Что нужно знать, чтобы предсказать поведение судна?

Всем привет, меня зовут Артур Соколов, я соавтор курса «Ships Handling», который создан для того, чтобы каждый штурман мог разобраться в управлении судном.

С чего следует начать разбираться в теме Ships Handling? Конечно, с понимания того, как на судно воздействуют различные силы.

И давайте начнем с силы тяги грибного винта.

Если вы пропустили первый урок о Pivot Point, обязательно посмотрите его здесь.

Читайте статью или смотрите видео, подобные вопросы могут задать не только капитану, но и старпому или второму помощнику на интервью!

⬇️

Типы винтов

В первую очередь, какие вообще есть типы винтов:

винты фиксированного шага — Fixed Pitch Propellers;
винты регулируемого шага — Controllable Pitch Propellers;
винты правого шага — right-hand propellers;
винты левого шага — left-hand propellers.

Винт правого шага — это такой винт, который при работе на передний ход вращается по часовой стрелке (вправо, если смотреть с кормы).

Винт левого шага — это такой винт, который при работе на передний ход вращается против часовой стрелки (влево, если смотреть с кормы).

Винт фиксированного шага — это винт, лопасти которого не вращаются. Больше-меньше тяга регулируется за счет оборотов на грибном винте, а направление тяги регулируется за счет направления вращения винта.

Например:

если это fixed pitch right-hand propeller, значит на передний ход он вращается по часовой стрелке,
на задний ход — против часовой стрелки.

Если это fixed pitch left-hand propeller (что встречается редко), то:

на передний ход он вращается против часовой стрелки,
а на задний — по часовой.

Винт регулируемого шага (Controllable Pitch Propeller) всегда вращается в одном направлении и с одними и теми же оборотами.

Тяга больше/меньше регулируется за счет угла атаки лопастей — pitch.
Также направление тяги (вперед-назад) регулируется изменением угла атаки лопастей — лопасти просто разворачиваются.

Важно помнить, что когда вы ставите телеграф в положение 0, винт все равно вращается, и, соответственно, вы все равно будете испытывать поперечную силу винта. Более того, вы можете даже испытывать определенную продольную силу тяги от действия винта, несмотря на то, что ручка телеграфа стоит в положении 0.

Если у вас на судне Controllable Pitch Propeller, лоцман часто по прибытии на судно спросит:

«А у вас Positive или Negative effect, если ручка стоит в положении 0?»

Positive effect — винт все равно создает тягу вперед.
Negative effect — тяга направлена назад.

В большинстве случаев на судах с регулируемыми винтами присутствует Positive effect.

Мы понимаем, что основная задача винта — это создать продольную тягу — propulsion force.

Давайте представим, что мы дали ход вперед, и судно уже имеет инерцию переднего хода. Вот мы видим propulsion force, которая создается грибным винтом.

Дальше, если мы поставим ручку телеграфа в положение 0 — судно не остановится.

Потому что оно уже набрало инерцию и будет двигаться вперед под действием силы инерции, которая приложена к центру тяжести судна. Однако, этой силе будет противодействовать сила сопротивления — resistance force. Так же, как и propulsion force, тоже будет противодействовать сила сопротивления.

Теперь давайте дадим задний ход — для того чтобы погасить силу инерции, соответственно, остановить судно.

А затем — набрать инерцию заднего хода.

По мере того как мы будем разгонять судно на задний ход, сила инерции, уже направленная назад, будет постепенно увеличиваться.

Дальше, если мы опять поставим ручку телеграфа в положение 0 — судно все равно будет двигаться задним ходом под действием силы инерции.

Однако, помимо того что винт создает положительную для нас продольную силу тяги — propulsion force, к сожалению, винт еще создает и побочную силу тяги, направленную в поперечном направлении.

Это и есть — propeller lateral или transverse force.

Когда лоцман приезжает на борт судна, он задает капитану вопросы:

какой у вас установлен винт: Fixed Pitch Propeller или Controllable Pitch Propeller;
какого он шага: правого или левого;
куда уходит нос и куда идет корма при работе на задний ход?

Все это зависит от того, как будет направлена propeller transverse force.

Предлагаю раз и навсегда разобраться в этом вопросе.

Как показывает практика, такой вопрос могут задать не только на борту судна, но и на интервью — не только на должность капитана, но и, к примеру, старпома или второго помощника.

И многие штурманы путаются в направлении поперечной силы от вращения винта.

Давайте возьмем для примера судно с фиксированным винтом левого шага. Это очень редко встречающийся вариант.

