В книге “Управление судами при маневрировании” автор Генри Х. Хойер неоднократно обращается к термину “Pivot Point”, который переводчики: Я.Н. Семенихин, Ю.М. Улькин и М.Н. Письменный обозначили как “центр вращения” (ЦВ). Генри Хойер указывает, что для полного использования управляемости судна в расчет должно приниматься положение ЦВ судна. Положение центра вращения играет решающую роль в объяснении поведения судов.
Нельзя говорить о положении центра вращения как фиксированном, оно является следствием движения судна и фактически перемещается вдоль корпуса судна.
При развороте судна следует учитывать положение ЦВ, чтобы оценить плечо силы, вызывающей разворот. Момент силы относительно ЦВ – это произведение силы на её плечо – длину перпендикуляра, опущенного из ЦВ на линию действия силы. Следовательно, есть большое различие между эффективностью действия сил, линии действия которых находятся вблизи ЦВ или далеко от него. Чем дальше точка приложения силы, действующей на судно, от ЦВ, тем больше плечо этой силы, тем больше эффективность её действия.
Очень важно иметь четкое представление о величинах сил, действующих на судно. Каждое движение судна можно рассматривать как результат воздействия на него различных сил, а отсюда можно объяснить, предугадать или предупредить кажущуюся иррациональность в поведении судна.
Базовые величины: каждые 100 л.с. эффективной мощности создают тягу в швартовном режиме 1 тс (9.81 кН). Лобовое сопротивление судна при движении с постоянной скоростью составляет 25% общего сопротивления движению судна. Поперечная сила на гребном винте, работающем назад, составляет от 5 до 10% силы тяги винта. Когда судно не имеет хода, сила на руле полностью определяется водяным потоком, набрасываемым винтом на перо руля. Для практических расчетов можно принять, что величина этой силы составляет порядка 0.3-0.5 силы упора винта и почти прямо пропорциональна углу кладки руля.
Поскольку ЦВ может перемещаться при маневрировании судна, очень важно иметь представление о вероятном положении ЦВ под воздействием различных обстоятельств, чтобы предвидеть изменения во вращательном движении.
Движение поворачивающегося судна можно рассматривать как комбинацию продольного, поперечного и вращательного движений, в котором продольное и поперечное движения могут быть равны нулю. Вращательное движение происходит вокруг вертикальной оси. Положение этой оси на судне зависит от формы судна, направления и скорости движения судна, величины и точки приложения различных сил, действующих на судно.
Как правило, можно считать, что на судне, не имеющем хода относительно воды, ЦВ находится по другую сторону миделя от силы, действующей на судно. Например, реакция руля или другая поперечная сила, действующая в кормовой части судна, образует ЦВ впереди миделя.
Когда под воздействием движущей силы судно получает продольное движение, в носу судна образуется лобовое сопротивление. Величину лобового сопротивления можно считать равной 1/4 движущей силы, когда судно идет с постоянной скоростью. Кроме этого на судно действуют сопротивление трения и силы инерции.
Отношение Rлоб/Fдвиж (где Rлоб – лобовое сопротивление; Fдвиж – движущая сила) играет важную роль при установлении положения ЦВ, когда судну, имеющему продольное движение относительно воды, придается вращательное движение.
Рассмотрим влияние упора винта и реакции руля на судно, не имеющее хода относительно воды и давшее передний ход. Инерция судна препятствует ускорению, подводное сопротивление пока еще не играет значительной роли. Сила упора винта работает одновременно по преодолению продольной инерции покоя и поперечной инерции вращательного движения, так как часть этой силы преобразуется в поперечное усилие от действия руля. Набрасываемая винтом струя воды вызывает реакцию руля – Rp (см. рис.1), поперечная составляющая которой равна примерно 1/3 – 1/2 упора винта на передний ход.
Сила от действия руля, приложенная на самой оконечности судна и имеющая поэтому большее плечо, преодолевает поперечную инерцию судна быстрее, чем сила упора винта преодолевает инерцию покоя.
