Формула для вычисления характеристик истинного ветра

Скорость вымпельного ветра в узлах (AW) и его угол, отсчитываемый от носа яхты в градусах (D), известны.

BS - скорость яхты по лагу или GPS в узлах.

Y = 90 - D
a = AW * ( cos Y )
bb = AW * ( sin Y )
b = bb - BS
Скорость истинного ветра = (( a * a ) + ( b * b ))**1/2
Угол истинного ветра = 90 - arctangent ( b / a )



Формула для вычисления характеристик вымпельного ветра

Скорость истинного ветра в узлах (ТW) и его угол, отсчитываемый от носа яхты в градусах (D), известны.

BS - скорость яхты по лагу или GPS в узлах.

Y = 90 - D
a = ТW * ( cos Y )
b = ТW * ( sin Y )
bb = b + BS
Скорость вымпельного ветра = (( a * a ) + ( bb * bb ))**1/2
Угол вымпельного ветра = 90 - arctangent ( bb / a )









Библиография:

1. Rousmaniere, John, The Annapolis Book of Seamanship Boat Selection. Chapter 1, p 35, Simon & Schuster, New York, New York, 1999.

2. Adlard Coles, Heavy Weather Sailing, Stability of Yachts in large breaking waves. Chapter 2, pp11-23, Granada Publisdhing, London Toronto Sydney New-York, 1980.

3. Материалы веб-сайта http://www.johnsboatstuff.com.

4. Материалы веб-сайта http://www.tedbrewer.com/yachtdesign.html.









7.04.2010


Создан 12 апр 2010



  Комментарии       
Имя или Email


При указании email на него будут отправляться ответы
Как имя будет использована первая часть email до @
Сам email нигде не отображается!
Зарегистрируйтесь, чтобы писать под своим ником