книги из ГПНТБ / Земляновский, Д. К. Общая лоция внутренних водных путей учеб. пособие

§ 43. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ в о д н о г о п о т о к а и д в и ж у щ е г о с я

СУДНА

Судовые волны. Корпус судна при движении оказывает давление на частицы воды. У носовой и кормовой оконечностей судна вода, обтекающая корпус, подтормаживается. В средней части корпуса скорость воды по сравнению со скоростью набе­ гающего потока увеличивается. В районе носа и кормы, где меньше скорость потока, давление на корпус будет больше, а в средней части корпуса из-за увеличения скорости воды давление будет меньше (связь давления в жидкости с ее скоростью опре­ деляется уравнением Бернулли). На поверхности воды давление равно атмосферному.

Разность давления повышает уровни воды у носа и кормы и понижает уровень в средней ча­ сти корпуса судна, что выводит воду из равновесия. Стремясь под действием силы тяжести вернуть­ ся в первоначальное положение, вода получит колебательное дви­ жение, создающее судовые волны.

Частицы воды в судовой вол­ не движутся по круговым орби­ там, что создает впечатление «бе­ га» волн. Образование волн при­

водит к значительному расходу энергии, получаемой судном от двигателей.

При движении судна образуются две группы волш носовая и кормовая, которые в свою очередь состоят из расходящихся / и поперечных 2 (рис. 94). При небольшой скорости движения у судна возникают только расходящиеся волны, а при росте скоро­ сти — и поперечные.

Расходящиеся волны состоят из ряда гребней, смещенных от­ носительно друг друга. Если соединить прямой середины этих

гребней волн может быть больше, а при острых носовых обводах и большой скорости хода — меньше указанного.

Поперечные волны перпендикулярны диаметральной плоскости судна и ограничены по своему фронту расходящимися волнами.

Каждая волна данного судна обладает одинаковым количест­ вом энергии. Поэтому увеличение протяжения гребня волны ком­ пенсируется снижением ее высоты. Так постепенно судовые вол­ ны затухают и исчезают.

Наибольшую высоту имеют носовые расходящиеся и кормо­ вые поперечные волны. Вследствие инерционности жидкости но­ совые волны зарождаются несколько позади форштевня, а кормо­

181

вые — впереди ахтерштевня. Носовая система волн всегда начи­ нается с вершины, а кормовая — с подошвы. При определенной высокой скорости хода на месте впадины первой кормовой попе­ речной волны может находиться, например, вершина или подошва носовой поперечной волны, т. е. произойдет наложение или интер­ ференция волн.

Длина судовой волны зависит от скорости перемещения суд­ на v; она определяется следующей формулой:

Из формулы видно, что с изменением скорости судна изменя­ ется длина волны, а следовательно, и число поперечных волн, которые могут уложиться по длине судна. Если на малой скоро­ сти хода по длине судна располагается несколько поперечных волн, то при большой скорости в пределах корпуса может распо­ ложиться лишь одна поперечная волна. У быстроходных и корот­

тер наложения носовых расходящихся волн на кормовые. Если скорость хода такова, что гребень носовой волны налагается на впадину кормовой, то волны сглаживаются. Если гребни волн сов­ падают, то волны увеличиваются, создается неблагоприятная

На волнообразование большое влияние оказывает мелководье. Влияние мелководья на речные суда становится заметным, если глубина пути снижается приблизительно до 4—6 -кратной осадки судна.

Существенное значение для волнообразования на мелководье имеет отношение глубины пути к осадке судна и относи­

тельная безразмерная скорость, определяемая числом Фруда по глубине:

На мелководье увеличение скорости судна вызывает опреде­ ленные особенности в волнообразовании:

при FrH<0 , 6 волнообразование сходно с волнообразованием на глубокой воде (рис. 95,а);

при FrH«;l угол между линиями расходящихся волн и диамет­ ральной плоскостью судна, идущего с так называемой критиче­ ской скоростью, возрастает до предельной величины — 90°:

При этой скорости поперечные волны, увеличиваясь по высо­ те и распространяясь на большую длину, сливаются с расходящи­

182

мися волнами (рис. 95,6). Обе системы носовых и кормовых волн, таким образом, обращаются в одиночную волну перемещения, об­ ладающую определенной поступательной скоростью. Эта волна несет в себе большой запас энергии и может быть опасной для встречных мелких судов.

