Смирнов Г.В. - Рожденные вихрем (1107599), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Это значит: 55% мощности расходует- ся впустую на трение в подшипниках и, главным образом, на потери, вызываемые гребным винтом. Во-вторых,— и это было для Фруда самым главным — результаты натурных испытаний «Грейхаунда» прекрасно совпали с проведенными ранее модельными испытаниями. После этого Фруд решил проверить справедливость хваленой формулы Ранкииа, по которой получалось, например, что при скорости 14,3 узла (26,5 км/ч) сопротивление первого английского броненосного фрегата «Уорриор» должно составлять 34,5 т.
Модельные испытания Фруда дали иной результат: при такой .скорости сопротивление «Уорриора» составляло всего 22 т, то есть формула Ранкина давала результат, завышенный на 55%1 В эти годы Фруды испытали немало моделей строящихся для английского флота кораблей. В числе первых иностранцых заказчиков был российский флот, для которого в Торкее испытывались модели круглых броненосцев береговой обороны для Черного моря — знаменитых «поповок». Разработанная Фрудом методика испытания моделей позволила ему уже к 1875 году установить ряд научных закономерностей, имевших важное значение для практического судостроения.
Оказалось, что при малых скоростях сопротивление трения составляет 80 — 90ч» общего сопротивления, а прн высоких его доля снижается до 45 †6«. При сильном обрастании корпуса ракушкамии водорослями эта зависимость проявляется резче и быстрее. В эти же годы Фруд установнл, что в основе механизма сопротивления формы, нли, что то же, сопротивления давления, лежит образование вихрей в потоке жидкости за кормой движущегося тела, поэтому такое сопротивление правильнее называть вихревым. Для хорошо обтекаемых корпусов оно составляло, по исследованиям Фруда, около 8 — 10% от сопротивления трения н могло рассматриваться с ннм заодно. В 1878 году Фруд испытал в бассейне модели кронштейнов, рулей и других кормовых устройств быстроходного крейсера «Ирис».
Из этих испытаний он вывел важное для судостроителей правило: поскольку вихри могут возникать только за какими-нибудь частями корпуса — кромкой кронштейна, руля, ахтерштевня, дейдвуда, «тупая кормовая оконечность создает большее сопротивление, чем тупой нос».
Так, наконец, получил свое физическое истолкование факт, о котором не подозревал Ньютон и который озадачивал многих экспериментаторов в ХЧП1 веке. Этот вывод хорошо объясняет то пристальное внимание, которое с тех пор уделяют кораблестроители именно кормовой оконечности. Еще при испытании модели «Уорриора» Фруд специально исследовал взаимодействие винта и корпуса и установил ряд важных зависимостей. Скажем, винт меньшего диаметра менее эффективен, чем большой, но зато при нем корма обтекается лучше и ее сопротивление меньше, что компенсирует его недостатки.
Или еще: в принципе два винта на судне эффективнее, чем один. но в сочетании с кормовой оконечностью «Уорриора», с расположением рулей и ахтерштевня один винт оказался на нем эффективнее, чем два. Причину этого явления Фруд правильно усматривал в том, что винт, подсасывая воду из участков, прилегающих к кормовой оконечности, увеличивает .здесь скорость водяных струй и, согласно закону Бернулли, создает разрежение — то самое «недавление»,в котором некогда Дюбуа усматривал основяую причину сопротивления. Таким образом, подсасывающее действие винта, как бы сводит иа нет благоприятное действие плавных обводов кормы иа сопротивление.
В 1883 году, уже после смерти отца, Р. Фруд опубликовал результаты их совместных исследований, согласно которым приращение сопротивления вследствие работы винта в отдельных случаях достигало 40 — 50Ъ общего сопротивления! Этя работы Фрудов, исследовавших влияние обводов кормы и размеров, расположения и числа винтов на гидродинамическое сопротивление корпуса, остаются в центре внимания кораблестроителей и в наши дни.
Убедившись, что модельные результаты дают надежное соответствие с натурой, Фруды провели ряд важных сравнительных исследований на моделях. Одной из первых работ такого рода стало испытание двух одинаковых по длине и водоизмещению моделей, одна из которых была сделана по «волновой теории» Скотта Рассела и имела острые нос и корму, а вторая, напротив, имела закругленные оконечности и полные обводы. И что же? В полном противоречии с тем, что представляется очевидным при поверхностном взгляде, остроносая моель оказалась выгоднее для малых скоростей, а тупоосая — для больших. Это наблюдение привычно для современного специалиста: каплеобразное тело имеет меньшее сопротивление„если направлено к набегающему потоку не острым, а тупым, закругленным концом.
