Введение
Судно должно быть спроектировано так, чтобы эффективно передвигаться по воде с минимальным воздействием внешних сил. На протяжении тысяч лет конструкторы кораблей и строители парусных судов использовали правила, основанные на площади середины корабля, чтобы определить размер парусов для данного судна. Форма корпуса и планы парусов, например, для клипперских кораблей, развивались на основе опыта, а не теории. Только с появлением паровой энергии и строительством больших железных судов в середине XIX века судовладельцам и строителям стало ясно, что необходим более строгий подход.
Определение
Сопротивление судна определяется как сила, необходимая для буксировки судна в спокойной воде с постоянной скоростью.
Компоненты сопротивления
Тело в воде, которое неподвижно по отношению к воде, испытывает только гидростатическое давление. Гидростатическое давление всегда противодействует весу тела. Общая (вверх) сила, обусловленная этой плавучестью, равна (вниз) весу смещенной воды. Если тело в движении, то на него также воздействует гидродинамическое давление. Для судна с перемещением, то есть обычного типа судна, рассматриваются три основных типа сопротивления: из-за создания волн, из-за давления движущейся воды на форму, часто не рассчитываемого или измеряемого отдельно, и из-за трения движущейся воды на смоченной поверхности корпуса. Их можно разделить на несколько компонентов:
Эксперименты Фроуда
При тестировании моделей кораблей и затем сравнении результатов с реальными кораблями, модели имеют тенденцию переоценивать сопротивление корабля. Фроуд наблюдал, что когда корабль или модель находится на так называемой скорости корпуса, волновая модель поперечных волн (волн вдоль корпуса) имеет длину волны, равную длине водной линии. Это означает, что нос корабля и кормовая часть его держались на одной волне. Это часто называют скоростью корпуса и является функцией длины судна, где постоянная (k) должна приниматься как: 2.43 для скорости (V) в кн и длины (L) в метрах (м) или 1.34 для скорости (V) в кн и длины (L) в футах (ft). Наблюдая за этим, Фроуд понял, что проблему сопротивления судна необходимо разбить на две разные части: остаточное сопротивление (в основном сопротивление создания волн) и трение. Чтобы получить правильное остаточное сопротивление, необходимо было воссоздать волновую цепь, созданную кораблем в тестах модели. Он обнаружил, что для любого судна и геометрически аналогичной модели, буксируемой с подходящей скоростью, существует трение, которое дается сдвигом из-за вязкости. Это может привести к 50% общего сопротивления в быстрых конструкциях судов и 80% общего сопротивления в более медленных конструкциях судов. Чтобы учесть сопротивление трению, Фруде решил буксировать серию плоских пластин и измерить сопротивление этих пластин, которые имели ту же площадь промокшей поверхности и длину, что и модель судна, и вычесть это сопротивление трению из общего сопротивления и получить остаток как остаточное сопротивление.
where constant (k) should be taken as: 2.43 for velocity (V) in kn and length (L) in metres (m) or, 1.34 for velocity (V) in kn and length (L) in feet (ft). Observing this, Froude realized that the ship resistance problem had to be broken into two different parts: residuary resistance (mainly wave making resistance) and frictional resistance. To get the proper residuary resistance, it was necessary to recreate the wave train created by the ship in the model tests. He found for any ship and geometrically similar model towed at the suitable speed that:
There is a frictional drag that is given by the shear due to the viscosity. This can result in 50% of the total resistance in fast ship designs and 80% of the total resistance in slower ship designs. To account for the frictional resistance Froude decided to tow a series of flat plates and measure the resistance of these plates, which were of the same wetted surface area and length as the model ship, and subtract this frictional resistance from the total resistance and get the remainder as the residuary resistance.
Трещины
В вязкой жидкости образуется пограничный слой. Это вызывает сопротивление сети из-за трения. Пограничный слой подвергается сдвигу с разной скоростью, простирающейся от поверхности корпуса до достижения полевого потока воды.
Сопротивление созданию волн
Корабль, движущийся по спокойной воде, создает волны, исходящие в основном из носа и кормы корабля. Волны, создаваемые кораблем, состоят из расходящихся и поперечных волн. Различающиеся волны наблюдаются как след судна с рядом диагональных или наклонных гребней, движущихся наружу от точки возмущения. Эти волны впервые были изучены Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином, который обнаружил, что независимо от скорости судна, они всегда содержались в форме клина 39 ° (19,5 ° с каждой стороны), следуя за судном. Различающиеся волны не оказывают большого сопротивления движению корабля вперед. Однако поперечные волны появляются в виде длинных и высоких вершин вдоль длины судна и составляют основную часть волны, создающей сопротивление судна. Энергия, связанная с поперечной волновой системой, движется с половиной фазовой скорости или групповой скорости волн. Для того, чтобы преодолеть эти затраты, главный двигатель судна должен вводить дополнительную энергию в систему. Отношение между скоростью судов и скоростью поперечных волн можно найти, приравняв скорость волны и скорость судна.
Двигатель
Суда могут быть приводятся в движение многочисленными источниками энергии: человеческой, животной или ветровой энергии (парусы, воздушные змеи, роторы и турбины), водных течений, химического или атомного топлива и накопленного электричества, давления, тепла или солнечной энергии, снабжающих двигатели и моторы. Большинство из них могут приводить судно в движение непосредственно (например, буксировкой или цепью), с помощью гидродинамических тяговых устройств (например, весла и гребные колеса) и с помощью гидродинамических подъемных устройств (например, винтов или струи). Существует также несколько экзотических средств, таких как "движение хвостом рыбы", ракеты или магнитогидродинамическое движение.