Положение ЦВ зависит от отношения длины судна к его ширине (L/B). Например, на судне с отношением L/B=8 и начинающем продольное движение относительно воды с нуля, начальное положение ЦВ находится в 1/8 длины судна (=В) от носа.
Когда инерция покоя преодолена и судно наберет скорость, возникает лобовое сопротивление воды. Сопротивление воды достигает величины, примерно равной 1/4 пропульсивной силы, заставляя ЦВ смещаться назад пропорционально величине этой силы по сравнению с пропульсивной силой. При этом расстояние от ЦВ до носа (форштевня) составит 1/3L. Точка ЦВ остается в том же самом положении, когда судно поворачивается с постоянной скоростью.
Когда судно следует постоянным курсом в идеальном случае не должно быть никакого поперечного сопротивления. Воздействие руля при изменении курса будет происходить с начальным ЦВ, расположенным от носа на расстоянии, пропорциональном отношению продольного сопротивления пропульсивной силе, т.е. на расстоянии примерно в 1/4 длины судна от носа; на заднем ходу он располагается примерно в 1/4 длины от кормы.
Лобовое сопротивление воды, действующее на нос при продольном движении, будет во время поворота воздействовать также на скулу, создавая поперечное сопротивление. Это поперечное сопротивление сдвигает ЦВ назад и вследствие этого укорачивает рычаг управления. Обычно считается, что на судне, следующем передним ходом и разворачивающемся под действием руля. ЦВ лежит примерно в 1/3 длины от носа.
Если судно на ходу сильно рыскает, то ЦВ смещается в сторону кормы и расположится на расстоянии примерно в 1/3 длины судна от форштевня.
Итак, рассмотрим возможность определения некоторых закономерностей в перемещении центра вращения по судну.
А. Судно стоит перпендикулярно причалу и упирается форштевнем в причал. Переложили руль на борт, дали ход машине. Центр вращения находится в точке соприкосновения с причалом (хотя бы на первое время, пока не начнется разворот судна и форштевень не станет скользить вдоль причала.
Б. Судно стоит. ЦВ совпадает с центром масс судна.
В. На неподвижном судне дали ход машине. Появились силы сопротивления. Центр вращения сместился в нос и находится примерно на расстоянии в ширину судна от форштевня.
Г. Ход установился. Рыскания нет. Центр вращения находится на расстоянии в четверть длины судна от форштевня.
Д. Ход установился. Судно рыскает. Центр вращения находится на расстоянии в треть длины судна от форштевня. Таково положение центра вращения и при циркуляции судна.
Е. Машина работает на задний ход. Судно движется назад с определенной скоростью, не равной нулю.
Проанализировав вышеизложенное можно заключить, что в первом приближении центр вращения стремится переместиться в точку приложения равнодействующей сил сопротивления ходу судна.
В случае А местоположение этих точек явно совпадает. В случаях В, Г и Д хорошо просматривается отслеживание ЦВ за точкой приложения равнодействующей сил сопротивления, особенно, в случае Д. И совсем очевиден случай Е – перемещение судна задним ходом.
Теперь становится вполне понятным резкое улучшение управляемости судна при применении якорей, отданных на грунт или на глубокой воде не до грунта (предложено профессором Лесковым М.М.).
В работе К. Дж. Пламмера “Маневрирование судов в узкостях” глава VI посвящена вопросам применения якорей при маневрировании. В главе досконально рассмотрены последовательные действия судоводителей в следующих ситуациях:
Момент непосредственно перед встречей двух судов, следующих встречными курсами в узком канале.
Отдача якоря с целью устранения рыскания судна.
Постановка судна на якорь при сильном попутном приливном течении.
Возобновление движения после снятия судна с грунта.
Применение якорей при выполнении поворота.
Буксировка судна кормой вперед.
Применение якорей во время швартовки к причалу.
