Енот-хитрый зверь!

Встречались мне рыболовы, очевидно, не стесненные в средствах, которые рассказывали примерно одинаковые истории: «Купил лодку, купил мотор, думал - будет тянуть, а он оказался слабым. Продал мотор, добавил денег, купил более мощный, а он все равно оказался слабоват. Только с третьей попытки купил то, что нужно. Если бы с самого начала знать, какая мощность нужна...».
Видел я и другую крайность - на транце дюралевой лодки, размером не больше «Прогресса», висит монстр в 150 л.с, а двое гордых собой рыболовов пытаются ловить на этом агрегате «на дорожку». Хозяин перегрузил свою лодку мощностью, как минимум, вдвое, а вода такого может и не простить...
С самого начала следует уяснить, что передвижение по воде принципиально отличается от передвижения на автомобиле, и поэтому многие стереотипы, выработанные на суше, на воде неприемлемы или даже вредны. Автомобиль практически не меняет положения своего кузова относительно полотна дороги и может двигаться со скоростью и 5, и 50, и 150 км/ч. При этом расход бензина на пройденный километр будет примерно одинаков, а зависимость «мощность-скорость» более или менее линейна: задействовал вдвое большую мощность - поехал вдвое быстрее. На воде ситуация принципиально иная. На малой скорости корпус судна спокойно плавает
- поддерживается силой Архимеда (наглядный пример - байдарка). На большой скорости лодка может глиссировать - скользить по поверхности, динамически поддерживаясь набегающим потоком воды (пример - водные лыжи). Между этими крайностями находятся переходные режимы. Главная же проблема заключается в том, что лодка, способная экономично двигаться с высокими скоростями, будет абсолютно неэкономичной на низких скоростях, а лодка, рассчитанная на неторопливое экономное плавание, в принципе не может разогнаться выше определенного предела и выйти на глиссирование. Чтобы выяснить, почему это так происходит, начнем с теории и скучноватой физики.
Мощность лодочного двигателя расходуется на:
- преодоление силы трения обшивки о воду;
- преодоление сопротивления формы;
- создание волн.
Если вы только не собираетесь рыбачить на плоту из неокоренных бревен, то и с формой и с трением у вашего плавсредства более-менее благополучно. А вот к волнам стоит присмотреться повнимательнее. Любой корпус, движущийся в воде, создает перед собой зону давления и следующую за ней зону разрежения. Эти скачки давления создают систему носовых и кормовых волн. Количество энергии, поглощаемой волной, пропорционально ее длине и квадрату ее высоты. Между длиной волны и скоростью ее распространения существует зависимость;
"к = 2 щ vVg
В этой несложной формуле X
- длина волны (м), ж - 3.14, g -9.81 м/с2, v - скорость судна в м/с.
Очевидно, что волны, создаваемые корпусом, движутся с той же скоростью, что и сама лодка. Теперь, вооружившись калькулятором и произведя несложные расчеты, выясним, что скорости 6 км/ч соответствует длина волны 1,78 м, скорости 8 км/ч
- 3,16 м, 10 км/ч - 4,95 м, 14 км/ч
- 9,66 м и т.д. Заметьте: длина волны не зависит ни от формы корпуса, ни от его размеров или водоизмещения. Иными словами, и 60 - метровая баржа и шестиметровый катер на скорости 14 км/ч создают волну длиной почти 10м (иное дело высота волны - она зависит от водоизмещения и у баржи будет, разумеется, выше). Вся загвоздка в том, что на длине баржи укладывается шесть таких волн; а у шестиметровой лодки второй гребень волны находится в 4 м за ее кормой, а оная корма сидит в «яме»...
