Управление судном в шторм требует от судоводителей знания и учета всех видов воздействия ветра и волн на судно.
Ветер. Одним из факторов, влияющих на движение судна, является ветер. Он характеризуется скоростью и направлением. Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в узлах, или в баллах шкалы Бофорта. Направление представляется в градусах или в румбах. Движение воздуха в атмосфере всегда турбулентно, вследствие чего параметры ветра обладают изменчивостью. Различают средние и мгновенные значения скорости и направления ветра. В практике судовождения используются обычно средние значения элементов ветра, так как мгновенные испытывают сильные колебания. Резкие изменения скорости ветра называются порывами, а особенно сильные из них – шквалами. При шквале ветер внезапно и кратковременно (до нескольких минут) резко усиливается, часто до штормового, и затем ослабевает. Направление ветра при шквале, как правило, меняется.
Результат действия ветра на судно определить точно затруднительно. При слабом встречном ветре судно мало теряет скорость, и слегка увеличивает ее, когда такой ветер с кормы. При сильном ветре ход судна уменьшается как при встречном, так и при попутном ветре. Причиной этого является действие волнения, которое развивается при ветре и увеличивает сопротивление движению судна. Встречный ветер может снизить ход судна с большой площадью парусности на 40%. В общем случае считается, что сильный ветер с Носовых курсовых углов уменьшает скорость среднетоннажных судов на величину от 3 до 13%. При бортовых углах ветра потери в 1,5-2,0 раза меньше, чем при встречном ветре той же силы.
Ветер вызывает также отклонение судна от линии пути. Величина ветрового дрейфа зависит от скорости судна, боковой площади его парусности, силы и курсового угла ветра. У судов боковая площадь парусности неодинакова. Большую парусность имеют автомобилевозы, контейнеровозы. У груженых танкеров и балкеров она значительно меньше, чем у контейнеровозов, имеющих такую же длину корпуса.
Ветер не только изменяет элементы движения судна, но и влияет на его управляемость. Когда на переходе морем суда идут полным ходом, действие ветра мало сказывается на их способности управляться. При швартовке, при движении в узкости и в открытом море малым ходом сильный ветер может стать причиной значительного ухудшения, и даже потери судном управляемости. Для ряда судов порывы ветра и шквалы в условиях шторма сопровождаются значительными динамическими наклонениями, которые, складываясь с бортовой качкой, могут привести к появлению опасных углов крена.
Следует отметить, что с ростом размеров судов влияние ветра на их поведение ослабляется.
Волнение. Морское волнение является главным фактором, влияющим на мореходность судна. Оно вызывает качку, увеличивает гидродинамические нагрузки на корпус, уменьшает упор винта и ухудшает показатели работы главного двигателя, приводит к росту сноса судна с линии пути. Плавание в условиях волн может сопровождаться такими негативными явлениями как заливание палубы, слеминг, оголение лопастей гребного винта, уменьшение остойчивости.
Действие волнения зависит от его интенсивности, курсового угла, размеров и формы корпуса судна, его скорости. Встречное волнение уменьшает ход судна. При слабом попутном волнении скорость судна может немного повыситься. При умеренном и сильном попутном волнении скорость судна снижается. Следует отметить, что довольно трудно отделить в реакции судна на погодные условия результаты воздействий ветра и волн. Ввиду того, что волнение является основным влияющим на мореходность судна фактором, его подробная характеристика приведена в отдельной главе книги.
Виды реакции судна. Выделяют следующие виды реакции судна на волнение:
– колебательные движения корпуса судна во всех шести степенях свободы (качка);
– меняющиеся с частотой волнения напряжения элементов корпуса, ударные нагрузки;
– вибрации корпуса и его элементов;
– изменения, имеющие постоянный характер (снижение скорости хода, увеличение нагрузки на двигатель, дрейф и т.д.);
– неблагоприятные явления, такие как слеминг, заливаемость, оголение винта, брочинг и т.д.
Вызываемая волнением качка судна подразделяется на шесть видов:
• бортовая (Roll) – вращательные колебания около продольной оси, лежащей в диаметральной плоскости судна (попеременный крен на правый и левый борт);
• килевая (Pitch) — вращательные колебания около поперечной оси судна, параллельной плоскости мидель шпангоута (дифферент судна то на нос, то на корму);
• вертикальная (Heave) – колебания вдоль вертикальной оси судна;
• продольно-горизонтальная (Surge) — колебания вдоль продольной оси судна;
• поперечно-горизонтальная (Sway) – колебания вдоль поперечной оси;
• рыскание (Yaw) – вращательные колебания около вертикальной оси.
Основными видами качки считают бортовую, килевую и вертикальную. Продольно-горизонтальные, поперечно-горизонтальные колебания и рыскание судна относят к дополнительным видам качки.
При анализе поведения судна в условиях волн оно рассматривается как динамическая система (или звено, или фильтр), входным сигналом которой является волновое воздействие, а выходным – тот или иной параметр реакции судна. Вид преобразования сигнала в звене (вид звена) и/или параметры этого преобразования для разных выходных сигналов различны. Например, как преобразователь воздействий волн в основные виды качки судно является устойчивой колебательной системой. Если кратковременное возмущение выводит эту систему из равновесия, то после его прекращения в системе возникают затухающие колебания, называемые свободными или собственными колебаниями системы (звена). Когда воздействие на колебательную систему производится с частотой, близкой к частоте ее собственных колебаний, то возникает резонанс – резкое увеличение амплитуды колебаний.
Как преобразователь воздействий волн в дополнительные виды качки судно представляет собой реальное интегрирующее звено, имеющее безразличный вид равновесия. После прекращения воздействия на такую систему она занимает новое положение равновесия и остается в нем до тех пор, пока не появится очередное воздействие. Собственных колебаний в этой системе нет, и явление резонанса в ней не возникает.