При работе на задний ход данный винт будет вращаться по часовой стрелке (то бишь вправо), и поперечная сила тяги от вращения винта будет направлена вправо.

Следовательно, эта сила будет стремиться занести корму вправо, тем самым развернуть нос судна влево.

Под действием вращения винта судно будет не только обретать инерцию заднего хода, но еще и будет стремиться развернуться влево.

Если бы мы говорили о фиксированном винте правого шага, который при работе на задний ход вращается против часовой стрелки, то поперечная сила тяги винта была бы направлена влево. И, соответственно, помимо того что судно набирало бы инерцию заднего хода, оно бы еще стремилось разворачиваться вправо.

Природа возникновения поперечной силы

Разберемся, откуда берется поперечная сила. Возьмем фиксированный винт правого шага, работающий на передний ход. Соответственно, он будет вращаться по часовой стрелке.

Когда винт вращается, возникает следующее явление:

в верхней части вращения винта будет возникать aerated medium — пространство с меньшей плотностью воды;
в нижней части — denser medium, то есть область с большей плотностью воды.

Это связано с расположением винта относительно атмосферы: лопасть в верхнем положении проходит ближе к атмосфере, соответственно в верхней части вращения винта возникает aerated medium.

Если остановить вращение винта, плотности выравниваются. Но при работе винта поток воды, создаваемый винтом, идет не только продольно, но и по спирали — это значит и в поперечном направлении тоже.

Когда винт вращается по часовой стрелке:

лопасть в верхнем положении отталкивает воду вправо, создавая тягу влево;
лопасть в нижнем положении отталкивает воду влево, создавая тягу вправо.

Возникает вопрос: будут ли эти две силы равны?

Нет. Несмотря на то, что это лопасти одного винта, силы тяги будут разными, потому что:

вверху — aerated medium, меньшая плотность,
внизу — denser medium, большая плотность.

Следовательно, тяга в нижней части будет больше, чем в верхней.

Итог: результирующая поперечная сила тяги будет направлена вправо.

Значит, в данном случае, куда будет направлена результирующая поперечная сила тяги? Она будет направлена вправо.

Можем сделать вывод: когда мы даем передний ход на судне с фиксированным винтом правого шага из положения «стоп», винт начинает вращаться по часовой стрелке (то бишь вправо). Поперечная сила тяги будет направлена вправо и будет стремиться смещать корму вправо, тем самым разворачивать нос влево.

Мы можем сделать определенное заключение:

сила тяги от вращения винта будет направлена в ту же сторону, куда вращается винт.

Если винт вращается по часовой стрелке (вправо), то propeller transverse force будет направлена вправо.
Если винт вращается против часовой стрелки (влево), то propeller transverse force будет направлена влево.

Исходя из этого, мы уже можем понять:

если propeller transverse force направлена влево, она будет стремиться сместить корму влево, разворачивая нос вправо;
если propeller transverse force направлена вправо, она будет стремиться сместить корму вправо, разворачивая нос влево.

Винт правого шага на заднем ходу

Рассмотрим fixed pitch propeller right-hand, работающий на задний ход.

При этом винт вращается против часовой стрелки. В верхней части возникает aerated medium, в нижней — denser medium.

Лопасть в верхнем положении отталкивает воду влево, создавая силу тяги вправо. Лопасть в нижнем положении отталкивает воду вправо, создавая тягу влево.

Какая сила будет больше?

Сила в нижней части (в denser medium) будет больше.

Следовательно, результирующая propeller transverse force винта, который вращается против часовой стрелки, будет направлена влево.

Если мы смоделируем поведение судна с таким винтом:

винт вращается против часовой стрелки (влево),
поперечная сила тяги будет направлена влево,

она будет стремиться смещать корму влево, тем самым разворачивая нос вправо.

Теперь давайте рассмотрим пример с винтом Controllable Pitch Propeller левого шага (left-hand), который при работе то на передний, то на задний ход всегда вращается против часовой стрелки, потому что это винт левого шага.

В верхней части возникает aerated medium,

в нижней части — denser medium.

Мы видим, как лопасти отталкивают воду в поперечном направлении:

лопасть в верхнем положении создает transverse force, направленную вправо;
лопасть в нижнем положении — transverse force, направленную влево.

Результирующая propeller transverse force от вращения против часовой стрелки будет направлена влево.

Поэтому, если у нас установлен винт регулируемого левого шага, нос судна будет стремиться уйти вправо, а корма — влево.

Причем, поскольку при работе на задний ход направление вращения винта остается тем же, эффект будет таким же, как и при работе на передний ход.

