ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ МОРСКОГО ТРАНСПОРТА

PHYSICAL BASIS FOR INCREASING THE SPEED OF MARITIME TRANSPORT

Ella Matyash

student, Admiral F.F. Ushakov Maritime State University,

Russia, Novorossiysk

Nina Antonyuk

student, Admiral F.F. Ushakov Maritime State University,

Russia, Novorossiysk

Elena Syusyuka

candidate of technical sciences, scientific adviser, docent, Admiral F.F. Ushakov Maritime State University,

Russia, Novorossiysk

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день в сфере транспорта особенно актуальна проблема повышения скоростей судов в целях экономии ресурса времени. Одно из ее решений – повышение скорости судов за счет резкого снижения сопротивления их движению – привело к созданию неводоизмещающих судов: судов на воздушной подушке и на подводных крыльях, а также водоизмещающих двухкорпусных судов – катамаранов.

ABSTRACT

To date, the problem of increasing the speed of ships in order to save time is particularly pressing in the field of transport. One of its decisions is increase speed of ships due to a sharp decrease in their resistance to movement – led to the creation of non-water-displacing vessels: air-cushion and submarine-wing vessels, as well as water-displacing two-hull vessels – catamarans.

Ключевые слова: скорость, сопротивление, гидродинамические силы, трение, давление, судно на подводных крыльях, катамаран, судно на воздушной подушке.

Keywords: speed, drag, hydrodynamic forces, friction, pressure, submarine wing vessel, catamaran, air cushion vessel.

При движении все типы судов испытывают на себе сопротивление воды. Оно зависит от скорости и вида судна, габаритов и состояния наружной поверхности корпуса, от формы, количества, расположения на ней выступающих деталей и вырезов, а также от эксплуатационных факторов (наличия волнения моря, продолжительности плавания судна после постройки и докования, ограниченности фарватера и т.д.).

Рассмотрим физические основы увеличения скорости движения судна.

Рисунок 1. Схема – гидродинамические силы, действующие на элементарную площадку подводной (смоченной) поверхности судна dΩ

Сила сопротивления воды движению судна , где Rт является сопротивлением трения (); а Rд – сопротивлением давления ().

Сила трения Rт определена касательными силами, находящимися в зависимости от свойств вязкости, т.е. от числа Рейнольдса. Силы давления Rд состоят из двух составляющих: силы вязкостной природы, которая зависит от числа Рейнольдса и называется сопротивлением формы Rф, и силы давления, которая зависит от сил гравитации, т.е. от числа Фруда, и называется волновым сопротивлением Rв. Rтр в эксплуатации существенно увеличивается за счет повышения шероховатости корпуса от коррозии, вспучивания краски и обрастания животными организмами или водорослями.

Также при движении все типы судов испытывают на себе сопротивление воздуха, однако в меньшей степени, чем воды. Ra – аэродинамическое сопротивление, зависящее от числа Рейнольдса.

У судна на подводных крыльях имеется корпус, как у водоизмещающего, с конструкциями в виде крыльев в подводной части.

Рисунок 2. Схема - сечение крыла судна на подводных крыльях, где α – угол атаки; Р – равнодействующая давления водяного потока над крылом и под крылом; Ру – подъемная сила; Рx – лобовое сопротивление

Подводные крылья имеют продолговатую обтекаемую форму в поперечном сечении. Если крыло поставить под неким углом α к набегающей воде, то оно будет рассекать воду на два потока. Один будет обтекать крыло сверху, а другой - снизу. После продвижения крыла они снова сойдутся. Из-за повышения скорости воды над крылом, давление воды над крылом становится меньше, чем под ним. Р – равнодействующая этих давлений, направлена под углом вверх и приложена в центре давления в точке С. Она делится на две силы: Рx – силу лобового сопротивления, направленную вдоль потока, и Рy – подъемную силу, направленную перпендикулярно потоку, которая выводит судно на крыльевой режим.

С повышением быстроты корабля, находящиеся в воде крылья приобретают подъемную силу. При полном выходе корпуса судна из воды, когда в ней остаются только движители, крылья и рули, подъемная сила достигает величины водоизмещения, судно находится в крыльевом режиме. В итоге, за счет резкого уменьшения сопротивления воды движению судна, его скорость значительно возрастает.

