Особенности движения судна во время циркуляции

Если руль, переложенный на борт, оставить в неизменном положении, то, как указывалось выше, судно получит боковое смещение в направлении, противоположном перекладке руля, и траектория его центра тяжести искривится в сторону, обратную повороту (рис. 2.2а). Одновременно под действием момента R _ру Л начнется вращение судна вокруг оси, проходящей через центр тяжести, в направлении перекладки руля. В результате движение судна относительно воды приобретет сложный характер. Это сложное движение в каждый данный момент времени можно рассматривать как абсолютное вращение судна, состоящее из переносного вращательного движения центра тяжести С вокруг мгновенного центра O ₁ с угловой скоростью ω ₁ и относительного вращения вокруг центра тяжести С с угловой скоростью ω ₂. Чтобы детальнее разобраться в особенностях движения судна во время циркуляции, обратимся к кинематике плоского движения тел, в частности к правилам сложения угловых скоростей.

1. При сложении двух направленных в одну сторону вращений вокруг параллельных осей абсолютное движение тела таково, что в каждый данный момент существует мгновенная ось вращения тела, параллельная осям переносного и относительного вращений и делящая расстояние между ними внутренним образом на части, обратно пропорциональные переносной и относительной угловым скоростям. Мгновенная абсолютная угловая скорость тела направлена в ту же сторону, а ее модуль равен сумме модулей этих угловых скоростей.

2. При сложении двух направленных в противоположные стороны вращений вокруг параллельных осей абсолютное движение тела таково, что в каждый данный момент существует мгновенная ось вращения тела, параллельная осям данных вращений и делящая расстояние между ними внешним образом на части, обратно пропорциональные переносной и относительной угловым скоростям. Мгновенная абсолютная угловая скорость тела направлена в сторону большей из них, а ее модуль равен разности модулей этих угловых скоростей.

В рассматриваемый период циркуляции переносная и относительная угловые скорости направлены в противоположные стороны (см. рис. 2.2а). Причем почти у всех судов в самом начале циркуляции ω₁>ω₂. Согласно второму правилу сложения угловых

скоростей мгновенная абсолютная угловая скорость вращения судна будет ω₌ω₁-ω₂, а центр вращения расположится на продолжении радиуса О₁С в расстоянии от центра тяжести

.

Абсолютная угловая скорость судна есть изменение его курса во времени: ω=ИК. Угловую скорость переносного движения центра тяжести можно выразить через линейную скорость v и мгновенный радиус R кривизны траектории по формуле

.

Наконец относительная скорость собственного вращения судна является скоростью изменения угла дрейфа, т. е.

Следовательно,

и .

Таким образом, первоначальное изменение курса судна на циркуляции будет происходить в сторону, противоположную перекладке руля. Данный факт не является только теоретическим выводом, но и наблюдается на практике. Если при повороте в штилевую погоду внимательно следить за положением носа судна относительно отдаленного неподвижного объекта или картушкой компаса, то легко убедиться, что в самом начале поворота курс судна немного изменится в противоположную сторону.

На рис. 2.2а видно, что в результате абсолютного (относительно воды) перемещения судна влево точка с углом дрейфа α=0 расположится позади центра тяжести, а местные углы дрейфа и местные линейные скорости будут больше в носовой части, чем в кормовой. Ввиду больших скоростей потока, натекающего на корпус в носовой части, точка приложения равнодействующей гидродинамических сил R _к (центр сопротивлений) сместится в нос. Возникнет момент R_кyl ₂, действующий согласованно смоментом R _py l ₁ (см. рис. 2.1). Собственное вращение судна ускорится. Вместе с тем по мере падения скорости судна будет уменьшаться поперечная сила на руле R_2y. В какой-то момент сила R _кy станет больше силы R_py и траектория центра тяжести искривится в направлении поворота. Переносное и относительное вращения станут направленными в одну сторону, в сторону поворота (рис. 2.26). В соответствии с первым правилом сложения угловых скоростей абсолютная скорость вращения и его центр будут:

; .

Теперь точка с углом дрейфа α=0 расположится впереди цент-

ра тяжести вблизи от него. Местные углы дрейфа и линейные скорости станут больше в носовой части судна и меньше в кормовой. В результате центр сил сопротивления сместится в корму, момент R_xy l ₂ изменит направление на противоположное и угловая скорость собственного вращения начнет падать. По мере падения угловой скорости а радиус абсолютного вращения судна О₂С начнет увеличиваться, точка С углом дрейфа а =0 смещаться в нос, а центр сил сопротивления — в корму. Наконец, в какое-то время моменты- поперечных сил на руле и на корпусе уравновесятся: R_куl₂ = =R_pyl₁; а станет равной нулю, а центр абсолютного вращения судна совпадет с центром переносного движения его центра тяжести, O₂C=R. Наступит установившийся период циркуляции (рис. 2.2в).

Движение судна во время циркуляции характеризуется изменениями курса, угла дрейфа и положением точки с углом дрейфа. Точка с углом дрейфа α=0 называется полюсом поворота судна.

Особенность полюса поворота состоит в том, что для наблюдателя, находящегося на мостике, поворот судна кажется происходящим вокруг него. В эволюционный период положение полюса поворота связано с изменением мгновенного радиуса абсолютного вращения судна О ₂ С, но никак не радиуса кривизны траектории центра тяжести (радиуса циркуляции) R.. В конце предварительного и начале эволюционного периодов полюс поворота располагается позади ЦТ судна. Однако это продолжается очень короткий промежуток времени и практически можно считать, что в начале поворота полюс находится впереди и вблизи центра тяжести. После отворота судна от первоначального курса на 20—30° полюс постепенно начинает смещаться в нос и в конце эволюционного периода располагается на расстоянии примерно 0.3 L от мидель-шпангоута. Это должно учитываться при управлении судном в узкостях. Начав поворот, судоводитель не должен полагаться на первое впечатление о характере движения судна. Следует иметь в виду, что к концу эволюционного периода полюс поворота сместится в нос и будет значительный вынос кормы.