При FrH >l судно отрывается от одиночной волны перемеще­ ния и волнообразование ограничивается пучками расходящихся волн, зарождающихся в носовой и кормовой оконечностях судна

(рис. 95,в).

В канале, где поток жидкости ограничен не только по глубине, но и по ширине, ограниченность судового хода оказывает еще более сильное влияние на волнообразование, чем на мелководье.

Рис. 95

Одиночные волны перемещения в канале возникают при меньшей скорости судна, чем на фарватере, имеющем такую же глубину, но не ограниченном боковыми стенками.

Если скорость судна превысит критическую, сопротивление во­ ды движению значительно уменьшится, а скорость судна увели­ чится. Но достижение такой скорости для практических целей — трудная техническая задача (необходимы двигатели огромной мощности).

Действие судовых волн на берега, дно и стоящие суда. Волны, образующиеся при движении судна, подходя к берегу, разрушают его. При малом запасе воды под днищем в результате работы дви­ жителей дно размывается, поэтому скорость движения судов на каналах ограничивается.

При приближении к отлогому берегу судна, идущего полным ходом, уровень воды около берега заметно повышается, а стоящие около него суда начинают перемещаться по направлению движе­ ния подходящего судна и к берегу. Это — результат вытесняемой судном воды, вкатывающейся на берег.

Как только судно поравняется со стоящими у берега судами, начнется отлив воды и резкое понижение уровня. Вода увлекает в реку стоящие у берега суда, при этом могут порваться швартовы, сломаться мостки, сбиться трапы и др.

После того как судно пройдет мимо, на берег вкатывается большая волна, иногда с пенистым гребнем, которая может вы­ звать, большие разрушения.

183

Иногда при подходе судна к месту стоянки корма стоящего судна начинает удаляться от берега, а нос приближаться к нему. Когда проходящее судно поравняется со стоящим, корма послед­ него начнет подходить к берегу, а нос — отклоняться от него.

Проходящее судно оказывает аналогичное воздействие и на судно, стоящее на якоре. В результате последнее может быть наведено на свой якорь, сорвано с него или выброшено на от­ мель.

При ходе судна по течению и с составом влияние судовых волн на берега и стоящие суда несколько меньше.

Во избежание аварии при проходе мимо судов, стоящих у бе­ рега, необходимо снижать скорость.

Дополнительная осадка при движении судна. При движении у судов наблюдается изменение осадки, вызванное увеличением скорости и перераспределением давления на корпус по сравнению с давлением, действующим на него при отсутствии хода. Увели­ чение осадки иногда называют п р о с а д к о й судна.

Характеристикой быстроходности судов является относитель­

ответствии с тремя режимами движения.

П е р в ы й р е ж и м — движение, когда Fr^.1. При этом режи­ ме происходит незначительное по сравнению со статическим по­ ложением увеличение осадки, вызываемое тем, что на большую часть корпуса, за исключением носовой и кормовой оконечностей, давление воды будет меньше гидростатического. В результате бу­ дет создаваться небольшой дифферент на корму или нос в за­ висимости от остроты обводов носовой и кормовой оконечностей судна, а следовательно, и давления воды на большую или мень­ шую площадь этих оконечностей.

В т о р о й и т р е т и й р е ж и м ы соответствуют движению с очень большой скоростью, при которой числа Фруда намного пре­ вышают единицу. Когда числа Фруда большие, у судна уменьша­ ется осадка и оно может глиссировать или даже рикошетировать. Транспортные суда не имеют таких высоких скоростей, их отно­ сительная скорость невысока, что соответствует F r ^ 0,15—0,30.

Более значительно осадка судна увеличивается на мелково­ дье, особенно при увеличении скорости до критической. При про­ садке уменьшается зазор между днищем судна и грунтом, увели­ чивается скорость обтекания потока вблизи корпуса и дополни­ тельно снижается давление, действующее на корпус судна. Про­ садка при крайнем мелководье увеличивает осадку судна до 50%. Если давление воды на корпус понизилось сильно, то судно может касаться днищем грунта.

184

Приближение скорости движения судна к критической вызы­ вает значительное увеличение просадки и дифферента на корму, который достигает наибольшей величины в момент образования

не только касание грунта, но и кратковременное присасывание небольших судов ко дну.