Лодки и катера бывают разные, и чтобы увязать длину волны и длину конкретного судна, используется специальная безразмерная характеристика - число Фруда (Уильям Фруд, один из создателей современных гидродинамики и теории корабля, вывел эту формулу во второй половине XIX века, и она относится к категории неопровержимых истин): Fr=v/VgL
Здесь L - длина судна по ватерлинии, остальные величины те же, что и в предыдущей формуле. При разных скоростях и длинах корпуса, но при одинаковых числах Фруда картина волнообразования будет подобной: смотрите схему, которая много лет кочует из учебника в учебник.
Теперь, вооружившись теорией, попробуем применить ее к конкретной лодке. Для иллюстрации я взял джонбот собственной постройки (корпус с плоским днищем, транцевым носом и развалом бортов, общей длиной 3.8 м и длиной по ватерлинии около 3.5 м). Подвесной мотор на транец, дал товарищу в руки GPS, сам взял фотоаппарат - вперед! При скорости 6 км/ч волны практически не видно, но если присмотреться, то на длине корпуса располагаются два гребня. Мотора почти не слышно - он работает практически на минимально возможных оборотах. Пересчитываем число Фруда, получаем Fr=0,28. Немножко прибавляем газ, скорость достигает 8 км/ч, длина волны становится равной длине корпуса, Fr=0,38. Мы достигли предела водоизмещающего режима, задействовав всего 0,8 л.с.
Движение в этом режиме требует на удивление низкой энерговооруженности. Для достижения относительно небольших скоростей достаточно иметь всего 1-1,5 л.с. на тонну водоизмещения. Вспомните, как легко разгоняются до скорости 11-12 км/час тяжелые, но хорошо обтекаемые яхты под вспомогательными моторчиками. По правилам Регистра Ллойда мощность вспомогательного мотора на океанских яхтах принимается из расчета 4 л.с. на тонну. Больше просто не требуется!
Еще добавили газ, мотор заработал гораздо громче, но скорость существенно не растет. В чем же дело? А дело в том, что лодка вошла в зону переходного режима, волна стала длиннее ватерлинии, корма проваливается в «яму», а нос пытается преодолеть водяной «горб», который мы сами создали работой своего двигателя. Режим: скорость 12 км/ч, двигатель отдает 5-6 л.с. Fr=0,6.
Понятно, что ни о какой экономичности в этом режиме речь просто не идет. 80-90% мощности двигателя тратятся на создание бесполезных волн. Попытки еще увеличить скорость приводят к незначительному увеличению скорости и к очень значительному увеличению волнового сопротивления. Как правило, в диапазоне скоростей 12-18 км/ч удвоение мощности двигателя приводит к увеличению скорости лишь на 1,5-2 км/ч. Эта ситуация может измениться к лучшему только при достижении скорости выхода на глиссирование. Ориентировочно это произойдет, когда число Фруда превысит 1,2. Корпус начинает скользить по поверхности воды, развивая гораздо большую скорость; он поднимет гораздо меньшую волну, мощность двигателя начинает использоваться гораздо эффективнее - не так высока доля бесполезных затрат на образование волн. Как результат: часовой расход бензина возрастает (мы используем большую мощность), но путевой уменьшается, ведь за то же самое время мы проходим гораздо большее расстояние. На следующей фотографии облегченная лодка глиссирует со скоростью 32 км/ч с использованием полной мощности двигателя - 9,8 л.с.
Вся сложность заключается в том, что достичь режима глиссирования можно только имея определенную минимальную удельную мощность (энерговооруженность) - не меньше 35 л.с. на тонну. И это минимум для достижения подобия режима глиссирования при движении по прямой. Вхождение в поворот или малейшая волна моментально собьют вам ход, и лодка «провалится» в переходной режим. Для реальных лодок предпочтительно исходить из энерговооруженности 5 л.с. на 100 кг (50 л.с. на тонну). На последней фотографии соотношение практически именно такое - 9.8 л.с. на 210 кг. Увеличение водоизмещения на 60 кг (плюс пассажирка) глиссирования не прекращает, но «съедает» 4 км/ч.
