Усилия, действующие на судно при произвольном движении

В процессе выполнения того или иного маневра судно находится под воздействием нескольких сил, которые зависят от геометрических размеров судна, обводов корпуса, эффективности ДРК и параметров движения. Кроме того, в общем случае, эти силы зависят также от числа Фруда, которое характеризует волнообразование и числа Рейнольдса, которое определяет характер вязкостного сопротивления обтекающего потока.

Однако практикой установлено, что режим обтекающего судно потока является турбулентным. При этом влияние числа Рейнольдса сравнительно невелико. Число Фруда в реальном диапазоне скоростей транспортных судов не превышает 0,3. При таких значениях действующие на судно силы мало от него зависят.

В связи с этим, для упрощения поставленной задачи, их влиянием обычно пренебрегают.

Силы и моменты по природе их возникновения могут быть подразделены на три категории:

- силы и моменты, обусловленные собственной инерцией судна;

- силы и моменты, обусловленные инерцией воды, окружающей судно и возмущаемой его движением;

- вязкостные (неинерционные) силы и моменты, возникновение которых обусловлено влиянием вязкости воды (гидродинамические силы корпуса и рулевых органов).

Силы первых двух категорий определяют аналитическим путем. Силы третьей категории, как правило, определяются экспериментально.

Как уже отмечалось, при определении сил и моментов, действующих на движущееся судно, рассматривают лишь плоское движение. Силы веса и поддержания, взаимодействие которых определяется законом Архимеда, при определении маневренности не учитываются, т.к. они не оказывают влияние на движение судна в горизонтальной плоскости.

В условиях прямолинейного движения, при отсутствии ветра и течения, на судно действуют две категории сил (рис3)

- совокупная полезная тяга судовых движителей, равнодействующая которых направлена в сторону движения и располагается в Д.П. судна(Ре);

- силы сопротивления воды и воздуха движению, которые направлены в сторону, противоположную направлению движения, а их равнодействующая также располагается на Д.П. судна.

Рис.3 Силы действующие на судно при прямолинейном движении

При установившемся равномерном движении полезная тяга движителей равна величине сопротивления воды движению

(19)

Как показано на рис.4, это равенство при определенной частоте вращения движителей соответствует строго определенной скорости движения, т.е.

(20)

Рис.4. График скоростных характеристик грузового теплохода грузоподъемностью 5300 т

При неустановившемся прямолинейном движении к силам и Р _Гдобавляется сила инерции

При ускоренном движении (разгон судна) Р _Г, сила инерции проявляется в виде дополнительного сопротивления.

При замедленном (выбег судна) она является движущей силой.

Уравнение прямолинейного движения судна в общем случае имеет вид:

(21)

Это уравнение характеризует любой маневр судна на прямом курсе (маневр скоростью).

Изменение курса осуществляется, как правило, за счет перекладки рулевых органов (рис.5).

Рис.5 Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начальной стадии циркуляции

После перекладки рулевого органа на нём возникает сила давления воды , которую можно разложить на две составляющие и .

Составляющая сила , направлена в сторону, обратную движению, увеличивает сопротивление воды движению судна. Поперечная составляющая кормы образует поворачивающий момент относительно центра масс. На корпусе судна, движущемся под углом к набегающему потоку (т.е. с углом дрейфа) возникают гидродинамические силы, равнодействующая которых в начальный момент маневра находится в носовой части судна (рис.5)

Под действием рулевого момента судно будет отклоняться от линии первоначального курса с некоторой угловой скоростью

. Одновременно с появлением начальной угловой скорости появляется центробежная сила инерции ( ),(рис. 6) приложенная в центре масс и действующая по радиусу траектории по нормали к вектору скорости. Как только диаметральная плоскость (Д.П.) судна начинает отклоняться от линии вектора скорости первоначального движения, симметричность обтекания корпуса судна нарушается.

Рис.6 Силы действующие на судно при криволинейном движении на развитой стадии циркуляции

С появлением силы угловая скорость начинает быстро расти, т.к. её поперечная составляющая совместно с поперечной составляющей рулевой силы образуют пару сил. и поворачивающий момент резко возрастает.

Управляемость судна определяется, в основном, взаимным расположением трех точек: центра масс ( G ), центра приложения равнодействующей всех сил реакции воды (Р _Г) и центра приложения движущих сил (ДРК).