Скорость —относительное понятие

Однажды во время общего пробега туристских и открытых спортивных катеров, обычного для одного из яхт-клубов при открытии сезона, многие наблюдав?ие пробег заметили, что боль?ая моторная яхта вызывала значительно мень?ее волнообразование, чем другие катера, неболь?ие по размерам и более легкие. (Все катера ?ли к фини?у с одинаковой скоростью). Отчего это зависело? От острой кормы? ?ли от таланта конструктора, который удачным проектом парусной яхты составил себе имя? Вероятно, целесообразно и для других катеров использовать острую крейсерскую корму? Если не тратить так много ло?адиных сил на ме?ающую движению кормовую волну, то, очевидно, можно сэкономить топливо или при таком же расходе
увеличить скорость!
Все эти рассуждения были неверными. Причина заключалась ни в форме кормы, ни в таланте конструктора, а в мень?ей относительной скорости боль?ой яхты. При совместном плавании была одинаковой ли?ь абсолютная скорость, но не относительная.
Соотно?ения между мощностью двигателя, размером катера и скоростью кажутся запутанными. Они зависят от многочисленных и переменных воздействий, которые сли?ком часто превратно толкуются  владельцами  катеров  и даже авторами технических книг.
Понятие относительной скорости имеет первостепенное значение для понимания взаимосвязи формы катера, скорости и мощности   двигателя   .
Подводная лодка или самолет передвигаются в единой окружающей среде — воде или воздухе. Судно же передвигается по границе двух сред, имеющих совер?енно различную плотность. Оно плывет по свободной поверхности воды, граничащей с воздухом. При плавании под водой подводная лодка не создает волн и  не имеет волнового  сопротивления.
Движущееся судно, напротив, свободно образует волны на поверхности воды, на что затрачивается часть мощности двигателя.
Существует закономерное соотно?ение между длиной волны и скоростью ее распространения. Плывущее судно образует волновой профиль у своего борта; расстояние между вер?инами волн  этого  профиля  определено  скоростью  судна.
Туристский катер длиной 16 м при скорости 20 км/ч идет уже менее чем на одной длине волны. В данном случае волна также должна быть длиной   19,75 м,  хотя катер имеет длину по ватерлинии ли?ь 16 м. Поэтому корма туристского катера попадает почти на подо?ву волны. У малого спортивного катера, длина которого по ватерлинии равна 4 м, длина волны почти в пять раз превы?ает длину катера.
?так, несмотря на одинаковую абсолютную скорость, положение трех катеров внутри одинакового волнообразования получается совер?енно различным. Создается впечатление, что боль?ая яхта идет малым ходом, туристский катер — средним ходом, малый спортивный катер — полным ходом. Эти наблюдения правильные.
Относительная скорость определяется как частное от деления абсолютной скорости на квадратный корень из длины ватерлинии судна. Результат, называемый также коэффициентом скорости R, является численным выражением относительной скорости. Квадратный корень из длины по ватерлинии боль?ой яхты, равной Для получения сравнимых чисел Фруда необходимо пользоваться или метрической, или английской системой. Про?ло довольно много времени, пока понятие относительной скорости и ее влияние на форму обводов и соотно?ение размерений проникло в катеростроение. Ли?ь в 30-х годах понятие относительной скорости начали применять при проектировании моторных катеров, однако еще и в настоящее время, даже в кругах специалистов, к этому важному фактору подходят эмпирически и без глубокого   понимания   существа   вопроса Теперь понятно, почему боль?ая моторная яхта удивила своим неболь?им волнообразованием. Она передвигалась относительно гораздо медленнее, чем все остальные катера совместного пробега, значительно уступав?ие ей по размерам. Без сомнения, конструктор сознательно разработал правильную форму катера (рис. 8).
Если бы более короткие катера были построены для такой скорости с обводами, как у боль?ой яхты, то волнообразование оказалось бы очень боль?им. В этом случае возникает особенно опасная сильная кормовая волна, связанная с неблагоприятным дифферентом катера.
Если катер движется медленно, то его вес чисто статически поддерживается водой, т. е. вес вытесненной воды равен весу катера и не изменяется.
Высокая скорость малых катеров стала возможной благодаря появлению легких катерных двигателей, обладающих значительной мощностью. На боль?ой скорости возникают динамические силы, которые стремятся вытолкнуть корпус катера из воды. В результате часть веса катера перестает поддерживаться только статически вытесненным количеством воды, а поднимается динамическим давлением воды на днище, вызванным ходом катера.
Такое   состояние   движения   называют    переходным    режимом, полуглиссированием.