Надеюсь, мне удалось наглядно показать, что при приобретении двигателя необходимо четко решить: чего же мы хотим? Нам достаточно двигаться неторопливо и экономично, купив сравнительно недорогой маломощный мотор и затрачивая минимум бензина? Или расстояния, тяга к комфорту и неудовлетворенное тщеславие диктуют необходимость передвигаться со скоростью 30-^-5 км/ч? Тогда готовьте кошелек, ибо удовлетворительного среднего варианта на воде не может быть в принципе - физику не переспоришь никакими инженерными ухищрениями.
Под каждый режим должны проектироваться оптимальные обводы корпуса. Разницу проще всего проиллюстрировать на двух моих лодках, каждая из которых «заточена» под определенный режим. (Фото 4) Левая типичный глиссирующий корпус (все тот же джонбот) - днище одинаковой ширины от середины корпуса до кормы, «обрубленный» транец, который на малых скоростях сильно тянет за собой воду. Правая - специально рассчитана и построена для водоизме-щающего режима. У нее отсутствует глиссирующая плоскость в кормовой части, днище сужается к корме, транец поднят над водой. Достоинства: при нагрузке 300 кг под электромотором (примерно 0,55 л.с.) она разгоняется до 8,5 км/ч, а с двухтактным бензиновым моторчиком расходуется литр топлива на 10-11 км пути. Недостаток: при разумной мощности двигателя принципиально не может развить скорость выше 12 км/ч.
Теперь, вооружившись теорией, попробуем приложить ее к конкретным лодкам.
Пример 1. Катер длиной 5,5 м, вес корпуса - 550 кг. Приблизительно рассчитываем предельную скорость для водоизмещающего режима (число Фруда принимаем равным 0,4, длину ватерлинии - 4,9 м):
V- Fr v'gL V=0,4 х V9.8 х 4.9 = 0,4 х 6,93 = 2,77 м/с или 9,4 км/ч.
Оцениваем рабочее водоизмещение. Некоторые веса мы знаем, некоторые - нет, но мы можем их прикинуть, стараясь получить приемлемую точность. Итак: корпус - 550 кг, снабжение (аккумулятор, тент, весла,
якоря, инструменты и т.д.) - 70 кг, два человека в одежде - 200 кг, багаж (лагерное имущество, снасти, еда, питьевая вода) - 50 кг. Уже набралось 870 кг. Соответственно, требуемая мощность двигателя никак не получится меньшей 50 л.с. Такой двигатель сам по себе весит немало, да и возить запас бензина потребуется существенный. Плюсуем еще 200 кг и получаем водоизмещение 1070 кг (с округлением - 1100). Теперь считаем: для выхода на глиссирование необходимо минимум 3,5 «лошади» на каждые 100 кг, т.е. 38,5 л.с. Делаем вывод: ставить двигатель меньше 40 сил на наш катер бессмысленно. Оптимальная мощность вроде бы выходит 55 л.с. (5 л.с. на каждые 100 кг), но есть три дополнительных соображения. Первое: если мы примем на борт двух пассажиров (плюс 200 кг), то это потребует еще 10 л.с. Второе: если двигатель постоянно работает на максимальных оборотах, он быстро изнашивается. Если же иметь некоторый запас мощности и эксплуатировать мотор на 80% номинальных оборотов, его ресурс увеличивается в 2-2,5 раза. Третье: нужно иметь запас мощности на случай неблагоприятной погоды - вдруг придется прорываться сквозь шторм. Учитывая изложенные соображения, оптимальный двигатель для нашего катера - 70 «лошадей». Троллинговый мотор - любой с мощностью в диапазоне от 2 до 4 л.с, «пятерка» уже избыточна.
Верхним разумным и безопасным пределом энерговооруженности для рабочих (не гоночных) лодок является 7,5-8 л.с. на 100 кг, что дает в нашем случае 110-115 л.с. Наличие на транце двигателя в 200 сил будет говорить не только о богатстве владельца, но и о его глупости или тяжелом случае комплекса неполноценности.
