Техника парусного эксперимента
Экспериментальные данные по парусным судам нужны и важны, цены им нет, но нет и их самих. Методика экспериментальных исследований не разработана. Мне однажды удалось провести такую работу с “Бризом”, но опыт невелик, и на его основе можно давать только самые общие рекомендации.
Сам по себе парусный эксперимент несложен, но он требует терпения и некоторых специальных навыков, приобретаемых по ходу дела. Причем эта работа оправдывает себя даже тогда, когда у взявшегося за нее по началу не хватает умения или терпения чтобы провести ее в полном объеме. Она позволяет лучше прочувствовать особенности своей лодки, ее ходовые качества, действующие на нее силы и дефекты конструкции, позволяет более уверенно и быстро ее совершенствовать.
Для проведения измерений необходимы приборы. Минимальный комплект включает в себя компас-пеленгатор, два динамометра, линейку и секундомер. Неплохо, конечно, использовать и более совершенное оборудование, но надо ясно понимать, что не оно все решает, важнее мастерство экспериментатора.
Один мой приятель, желая “научным путем” повысить быстроходность швертбота “Мевы”, оснастил ее самодельным цифровым лагом; лодка стала ходить хуже. На это другой приятель заметил, что не надо делать дырку лазером там, где можно обойтись гвоздем.
Компас – пеленгатор – обычный компас для спортивного ориентирования или небольшой авиационный компас, которым можно определять курс судна и направления истинного и вымпельного ветров относительно магнитного меридиана, что позволяет находить как разность двух последних и курсового угла судна углы γ и β, входящие в треугольник скоростей.
Линейка и секундомер требуются для измерения скорости хода судна методом планширного лага; несмотря на весь его примитивизм, этот метод удобен и дает неплохие результаты. Как линейку удобно использовать корпус судна или, на тримаране, его поплавки. Вперед по ходу забрасывается какой-либо плавучий предмет, и секундомером засекают время, за которое судно проходит мимо него. Секундомер удобен тем, что позволяет измерять малые интервалы времени, необходимость в чем возникает на быстроходных судах, проскакивающих свою длину менее чем за секунду.
Ян Телига рекомендовал для измерения скорости судна несколько иной метод: бросать за корму бутылку, привязанную шнурком известной длины.
Динамометры требуются для измерения действующих на судно сил. Удобно использовать десяти, а еще лучше хозяйственные двадцатикилограммовые пружинные весы. Силы, действующие на небольшое парусное судно, достигают нескольких десятков килограммов, что превосходит возможности таких весов; для расширения диапазона измеряемых сил можно использовать измерительные тали.
В походных условиях в качестве динамометров можно использовать любые подручные упругие элементы: резиновые бинты, жгуты, луки и т.п. Конструкция самодельных динамометров изобретается на месте, а откалибровать их несложно, подвесив ведро с водой: литр воды – килограмм силы.
Измерение аэродинамических характеристик судна
П ри анализе ходовых качеств судна желательно знать угол θA0, при котором обращается в нуль тяга парусов. Определить его можно так называемым методом змея, состоящим в том, что судно фиксируется боковой оттяжкой большой длины (50 м) и само с выбранными парусами выбегает на ветер, двигаясь по окружности, радиусом которой является оттяжка. Оттяжку надо привязать к якорю, вбитой в дно свое или, еще лучше, за кол, вбитый на пологом открытом мысочке, вокруг которого бегает судно. У судна оттяжка должна заканчиваться шпрюйтом, разнесенным на его оконечности; судно на шпрюйте фиксируется так, чтобы оттяжка была нормальна его ДП.
Зафиксированное оттяжкой судно идет на ветер и останавливается под некоторым небольшим углом к нему, когда исчезает тяга парусов; в этот момент β=θA0.
Дальнейшим развитием метода змея является применение регулируемого шпрюйта, позволяющего фиксировать судно под любым углом к оттяжке. Как бы ни было зафиксировано судно, двигаясь на оттяжке, оно остановится в положении, в котором действующая на него аэродинамическая сила будет уравновешена натяжением оттяжки; последнее для фиксированного судна имитирует отсутствующую в данном случае гидродинамическую силу  . На остановившемся судне легко измерить углы β, θH, θA. Знания ориентации и величины силыдостаточно для построения аэродинамической поляры судна. Но чтобы определить безразмерные аэродинамические коэффициенты, необходимо знать еще и скорость ветра при различных углах обдувки судна, что сильно осложняет аэродинамические измерения.
