Все, что вы хотели знать о сопротивлении воды движению корпуса, включая влияние на расход топлива.
Просматривая сообщения на форуме сайта mby.com, я наткнулся на дискуссию, где затрагивалась тема природы сопротивления воды движению лодки. В обсуждениях упоминался греческий математик-гений Архимед, чей закон: «На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости» — одна из основ судостроения.
Сопротивление воды движению — сложная проблема. Было время, когда все довольствовались тем, что архимедова сила успешно держит лодки на плаву, пока люди бездельничают в гавани, и вопросы о том, как возникает сопротивление, что происходит при движении лодки, ученых не особенно волновали. И все же, какие силы воздействуют на корпуса различных лодок на ходу?
Водоизмещающий режим
Если оставить «за бортом» специфические моменты, почти каждый катер испытывает шесть видов воздействия воды: сопротивление волновое и трения, аэродинамическое (его редко учитывают) плюс три менее известных — сопротивление формы, индуктивное и брызговое.
На малом ходу почти все корпуса с обычными обводами создают две волновые системы — в носу и корме. Их вызывает энергия, передаваемая воде корпусом, и часть ее проявляется как волновое сопротивление. Сопротивление трения (как и аэродинамическое) характерно для всех лодок, но при низкой скорости его величина незначительна: она пропорциональна квадрату скорости судна. То есть при прочих равных условиях увеличение скорости с 10 до 30 узлов может означать девятикратное увеличение этой составляющей полного сопротивления.
Корпуса всех типов — водоизмещающие, глиссирующие и переходного режима — испытывают сопротивление формы. Его вычислить сложнее всего, поскольку оно связано с большинством других составляющих полного сопротивления. Проще говоря, сопротивление формы можно рассматривать как «нежелание» корпуса с теми или иными обводами двигаться в воде. При этом, например, широкие корпуса Nordhavn покажут высокое сопротивление формы, в отличие от узких катамаранных корпусов. Но для первых, вызывающих высокую волну, часто применяют подводный носовой бульб; он создает собственную волну, компенсирующую ту, что генерирует корпус. Сопротивление формы подводных объектов немалое, и это заметно при сравнении сопротивления днищевой колонки и системы «вал–винт–руль».
Обводы и большая масса лодок водоизмещающего типа вкупе предопределяют значительное полное сопротивление и — при умеренной мощности двигателя — изначально невысокую скорость. Она обычно ограничена величиной максимальной теоретической «скорости корпуса», которую определяют как 1,34 × √LWL (где LWL — длина ватерлинии в футах). К примеру, для Linssen Grand Sturdy 52.9 с длиной ватерлинии 44 фута скорость корпуса составит около 10 узлов: в полном сопротивлении определенную величину составляет сопротивление формы; сопротивление трения и аэродинамическое незначительны, а волновая составляющая доминирует.
Золотая середина
Все популярнее становятся лодки переходного типа. Их небольшое водоизмещение, увеличенная мощность и более стройные корпуса позволяют легко преодолевать пороговое значение «скорости корпуса». Как правило, они начинают «побег из водоизмещающего плена» при значении относительной скорости (скорость, поделенная на длину ватерлинии) около 4,0 — для AquaStar 57 с длиной по ватерлинию 49 футов она определяется как 4,0 × √LWL = 28 узлов.
Как и у глиссирующей лодки, такой корпус будет создавать динамическую подъемную силу, но его более округлые обводы редко могут генерировать подъемную силу, достаточную, чтобы легко избавиться от волновой системы и обусловленного ею сопротивления. Кроме того, на этих скоростях традиционный длинный и глубокий киль будет добавлять сопротивление трения, снижающее скорость.
Факт, что по мере увеличения скорости сопротивление трения будет возрастать даже на самом гладком из корпусов переходного типа. На малом ходу молекулы воды, обтекающей корпус, замедляются из-за трения, но поток в тонком пограничном слое является ламинарным (невозмущенным). С увеличением скорости поток утолщается, меняет свою структуру и разрушается, становясь турбулентным. Это приводит к увеличению вязкостного сопротивления не столько между водой и поверхностью корпуса, сколько в самом потоке, который отделился от корпуса.
Ламинарный поток служит объяснением одной из причин высокой скорости дельфинов по отношению к их «энергетической установке». Суперобтекаемая форма позволяет воде плавно огибать тела дельфинов, и поток смыкается сразу за хвостом; так дельфины эффективно сохраняют ламинарный поток, хотя и не всегда.
Глиссирование — победа в гонке
При скорости свыше 28–30 узлов глиссирующая лодка получает преимущество. Хотя ее корпус все еще испытывает обе составляющие сопротивления трения, результаты моих тестов показывают увеличение топливной эффективности по сравнению с аналогами переходного режима при соотношении «скорость/длина» более 2,5–3,0. Для лодок типа Azimut 60 при длине ватерлинии 49 футов это соответствует диапазону скоростей 18–21 узел. Это принципиально: на таких скоростях лодка начинает глиссировать, и доля волнового сопротивления падает.
Хьюго Андреа
Благодаря Дэйву сложный предмет стало легче понимать. Но, боюсь, вся эта математика, направленная на снижение сопротивления, бессильна против отвратительных ракушек, облепивших корпус вашей лодки.
Однако при глиссировании вначале возрастает дифферент на корму, и появляется негативный побочный эффект в виде индуктивного сопротивления. Динамическая подъемная сила действует под прямым углом к смоченной поверхности корпуса (или основной линии), и результирующий вектор несколько отклонен от вертикали назад. Разложив его на составляющие, видим, что значительная величина приходится на подъемную силу, а небольшой вектор (доля энергии) направлен в корму в виде индуктивного сопротивления. Поэтому дизайнеры крайне внимательны к текущему дифференту глиссирующих лодок: чем он больше, тем больше подъемная сила, но и индуктивное сопротивление выше, так что оптимальный баланс сил здесь существен.
Природа брызгового сопротивления глиссирующих лодок очевидна: суть в затратах энергии на создание брызговой пелены в передней части корпуса, прежде чем пелена будет им же и подавлена.
Поперечный редан
Бытует миф, который стоит развенчать. Корпуса с поперечными реданами преподносят как гидродинамически более эффективные, поскольку «воздушная вентиляция днища снижает сопротивление трения». Это явление действительно имеет место, но основная причина высокой эффективности таких корпусов — более выгодное соотношение подъемной силы и сопротивления.
При разбиении смоченной поверхности корпуса такими реданами на два или три участка на каждом возникает подъемная сила; ее отношение к силе сопротивления существенно выше такового для эквивалентного безреданного корпуса. Главная причина — форма реданов, меняющая характер обтекания и распределение давления по днищу.
Хотя глиссирующие лодки не имеют природных ограничений, как корпуса водоизмещающие и переходного режима, их скорость дается не бесплатно. Оценивая грубо, требуемая им мощность пропорциональна квадрату скорости: желая увеличить скорость с 30 до 40 узлов, будьте готовы к тому, что расход топлива возрастет на 78%! И при любой манере управления лодкой единственный надежный способ реально снизить сопротивление и расход топлива — сбросить скорость.