Далее, из теории трохоидальных волн можно вычислить, что скоростям 10, 20, 30 узлов соответствуют следующие длины поперечных волн: 15, 64 и 140 м. Это значит, что для корабля длиной, скажем, 64 м скорость 20 узлов (37 км/ч) является «критической»:.при такой скорости на длине корпуса укладывается всего одна поперечная волна, и нос и корма попадают на гребни.
Если же эта скорость выше, то корма начинает опускаться во впадину поперечной волны, нос задирается вверх и корабль как будто все время взбирается на поднимаемую им волну. Волновое сопротивление при этом резко растет, и на его преодоление требуется колоссальная мощность. В этой простой зависимости скрыт секрет того, что корпуса быстроходных кораблей — эсминцев и крейсеров — всегда старались делать узкимн н длинными. На опытах с моделями Фруды показали, что удлинение корпуса не всегда выгодно и что длина влияет на сопротивление двояко. С одной стороны, оно несколько снижает коэффициент трения и волновое сопротивление, с другой — увеличивает трущуюся поверхность, а следовательно, н сопротивление трения. С этого момента был положен конец мечтам о единственной, пригодной 'для всех случаев жизни «форме наименьшего сопротивления», которую искали со времен Ньютона, и вопрос был сведен к поискам для каждой данной скорости такой формы, при которой сумма волнового, вихревого и фрикционного сопротивлений минимальна.
Так, судно некоторого водоизмещения можно сделать длинным и узким — тогда его волновое и вихревое сопротивления будут малыми, а фрикционное— большим; если же судно короткое и широкое, зависимости будут обратные. В результате достигнутой ясности понимания удалось повысить живучесть и безопасность некоторых английских кораблей.
Так, стремясь повысить скорость, кораблестроители увеличивали длину корпуса и уменьшали прн этом ширину, порой необоснованно снижая ос' тойчивость — способность выпрямляться после крена — проектируемых кораблей. Во время разработки речных канонерских лодок типа «Мидуэй» Фруд с по- мощью моделей показал, что без всякого ущерба для скорости их остойчивость может быть повышена аа счет увеличения ширины с 8 до !О м. Таким путем были улучшены и броненосец «Инфлексибл» и крейсера. «Аякс» и «Ирис». В 1885 году Р. Фруд провел интереснейшие испытания, которые могут служить блестящим подтверждением того, что интуиция, вкус и чувство пропорции, присущие великим инженерам, нередко позволяли им находить наивыгоднейшие решения там, где строгий математический расчет еще невозможен. Фруд решил сравнить кривые сопротивления знаменитого парохода «Грейт Истерн» с кривыми сопротивления более поздних судом в «Сити оф Ром», «Сервия» и «Галлия».
И что же? Ю Оказалось, что Брюнель и Скотт Рассел ухитрились в 1850-х годах спроектировать корпус, скоростные характеристики которого превосходили характеристини знаменитых пароходов 1880-х годов. Форма «Грейт Истерн» уступала только форме, разработанной в Торкее на базе систематических модельных испытаний. Вторым исследованием такого рода были испытания модели так называемого «полисфенического корабля», изобретенного неким К. Рамусом. Это был длинный корабль, состоявший в профиле как бы из двух плоских клиньев, в месте стыка которых возникало подобие редана. По мысли изобретателя, на большой скорости клинообразные днища должны были выталкивать корпус нз воды и он должен был после этого скользить на нескольких точках.
Однако испытания У. Фруда в 1872 году не подтвердили этих ожиданий, н форма Рамуса была забракована. Ученого потом корили за такое заключение, в котором он будто бы не увидел важности принципа современных реданных глиссеров, но"более поздние испытания показали, что Фруд оказался прав в оценке изобретения Рамуса. Третье исследование — испытание трехпоплавковой модели, идея которой возникла у Фруда во время буксировок «иолисфенического корабля».
Эта модель оказалась тоже неудачной, но сама идея скольжения катера на трех точках была использована позднее. Кроме решения ряда других практических задач «чародеи из Торкея» положили начало большинству разработок, продолжение н завершение которых стало впо- следствии содержанием деятельности опытовых бассейнов всего мира. Одним из наиболее важных направлений было начало систематических испытаний различных форм корпусов, в ходе которых У. Фруд пришел к заключению: с точки зрения снижения сопротивления выгодно придавать поперечным сечениям носовой части судна Б-образную форму, а кормовой — Ч-образную. Вот почему таранные носы иа броненосцах тех лет снижали нх сопротивление и вот почему на первых торпедных катерах появилась резко обрубленная транцевая корма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