В етер, дующий над поверхностью воды, это отнюдь не равномерный поток воздуха в аэродинамической трубе; он пульсирует, быстро и хаотически изменяя направление и скорость. Соответственно, пульсируют и действующие на судно силы. Качество измерений в сильнейшей степени зависит от стабильности ветра. Лучшие результаты получаются, когда измерения проводятся на спокойной воде в ровный устойчивый ветер; подобрать такие условия удается на большой акватории у отлогого подветренного берега, прикрытого от волны косой.
Скорость ветра проще всего оценивать по шкале Бофорта, но надо иметь в виду, что стандартная принятая в метеорологии шкала Бофорта определяет скорость ветра на высоте 10м над поверхностью воды или суши. Раньше была принята другая шкала, определявшая скорость ветра на высоте 6 м над поверхностью, но и это не совсем то, что нам нужно, поскольку надо знать скорость ветра на высоте соответствующей положению центра парусности судна, т.е. 3-4 м над поверхностью воды.
Скорость ветра можно измерять анемометром, но он должен быть быстродействующим и располагаться там, где надо. Обычный анемометр с вращающимися чашками неудобен, инерционен; к тому же это капризный прибор, который не следует брать в походы.
Из-за трудностей определения скорости ветра представляет интерес калибровка шкал аэродинамических коэффициентов по данным ходовых испытаний судна.
Измерение гидродинамических характеристик
Самый простой способ измерения сопротивления воды движению лодки – ее ручная буксировка по мелководью. В буксировочный трос ввязывается динамометр; человек, топая босиком по воде, тянет лодку с заданной постоянной силой и засекает время прохождения отмеренной заранее дистанции. Способ вполне работоспособен, применим для малых скоростей и поддается разнообразным усовершенствованиям. Лодку по дистанции можно протаскивать другой лодкой или падающими гирями, как и было в свое время сделано Фрудом в опытовом бассейне. Предлагалось также гонять исследуемую лодку под мотором, закрепив его на специальной подвеске, позволяющей определять развиваемый им упор.
Можно воспользоваться течением на реке или, еще лучше, морским приливным течением, скорость которого на Белом море местами достигает 2-3 м/с и, что удобно, естественным образом изменяется от максимальной до нуля.
Для измерения сопротивления воды судно на течении ставится на якорь с ввязанным в якорный трос динамометром. Динамометр следует располагать так, чтобы его было видно со штатного места рулевого; якорный трос проводится через клюз в носу судна, куда для уменьшения трения следует вставить полиэтиленовую прокладку, и позаботиться, чтобы он ни за что не цеплялся.
Измерения на течении дают возможность найти как сопротивление судна в целом, так и сопротивление отдельных его частей, например, руля как разность сопротивлений судна с поднятым и опущенным рулем. Правда, на практике это плохо получается: судно без руля разворачивает боком, и сопротивление вместо того чтобы падать, возрастает.
При использовании динамометрической подвески, т.е. поставив судно на два якоря – носовой и боковой, можно компенсировать боковой снос судна и определять поперечные силы, возникающие при перекладке руля или постановке шверца. На судне с двумя шверцами создаваемое ими сопротивление легко регистрируется, если поставить их оба сразу, т.е. заставить работать враздрай. При этом не возникает проблем с разворотом судна.
Проводя подобные эксперименты, следует соблюдать осторожность: на быстром течении судно может сорвать с якорей и унести. Во избежание недоразумений рулевой должен находиться на борту судна. Еще одна предосторожность: динамометр следует ввязывать в якорный трос так, чтобы разрыв динамометра не стал разрывом троса.