Пример 2. Можно ли верить производителям моторов, которые уверяют, что мотор 5 л.с. может вывести лодку на глиссирование? Путем несложных расчетов выясняем, что суммарное водоизмещение лодки не должно превысить 140 кг. Сам двигатель (плюс бензин) будет весить килограмм 25, легкая лодка с жестким днищем хорошего качества (типа советской «Романтики») - 35-^-0 кг. На долю полезной нагрузки приходится не более 80 кг (реально -60). Вывод: если поставить «пятерку» на очень легкий корпус и в качестве водителя посадить подростка или изящную девушку, то добиться глиссирования в принципе можно.
Пример 3. «Надувнушка» для двух человек, вес - 35 кг. Длина - 3,2 м, соответственный предел водоизмеща-ющего режима - 7,5 км/ч. Эта скорость может быть получена с минимальной мощностью, даже под электромотором. Если скорость покажется недостаточной и захочется передвигаться «с ветерком», то нужно считать водоизмещение. Корпус - 35 кг, два человека - 200 кг, багаж - 30 кг, бензин - 15 кг, мотор - 40 кг. Итого: 300-320 кг, и, соответственно, мотор - 15 л.с. Запас мощности достаточен, чтобы лодка глиссировала с еще одним пассажиром на борту (15 л.с. на 400 кг дают энерговооруженность 3,75 л.с. на 100 кг). Той же лодке с одним водителем достаточно 10 л.с, но если придется принять на борт пассажира, то недостаточный запас мощности, скорее всего, не даст корпусу выйти на глиссирование.
Надеюсь, приведенные примеры достаточны для того, чтобы читатели могли разумно подойти к вопросу выбора мотора и лодки и соразмерить свои желания и возможности. Напоследок несколько практических советов.
Покупая маленький мотор (2-4 л.с), ориентируйтесь не на мощность, а на потребительские качества - шумность, удобство в эксплуатации, стоимость и т.д. Что касается мощности - если вам кажется, что 2 л.с. не «тянут», то покупка мотора мощностью 2,6 л.с. радикально ситуации не изменит.
Надувная лодка с элементами жесткости в мягком днище может и не достичь расчетной высокой скорости. То, что в магазине выглядело как ровное днище и отличная глиссирующая пластина, под напором воды превращается в чередующиеся поперечные выпуклости и «впуклости». Чтобы компенсировать плохую гидродинамику днища надо наращивать мощность двигателя, а выдержит ли транец - это уже вопрос.
Обратите внимание на центровку своей лодки. Часто можно видеть лодки с поднятыми носами - тяжелый мотор на транце, водитель рядом, а легкий нос задирается. Это сильно ухудшает обзор по курсу и остойчивость, а также может «забрать» до трети мощности двигателя. Центр тяжести в большинстве случаев должен располагаться примерно на расстоянии 40% длины ватерлинии от транца. Правильное расположение пассажиров и груза, использование удлинителя румпеля или дистанционного управления и/или транцевых плит помогут добиться правильного дифферента.
Покупая двигатель средней или высокой мощности, поинтересуйтесь у продавца: винтом какого шага укомплектован данный мотор и продаются ли дополнительно сменные винты. Очень часто производители комплектуют моторы с тяжелыми («гоночными») винтами, которые эффективны только на сверхлегких корпусах. На обычных лодках двигатель с таким винтом может «недобрать» до 20 % мощности. Расчет элементарный: либо вы не разберетесь, разочаруетесь в моторе и придете покупать более мощный (и более дорогой), либо разберетесь (но поздно), купите нужный винт (тоже денег стоит), а бесполезный «тяжелый» оставите себе на память. Вопрос согласования комплекса «корпус - двигатель - винт» достаточно сложен, но подробно описан в специальной литературе. Изучите его самостоятельно или проконсультируйтесь у незаинтересованного специалиста перед покупкой. Этим вы можете существенно сэкономить деньги, время и нервы...