Далее рассмотрим катамараны. Это двухкорпусные суда, которые устроены так, что их корпуса смонтированы на некоторой дистанции друг от друга, имеют параллельные диаметральные плоскости и соединены общей верхней палубой. Если сравнивать катамараны с однокорпусными судами такого же водоизмещения и длины, широкий двойной корпус катамаранов имеет подъемную силу, распределенную по краям судна, увеличивающую их возможность противостоять внешним силам, вызывающим крен или дифферент судна, и возвращаться в состояние равновесия по окончании воздействия внешних сил (волн, порывов ветра, смены курса и т. п.), что называется остойчивостью судна. У очень широких однокорпусных судов их большая площадь соприкосновения с поверхностью воды увеличивает ее сопротивление и расход топлива судна, а более «плоская» килеватость широкого корпуса ухудшает его качества при волнении.

Но все же, корпуса катамарана не имеют большой продольной остойчивости. При свежем ветре есть риск получения дифферента на нос. На схеме 3А показаны силы и моменты, действующие на катамаран. При малых углах крена, когда подветренный корпус погружается в воду, а наветренный выходит из нее, ЦВ стремительно перемещается под воздействием аэродинамического сопротивления на схеме 3Б. Далее, когда наветренный корпус выйдет из воды, плечо остойчивости достигнет максимального значения на схеме 3В. В этот момент плечо остойчивости примерно равно половине расстояния между корпусами, а крен относительно невелик – около 10–12°. На схеме 3Г остойчивость уменьшается до такой степени, что нос подветренного корпуса зарывается в воду и катамаран опрокидывается.

Рисунок 3. Схема - опрокидывание катамарана при сильном крене

У катамаранов больше сопротивление трения движению судна вследствие большей смоченной поверхности корпусов. При значительном отношении длины к ширине каждого корпуса сопротивление формы намного снижается, буксировочное сопротивление у катамарана оказывается значительно меньше, к тому же при повышении скорости эти преимущества идут в сторону увеличения. При дистанции между корпусами не менее двух ширин одного корпуса волновое сопротивление их резко уменьшается, что предоставляет возможность ускорения движения катамаранов по воде.

У судна на воздушной подушке слой сжатого воздуха, подведенного под днище, поднимает его на некоторую высоту над водой с помощью сил излишнего давления, и судно будто парит над нею. Воздух беспрерывно выходит из-под дна и одновременно нагнетается туда вентиляторами для поддержания подъемной силы. Воздушные или водяные гребные винты обеспечивают поступательное движение судна. Встречая небольшое сопротивление воздуха, оно может достигать большой скорости.

Рассматривая эти 3 типа судов в качестве решения проблемы повышения скорости перевозок, нельзя забывать, что у них есть некоторые недостатки. У судов на подводных крыльях наблюдается низкая мореходность при большом волнении вследствие того, что большая волна ударяет в днище своим гребнем, или оголяет крылья при прохождении подошвы волны, а также низкая экономичность в сравнении с тихоходными водоизмещающими судами. У катамаранов резкое снижение остойчивости, при увеличении крена до некоторого угла, может привести к опрокидыванию. Суда на воздушной подушке подвержены обледенению при низких температурах, а сильное брызгообразование грозит потерей видимости.

Несмотря на все недостатки, возможность повышения скорости движения у рассмотренных морских транспортных средств существеннее, чем у обычных водоизмещающих, поэтому представления о дальнейшем развитии судов этих типов заходят весьма далеко. Уменьшение сопротивления движению судна играет важную роль для достижения высоких скоростей морского транспорта не только в перевозках грузов, но и в расширяющихся паромных сообщениях и туризме.

Список литературы:

1. Общее устройство судов: учеб. для судостроительных техникумов / К.Н. Чайников — Л.: Изд-во «Судостроение», 1971
2. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. — 8-е изд., стер. — М.: Высш. Шк., 2004. — 544 с.
3. Элементарный учебник физики: Учеб. Пособие. В 3 т. / Под ред. Г.С. Ландсберга. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001
4. Studfiles Файловый архив студентов [Электронный ресурс] - режим доступа: Свободный. URL: https://studfile.net/preview/5125446/page:37/