Плавание в канале, имеющем препятствие.
Удержание судна на месте при минимальном ходе вперед.
Для более детального изучения вышеуказанных вопросов следует обратиться непосредственно к книге К. Дж. Пламмера.
Ниже рассматриваются вопросы применения якорей, отданных на грунт, с целью эффективного экстренного торможения.
Экстренное торможение судна на мелководье имеет исключительно важное значение. Однако до настоящего времени в теории и на практике существуют трудности определения тормозных характеристик судна именно на мелководье.
По существующей теории принято, что на заднем ходу, когда винт наберет обороты, его тяга остается постоянной вплоть до полной остановки судна. Такой подход создает у судоводителей опасную переоценку тормозных характеристик судна, что на практике нередко приводит к аварийным ситуациям.
Экспериментальные исследования показали, что в случаях, когда задний ход дается при малых скоростях переднего хода, расчетный тормозной путь может оказаться в 2-3 раза короче полученного экспериментальным путем.
Основной недостаток существующей теории заключается в том, что она не учитывает влияния струи воды, набрасываемой на корпус судна при работе винта на задний ход. Так как винт находится очень близко к корпусу, сила набрасывания существенно уменьшает полезную тягу винта (на момент остановки судна примерно вдвое). На мелководье отрицательный эффект усиливается, поскольку на корпус судна дополнительно действует струя воды, отраженная от грунта.
Из вышесказанного представляется закономерной разработка вопроса об экстренном торможении судна на мелководье якорями, отданными на грунт.
Процесс отдачи якоря на грунт на ходу судна можно разбить на два этапа: первый этап – движение якоря в воде до момента касания грунта; второй этап – внедрение якоря в грунт и движение его в грунте или по его поверхности. При этом принято, что грунт мягкий (песок, ил, глина и т.п.). Случаи с каменистым грунтом, а также зацепка якоря за неподвижное препятствие не рассматриваются.
При отдаче якоря на ходу судна на якорь и цепь начинают действовать сила сопротивления набегающего потока воды и сила инерции, отчего скорость свободного стравливания цепи увеличивается по сравнению с таковой на неподвижном судне. При скорости судна до 10 узлов это влияние незначительно, но затем это влияние становится существенным. При определенной скорости отдачи центробежная сила, действующая на цепь при изломе её на звездочке брашпиля, становится равной силе давления цепи на звездочку брашпиля. При этом вероятно проскальзывание цепи через звездочку брашпиля, что делает невозможной задержку цепи. Такое положение возникает при скорости травления цепи 8-10 м/с, когда вытравливается без задержки 25 – 30 м цепи.
Таким образом во избежание потери якоря цепь необходимо травить отрезками длиной по 15 -20 м.
Высокая скорость отдачи якоря на ходу судна способствует тому, что якорь входит в мягкий грунт на значительную глубину, следовательно, резко возрастает его держащая сила, особенно в начальный момент (при горизонтальном положении веретена).
Рекомендации Пламмера по порядку отдачи якоря с целью устранения рыскания сводятся к следующему. После подачи команды “отдать якорь” ослабляют стопор, чтобы якорная цепь свободно шла по барабану. Якорь настолько быстро ударится о грунт, что образуется слабина якорь-цепи в несколько метров, а затем на несколько мгновений якорь-цепь сама перестанет травиться. В этот момент стопор должен быть зажат как можно крепче. В этом случае, хотите верьте, хотите нет, даже если судно и обладает значительной инерцией переднего хода, якорь-цепь можно надежно застопорить до того как она получит сильное натяжение. Затем якорь вместо того, чтобы держать выйдет из грунта, поскольку якорь-цепь в это время располагается почти вертикально, и начнет ползти по грунту, не задерживаясь за него.
Если якорь отдан и вытравлен только короткий отрезок якорь-цепи, рыскание судна будет почти наверняка устранено. Пламмер рекомендует отдавать якорь вышеуказанным способом и в том случае, если судно начинает рыскать в непосредственной близости от встречного судна, когда уже некогда принимать какие-либо иные меры.