Другой вопрос — при работе на передний ход этот эффект можно легко компенсировать работой рулем.

А вот при работе на задний ход — рулем это уже не компенсируется.

Более того, если на судне установлен Controllable Pitch Propeller левого шага, то этот эффект будет возникать даже при положении ручки телеграфа в 0, потому что винт все равно вращается.

У вас может не быть продольной силы тяги,
но поперечная будет все равно возникать.

Перо руля и Rudder Lifting Force

Раз уж мы затронули винто-рулевой комплекс, давайте поговорим о силе, которая возникает на пере руля — rudder lifting force.

За счет чего на пере руля возникает подъемная сила? За счет разности в давлении.

Когда мы поворачиваем перо руля на определенный угол:

скорость протока воды вдоль двух поверхностей пера становится разной,
возникает разность в давлениях,
это создает rudder lifting force.

От чего зависит значение rudder lifting force?

от угла поворота пера руля,
от скорости протока воды вдоль пера.

Чем выше скорость протока — тем больше rudder lifting force, тем эффективнее управление рулем.

Поэтому техника slow speed control (удержания судна на минимальной скорости) заключается в том, что для удержания курса:

ручка телеграфа стоит в положении 0,
когда судно уходит с курса — руль перекладывается на противоположный борт,
дается толчок машиной вперед,
создается проток воды вдоль пера руля,
появляется rudder lifting force, возвращающая судно на курс.

Rudder lifting force можно разложить по двум осям:

по продольной — создается rudder braking force, то есть тормозящая сила, когда мы «виляем» пером руля;
по поперечной — создается rudder transverse force, именно она создает вращательный момент, который и изменяет курс судна.

📌 Чем больше угол перекладки руля, тем:

больше rudder braking force — судно будет сильнее тормозиться,
но не всегда увеличивается эффективность rudder lifting force.

Почему?

Потому что для возникновения эффективной rudder lifting force поток воды вдоль пера должен быть ламинарным, то есть прямолинейным.

До определенного угла поворота руля (примерно до 45° на обычном руле) потоки воды остаются ламинарными;
После этого угла потоки становятся турбулентными, то есть беспорядочными;
Турбулентный поток не создает разности давления на двух поверхностях пера и, соответственно, не создает rudder lifting force.

Это — основы управления судном. Если хотите разобраться в деталях, в курсе «Ships Handling» есть 76 наглядных видеоуроков, где на простом морском языке объясняем даже самые сложные темы, чтобы у вас сложилась ясная картина.

Также нужно помнить:

Чем дальше от пера руля находится pivot point судна — тем эффективнее будет работа руля, но тем сильнее занос кормы. Если мы поворачиваем вправо — корма будет заноситься влево.

Влияние положения Pivot Point при работе носовым подрулем

Очень важно понимать положение полюса поворота при маневрировании.

Допустим, у нас судно не имеет хода относительно воды и у него есть носовой подруль. Начинаем работать носовым подрулем вправо.

Существует мнение, что, поскольку подруль находится в самой носовой части, при его работе будет смещаться только нос судна, а корма останется на месте.

Это не так.

Судно вращается вокруг pivot point, который при отсутствии инерции будет находиться примерно в районе миделя, совпадая с центром тяжести судна.

Поэтому при работе носовым подрулем вправо:

нос будет смещаться вправо,
корма будет смещаться влево.

Это важно учитывать при работе подрулем вблизи причальной стенки или кромки канала.

ОТЗЫВЫ О КУРСЕ «Ships Handling»:

Благодарю вас за внимание и хочу, пользуясь случаем, пригласить на курс «Ships Handling Course».

Конечно, в одной короткой статье невозможно полностью раскрыть воздействие всех сил на судно, однако над курсом Ships Handling мы, команда из трех авторов, работали три года для того, чтобы раскрыть не только:

воздействие сил на судно,
и то, как судно себя поведет,

а в целом раскрыть тему управления судном в полном объеме, в максимально наглядном и понятном формате для нас, моряков.

Мы создали около тысячи иллюстраций, чтобы объяснить поведение судна наглядно.

Курс состоит из 14 модулей, и за это время его уже прошли более 400 человек. Мы получаем теплые отзывы, которые подтверждают, что три года работы были не зря.

Мы хотели собрать все, что нужно знать об управлении судном — и подать это так, чтобы каждый мог не только разобраться, но и понять, а значит — запомнить навсегда.

Потому что сложно выучить стихотворение на незнакомом языке, но легко понять и запомнить то, что объяснено внятно.

Присоединяйтесь и спасибо за внимание!

Артур Соколов