Если кто-нибудь думает, что предлагаемые эксперименты – плод кабинетного теоретизирования автора, то он весьма ошибается. Я долго и упорно возился с мокрыми тросами, стоя посреди пролива между Русским и Немецким Кузовами, прежде чем мне удалось что-либо измерить. Измерения, особенно бокового сопротивления, достаточно трудны. Странные вещи творятся с динамометрической подвеской: на течении оба ее троса провисают и тянут неизвестно куда, иногда вибрируют и выскакивают из воды. Возникает множество ошибок из-за различных посторонних факторов как то: зацеп троса за форштевень, лопух ламинарии, прилипший к носу или к рулю. Исключение ошибок требует труда, но потратить день на такую работу имеет смысл.
У гидродинамических экспериментов описанного типа имеется нежелательная особенность: надо кого-либо просить, чтобы тебя потаскали другой лодкой либо ехать на Белое море. В принципе, можно поступать и иначе. Силы, действующие на судно, вызывают его крен и дифферент. Откалибровав крен и дифферент соответствующим образом и измеряя их на ходу, можно определять порождающие их силы. Нужен прибор для измерения крена и дифферента способный работать на борту судна; таким прибором может служить и само судно.
Ходовые измерения γβ диаграммы
Для построения γβ диаграммы необходимо на ходу судна определить углы γ и β истинного и вымпельного ветра и скорость хода судна V. Измерять скорость ветра не требуется, поскольку величины u0 и u рассчитываются по формулам треугольника скоростей; само судно выступает в роли анемометра.
Определение направления вымпельного ветра у яхтсменов затруднений не вызывает, они чувствуют его кожей. Сложнее обстоит дело с определением направления истинного ветра; для этого нужно лечь в дрейф, стать в левентик или перейти на курс фордевинд. Иногда с направлением ветра совпадает направление бега волн или полос ряби на воде. На небольших акваториях таких как Московское море ветер очень нестабилен, и определять направление истинного ветра следует в начале и в конце каждого цикла измерений. Скорость хода судна определяется методом планширного лага, для чего следует заранее на берегу запасаться шишками или щепками.
На практике измерения проводятся следующим образом. Судно ложится в дрейф, направление истинного ветра засекается по компасу. Затем судно выводится на требуемый курс, засекается сам курс и направление вымпельного ветра, вперед по ходу судна забрасывается щепка, засекается время прохождения судна мимо нее. Судно снова ложится в дрейф.
Весь цикл измерений занимает менее минуты. Работать надо быстро и четко, лучше вдвоем. Необходимо набрать до сотни и более таких точек, равномерно распределив их по всем курсам, причем как на сильных так и на слабых ветрах но не меняя парусности судна. Изменение парусности требует проведения нового комплекса измерений.
Экспериментальных точек следует набирать как можно больше, лишними они не бывают. Возможно, многие из них придется забраковать ввиду их явной ошибочности. Пока судно на воде, недостачу нетрудно восполнить, но дома этого не сделаешь.
Далее следует обработка результатов измерений, выполняемая на берегу или уже в домашних условиях. Для обсчета данных надо использовать хороший микрокалькулятор или компьютер, но в походных условиях можно обойтись и логарифмической линейкой.
Составляется таблица с большим числом колонок, в которую заносятся для начала измеренные курсовые углы, пеленги истинного и вымпельного ветра и время прохождения судном своей длины. По этим данным определяются углы γ и β и скорость хода судна V. Далее по формулам треугольника скоростей рассчитываются значения u0 и u. Разброс точек большой, но когда их много, они укладываются в систему, их можно осреднить и провести кривые β(γ) при различных u0. Полярную диаграмму V(γ) лучше строить по осредненным данным γβ -диаграммы.
Техника не стоит на месте, и сейчас в распоряжении парусных туристов появились карманные приборы спутниковой системы навигации (GPS), позволяющие определять свои координаты с точностью до нескольких метров. Эти приборы очень инерционны и для измерений мгновенных значений скорости непригодны, но жизнь нам они могут облегчить. Во-первых. Можно точно определять длину мерного отрезка, по которому бегает или буксируется судно. Во –вторых, можно точно выставить полигон из центрального буя и десятка расположенных вокруг него по окружности других буев; на полигоне мерную дистанцию можно проходить под любым углом к ветру
|