В случае, когда судно, следуя по каналу, чувствует близость берега с такой силой, что чистое расхождение с приближающимся судном невозможно, Пламмер рекомендует прежде всего сбавить ход до минимального. Затем отдать якорь, как представлено выше. Через некоторое время лапы якоря покроются илом, что будет препятствовать захватыванию им грунта. После этого можно потравить якорь-цепь, а затем задержать её, но только при условии, что маневр будет выполнен правильно. Нужно вытравить якорь-цепь на длину от нескольких звеньев до 2 м и затянуть ленточный стопор втугую. В результате трения при остановке якорь-цепи тормозная лента всегда слегка нагревается. Неожиданный рывок якоря приводит к тому, что ил отваливается от лап якоря, отчего якорь крепче входит в грунт. После того как якорь проползет далее по грунту на его лапах снова накопится ил и натяжение якорь-цепи вновь ослабнет.
Груженое, плохо управляющееся судно остановить полностью без отдачи якоря очень трудно и сам маневр требует очень много времени. Если не воспользоваться якорем, то при остановке судна возникает большая вероятность удара его о берег или посадка судна на грунт (поперек канала).
Вышеуказанные рекомендации Пламмера относятся к случаям, когда судно следует на небольшой глубине и с малой скоростью. Используемый при этом якорь не забирает грунта. Однако нередки такие ситуации, когда необходимо использовать полную держащую силу якорей.
Экспериментальные исследования показали, что при протаскивании якоря по грунту (имеется в виду мягкий грунт и горизонтальное положение веретена якоря) он при заборе грунта развивает на время 1.0-1.5 с повышенную держащую силу, превышающую разрывное усилие цепи. Особенностью якоря Холла является то, что он, протаскиваясь по грунту, собирает перед собой вал, через который он через определенное время переваливается, затем вновь забирает грунт, развивая при этом повышенную держащую силу.
Из книги Льва Скрягина «Якоря»: В мае 1891 года Британское Адмиралтейство решило провести сравнительные испытания лучших систем якорей, изготовлявшихся в то время в Англии…..
Испытание заключалось в том, что каждый якорь отдавался на рейде с привязанным том-буем для указания места, рядом с том-буем ставили шлюпку. После этого корабль (броненосец «Гирроу») в течение 20 минут работал машиной на задний ход в половину мощности. Затем измеряли расстояние протаскивания якоря на грунте до места, где он зарывался в грунт и держал.
Становые якоря броненосца «Гирроу» весили по 96 центнеров (около 300 пудов), а для испытаний специально заказали якоря массой в 36 центнеров (около 112 пудов). Из пяти якорей четыре протащились по твердому грунту от 70 метров до 0.5 мили, прежде чем смогли задержать движение корабля.
Исключение составил якорь Холла. Длина его протаскивания была всего несколько футов. Посланные на дно водолазы сообщили, что якорь нагреб перед собой 12 футов грунта. Войдя с первого раза в грунт, он уже не менял своего положения в течение всех 20 минут испытаний……
4 кгс на 1 кгс веса – вот предел держащей силы безштокового якоря …..
Выводы, к которым пришел немецкий инженер из Бремена Генрих Хейн после проведенных модельных и натурных испытаний якоря Холла, можно назвать обескураживающими. Он установил: во многих случаях якоря с меньшей меньшей площадью лап держат лучше , нежели холловский якорь, и чем шире расставлены лапы якоря, тем меньше его держащая сила, Хейн понял, что на каждую из двух лап якоря могут действовать неодинаковые силы в зависимости от разницы в заглублении в грунт и от неоднородности грунта под якорем. Если одна из лап якоря попадает на камень, а другая уходит в мягкий грунт, неизбежно появление пары сил, стремящейся вырвать якорь из грунта. Хейн заметил, что обычно это происходит на песчано-каменистом и мелкокаменистом грунтах, на которых якорь перемещается резкими скачками, переворачиваясь с боку на бок. Пара сил появляется и при перемене направления ветра или течения, когда якорная цепь принимает различные направления относительно первоначального натяжения. При этом якорь раскачивается в грунте, вырывается из него и через некоторое время забирает опять.