При движении судна в канале в районе корпуса образуется обратный поток воды, скорость которого тем больше, чем меньше живое сечение канала и больше скорость движения судна. Обрат­ ный поток вызывает уменьшение глубины и создает уклон сво­ бодной поверхности воды в сторону, противоположную движению судна. В результате у судна увеличивается осадка и создается

185

Притяжение судов при встречах и обгонах. В практике судо­ вождения встречаются случаи взаимного притяжения судов, или так называемого «присасывания». Оно иногда оказывается на­ столько сильным, что ни путем перекладки рулей на противопо­ ложный борт, ни маневрированием машинами нельзя предотвра­ тить столкновение.

Взаимное притяжение возникает обычно, если расстояние меж­ ду бортами мало. При этом поток сужается, увеличивается его скорость, а следовательно, гидродинамическое давление воды у середины внутренних бортов становит­ ся меньше, чем у внешних. Повышен­ ное давление воды у оконечности суд­ на и расходящиеся волны создают, кроме того, зарыск меньшего судна к большему. Взаимное притяжение в большой степени зависит от результа­ та наложения систем волн, образован­

ных обоими судами (рис. 96).

Опыт судовождения показывает, что присасывание наблюдается при сочетании некоторых из перечислен­ ных ниже обстоятельств: при движе­ нии судов параллельными курсами на малом расстоянии друг от друга; при сравнительно высоких скоростях хода; при плавании на мелководье или в ус­ ловиях ограниченного фарватера; если водоизмещение одного судна значи­

тельно больше водоизмещения другого; при обгоне одного судна другим на реках с быстрым течением и при движении вниз по течению.

Чем больше отношение ширины судна к его длине и меньше расстояние между бортами судов, тем больше силы взаимного притяжения. Присасывание наблюдается при движении судов около причалов, откосов берега и устоев мостов, особенно на ре­ ках с быстрым течением.

При встрече суда меньшее время находятся рядом, чем при обгоне, поэтому процесс присасывания редко приводит к столкно­ вению.

Сила притяжения начинает сказываться с того момента, ког­ да носовая оконечность обгоняющего судна находится примерно на траверзе кормовой части обгоняемого. При приближении об­ гоняющего судна к носовым расходящимся волнам обгоняемого давление в носовой части несколько возрастает (сказывается влияние повышенного давления гребня носовой расходящейся волны), толкающая сила к большому судну увеличивается. Взаи­ модействие присасывающей силы большого судна, действующей

186

в зоне пониженного давления, с толкающей силой меньшего судна вызывает стремительное движение меньшего судна в сторону большего (рис. 96).

Сила присасывания возрастает по мере сближения судов, ког­ да меньшее судно приближается к зоне наибольших величин отрицательного гидродинамического давления, созданного в ре­ зультате движения большего судна. Перекладкой руля столкнове­ ние предотвратить не удается — на маневр требуется до 1 0 — 15 сек, а за это время меньшее судно быстро преодолевает рас­ стояние между бортами.

При движении судов в канале на их взаимное притяжение большое влияние оказывают боковые стенки и дно канала. При движении по оси канала стеснение потока и понижение уровня воды будут одинаковыми с двух бортов, в результате у судна уве­ личится осадка и появится дифферент на корму. При приближении к откосу стеснение воды корпусом будет различное. Со стороны ближайшего берега оно будет больше, чем с противоположной сто­ роны, поэтому и скорость обтекания со стороны откоса будет больше. При таком обтекании уровень воды у носа судна повыша­ ется и затем значительно понижается в сторону кормы. С внеш­ него борта условия обтекания иные: здесь не происходит значи­ тельного повышения горизонта перед судном, уровень воды у се­ редины борта несколько понижается, а у кормы повышается до уровня в спокойном состоянии.

Разное положение уровней, а также разность давлений созда­ ют две силы, одна из которых стремится отвести нос судна к оси канала, другая — прижать корму к берегу.

Чем больше скорость движения судна и чем оно ближе к бе­ регу, тем больше момент гидромеханических сил, разворачиваю­ щих судно.