На динамический подъем катера, в значительной степени зависящий от относительной скорости, оказывает влияние также и форма днища. Плоская конфигурация будет способствовать этому подъему, острая килеватая форма ?пангоутов, наоборот, окажется  менее благоприятной.
Нельзя рассчитывать, что многие суда могут достичь переходного режима. Бессмысленно придавать подводной части боль?их судов (от портового буксира до крупного пассажирского судна) форму, обеспечивающую динамический подъем их. Динамические силы окажутся недостаточными, и такая форма неблагоприятно отразится на скорости судов. Все боль?ие суда имеют закругленные или заостренные формы кормовой оконечности; если в последнее время и встречается транцевая корма, то это не характерно 5. При получении малых значений коэффициентов скорости необходимо, чтобы кормовая оконечность судна имела узкую вытянутую форму. В этом случае не играет роли, что такое судно, может быть, движется с абсолютной скоростью 55 км/ч. Относительная  скорость его невысокая.
Наиболь?ую скорость, показанную когда-либо пассажирским водоизмещающим судном во время ходовых испытаний, имел лайнер «Юнайтед Стейтс» — 76 км/ч при мощности двигателя 240 000 л. с. Но даже такая мощность и скорость при боль?ой длине судна не создали динамической выталкивающей силы. В этом отно?ении спортивные карлики намного превзо?ли великанов морей!
Если у быстроходного моторного катера частично образуется динамическая выталкивающая сила, то возникает вопрос, нельзя ли достигнуть состояния полного скольжения (глиссирования) при увеличенной мощности двигателя и соответственно повы?енной скорости. Это в самом деле возможно.
Чем вы?е относительная скорость катера, тем боль?ими становятся динамические силы. Очень быстроходные легкие катера, прежде всего моторные гоночные, практически достигают состояния полного скольжения. Вес катера поддерживается только динамической выталкивающей силой, причем катер только касается поверхности воды.
Волнообразование. Каждый движущийся катер вызывает возмущение свободной поверхности воды. Носовая часть судна вытесняет определенное количество воды. Вода устремляется назад к корме, чтобы заполнить пустоту. Благодаря этому возмущению возникают поверхностные волны, которые «уносят» часть   мощности двигателя.
Чем мень?е воды вытесняется катером, тем мень?ая часть мощности двигателя расходуется на волнообразование. С каждой волной бесполезно и безвозвратно «убегает» топливо. Более того, волны ме?ают другим катерам и даже причиняют разру?ения береговой черте. При начинающемся скольжении вытесняемое количество воды мень?е, чем вес катера. Легко убедиться, что в этом случае умень?ается сопротивление, т. е. экономится мощность двигателя. Если бы удалось достигнуть режима полного скольжения, то волнообразования могло бы и не быть (физически полного скольжения, к сожалению, не существует).
Для контраста следовало бы рассмотреть очень тихий ход. При нем почти отсутствует волнообразование; рябь на поверхности воды становится едва заметной. Так как топливо не расходуется на волнообразование, двигатель в режиме малого хода находится в благоприятных условиях и получается исключительно экономичный ход . . .
Чтобы рассмотреть вопросы волнообразования, необходимо определить некоторые основные понятия. Длиной волны называют расстояние между вер?инами волн. Под высотой волны понимают разницу в высоте между подо?вой и вер?иной волны. Время между прохождением двух следующих друг за другом вер?ин волн у неподвижной точки называют периодом волны. Последний зависит как от длины, так и от скорости распространения волны. Необходимо отметить, что перемещается только геометрическая фигура волны, а не водная масса.
Длина волны, скорость распространения и период находятся в определенном соотно?ении, благодаря чему их можно легко рассчитать. Для исследования длины волн не имеет значения, образуются ли они от действия ветра или же от хода катера. В любом случае волны подчиняются простым физическим законам. Сообразно с ними длина волны
Ускорение силы тяжести g при нормальных условиях остается неизменным и равным 9,81 м/с2; оно придает формуле независимость от системы мер. Для практических целей его исключают, тогда выражение длины волны упрощается: Lw = 0,64w2. Скорость v при этом должна приниматься в метрах на секунду. Как видно, длина волны, проходящая вдоль катера, зависит исключительно от скорости, а не от размера или обводов катера.
При движении катера со скоростью 5 м/с (18 км/ч) образуется волна длиной Lw — 0,64-52 = 16 м. Свободные морские волны, появляющиеся от действия ветра, подчиняются тому же закону. Если понаблюдать в море волны средней длиной 16 м, то окажется, что они передвигаются тоже со скоростью 5 м/с (18 км/ч).