Тщательные опыты в натурных условиях дали Хейну возможность понять, почему якоря Холла во время длительных стоянок при сильных ветрах «ползут», т.е. периодически выдергиваются и после некоторого протаскивания забирают снова.
Условием безопасной работы якорного устройства в случае забора якорем грунта на ходу судна является обеспечение свободного продвижения судна во время развития якорем повышенной держащей силы за счет упругого удлинения цепи. Исходя из этого положения были произведены расчеты и составлена таблица с указанием необходимой длины якорной цепи за бортом.
Для того, чтобы якорь-цепь не оборвалась и использовалась полная держащая сила якоря, длина вытравленной за борт цепи должна быть не менее указанной в таблице.
Как видно из таблицы, необходимая длина цепи в большой степени зависит от скорости судна на момент отдачи якоря.
Установлено, что при отклонении веретена якоря на 5º от горизонтали он теряет примерно 1/4 часть держащей силы. Если отклонение веретена доходит до 15º, то держащая сила якоря ослабевает более чем на половину.
Исходя из этого положения, а также учитывая все вышеприведенное, можно рекомендовать во избежание обрыва цепи в случаях экстренного торможения судна якорями, отданными на грунт, следующее:
При свободной отдаче якоря во избежание внедрения его в грунт длина вытравленной за борт цепи должна составлять не более полутора глубин;
При отдаче якоря на грунт, в расчете на использование полной держащей силы якоря, длина вытравленной без задержек за борт цепи должна быть не менее указанной в таблице. Можно рекомендовать и такую формулу: не один узел скорости – одну смычку!
Возможен и такой вариант. После отдачи якоря на грунт якорь-цепь пропускается под натяжением через ленточный стопор. При этом наблюдается большой расход ленты ферадо из-за горения, но эффект торможения судна высокий.
Судоводителям следует помнить, что работа машины на задний ход на мелководье менее эффективна, а в условиях узкости подчас и опасна из-за разворота судна. !!!!!
Исследования по применению якорей, отданных в воду не до грунта, показали их высокую эффективность. При отдаче двух якорей с 2-3 смычками цепи тормозной путь судна сокращался на 30-50%. Больший эффект был отмечен при пассивном торможении и при малых начальных скоростях. Испытания проводились на 10 типах судов водоизмещением до 62 тысяч тонн.
Очень важно то обстоятельство, что на малых скоростях хода сопротивление отданных в воду якорей с 3-4 смычками цепи превышает величину сопротивления корпуса судна в 2 раза. А это позволяет резко улучшить управляемость судна, так как ЦВ смещается в нос. Даже если только одни якоря опустить в воду поворотливость судна значительно улучшается.
Испытания на т/х «Профессор Щеголев» показали, что при использовании якорей, отданных в воду, диаметр циркуляции сокращался на 30-40%. Эффект особенно заметен при малых скоростях хода.
Существенное влияние на элементы циркуляции оказывает крен судна. Увеличение диаметра циркуляции в сторону крена и уменьшение в противоположную сторону объясняется избыточным давлением воды на скулу со стороны накрененного борта. Испытания на турбоходе «Академик Шиманский» длиной 169 м показали, что при дифференте 0.3 м на нос и крене 1.7˚ на правый борт диаметр циркуляции левого борта уменьшился почти в два раза.
Возвращаемся к случаю с “Амоко Кадис”. Капитану следовало бы попытаться восстановить управляемость судна с помощью якорей, отданных в воду или на грунт по возможности, используя в качестве руля буксир на корме.