При встрече и обгоне в канале влияние стенок дополняет соб­ ственное взаимодействие судов. При встречах, когда после укло­ нения к откосам канала суда сближаются, подъем уровня воды перед ними создает силы отталкивания. Когда нос судна выйдет на траверз встречного судна, действие разворачивающего момен­ та гидродинамических сил (возникшего в период одиночного дви­

фарватер достаточно широк, можно в первом приближении опре­ делить таким образом. (Траверзное расстояние условимся изме­ рять от носа малого судна до борта большого.) Безопасность об­ гона будет обеспечена и столкновения не произойдет, если при движении большого судна со скоростью va прежним курсом его корма через время Та пройдет точку О прежде, чем в ней через время Тм окажется нос меньшего судна, двигающегося по направ­ лению зарыска ао под углом у к диаметральной плоскости боль­ шего судна (см. рис. 96) .

187

пройти путь, равный своей длине L, и дополнительно путь, рав­ ный kL, считая от кормы большего судна. Тогда формула безопас­

Величина траверзного расстояния в канале определяется ши­ риной последнего и габаритами судов и составов.

Рыскливость судов, вызываемая гидрологическими причинами.

Рыскливость — результат конструктивных особенностей судна, от­ сутствия рулей, неправильной погрузки груза и т. д. Но рыскли­ вость может возникать и от различных гидрологических причин. Рассмотрим основные из них.

По широкому и глубокому плесу судно идет сравнительно ров­ но и устойчиво. При выходе на мелкое место увеличивается сопро­ тивление воды движению судна, снижается упор движителей и вследствие этого уменьшается скорость хода. Поперечные волны догоняют судно и, неравномерно воздействуя на корпус и руль, вызывают рыскливость.

188

Когда судно находится на 100—150 м ниже переката, по коры­ ту от подвалья вверх распространяется целый ряд небольших волн, которые, отражаясь от подвалья, воздействуют на судно. Пройдя полным ходом к подвалью под некоторым углом к те­ чению, судно может сильно зарыскнуть в сторону. На судно дей­ ствует также слив воды через подвалье переката.

При подходе судна близко к отмели вытесняемая вода повы­ шает уровень над нею. Разность уровней воды над отмелью и в русле создает силу давления, под влиянием которой судно полу­ чает зарыск к глубокому месту. Зарыск усиливается от воздейст­ вия воды, сливающейся с отмели в русло (рис. 97).

Рыскливость порождается волнами, отраженными от отмелых мест, а также неровным и разноструйным течением над застру­ гами.

Вращательное и неровное движение воды на суводях и майда­ нах также вызывает рыскливость у проходящих судов (особенно у мелких).

(

Г Л А В А I V

НАВИГАЦИОННЫЕ ПОСОБИЯ

§ 44. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Навигационные пособия — это специальные печатные из­ дания в виде карт, книг, атласов и справочников, предназначен­ ные для изучения района плавания, выбора наиболее безопасного и короткого пути, а также для различных расчетов, связанных с судоходством.

Навигационные (лоцманские) карты. Для плавания по внут­ ренним судоходным путям существуют карты рек, каналов и во­ дохранилищ. Для плавания по крупным озерам и устьям рек, впадающих в моря, используются специальные морские карты. Карты необходимы для определения местоположения судна, вы­ бора курса судна и для решения других задач, связанных с ориентировкой и обеспечением безопасности плавания.

Руководства для плавания. Это издания, которые дополняют навигационные карты текстовым описанием, иллюстрациями, схе­ мами, наставлениями для плавания и т. д. К руководствам можно отнести: лоции, описания участков, радиолокационные схемы, опи­ сание портов-убежищ, рекомендации по выбору безопасного курса судна. Особым видом рекомендаций являются кинофильмы, пред­ назначенные в основном для учебных целей.

Справочные пособия. Предназначаются для получения необ­ ходимых данных о районе плавания и для производства расчетов, связанных с судоходством. К справочным пособиям относятся схе­ мы внутренних водных путей, маршрутники, атласы и картограм­ мы ветрового волнения, графики колебаний уровня воды и др.

Информации. Служат для предупреждения судоводителей об изменениях в условиях плавания. К ним относятся: информацион­ ные бюллетени об уровнях воды и состоянии судового хода, путе­ вые листки, циркулярные радиобюллетени, гидрометеобюллетени, рейсовые прогнозы погоды и т. д.

Правила и уставные документы. Эти пособия определяют по­ рядок и правила движения судов и плотов, сигналопроизводство, эксплуатацию технических средств, а также взаимоотношения между службами и отдельными лицами на судах внутреннего плавания. К ним относятся: «Правила плавания по внутренним судоходным путям РСФСР», «Местные правила плавания» (для

190