ОСТОЙЧИВОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДОВ

§ 12. ОСТОЙЧИВОСТЬ ЯХТ

Остойчивостью судов называют их свойство плавать не опрокидываясь. Различают продольную и поперечную остойчивость, препятствующую опрокидыванию яхты через нос и через борт.

Продольная остойчивость зависит от формы ватерлиний корпуса, весовой центровки яхты, возможности эффективно дифферентовать ее на корму и, особенно сильно, от длины яхты. Как правило, у длинных и относительно тихоходных разборных судов продольная остойчивость довольно высокая, но обращать на нее внимание все-таки нужно. Например, байдарки из-за традиционно низкого штевня и подъема палубы к кокпиту вообще боятся дифферента на нос. В гонках были случаи, когда байдарки "RZ” и "Таймень” на больших скоростях врезались в волны и уходили под воду с дифферентом на нос.

Внимательными надо быть при дифферентовке коротких швертботов и надувных лодок. При больших парусах и сильном попутном ветре они могут не только уйти носом в воду, но и перевернуться через носовую скулу.

Известны случаи опрокидывания разборных катамаранов с парусностью 13—16 м² через носы поплавков. Опрокидываются и более легкие катамараны с недостаточно длинными поплавками.

Чтобы повысить продольную остойчивость, надо увеличить длину корпуса (зависимость в среднем квадратичная) и объем его надводной части в носу, обеспечить экипажу возможность эффективно дифферентовать судно на корму, уменьшить парусность при свежих попутных ветрах.

Поперечная остойчивость. Развиваемая парусом аэродинамическая сила имеет составляющую, направленную поперек продольной оси яхты, — силу дрейфа Д. Если посмотреть на яхту спереди, то будет видно, что она стремится не только сдвинуть яхту вбок, но и опрокинуть ее. Опрокидывающий или кренящий момент (Мк), создаваемый силой дрейфа, равен произведению этой силы на высоту центра парусности Н (рис. 58):

Мк=Д•Н (12)

Высота центра парусности равна расстоянию между центром парусности яхты (ЦП) и центром ее бокового сопротивления (ЦБС). По вертикали ЦП почти совпадает с центром тяжести проекции парусов яхты (его находят графически). ЦБС обычно не совпадает с центром тяжести проекции подводной части судна, ибо округлые мелкосидящие корпуса хотя и имеют большую площадь, но создают очень небольшую силу бокового сопротивления. При самостоятельных расчетах можно считать, что ЦБС лежит на высоте центра тяжести погруженной поверхности шверта яхты.

Сила дрейфа Д — величина переменная. Она зависит от квадрата скорости ветра, обтекающего парус, угла атаки, курса яхты, качества парусов.

Рис. 58. возникновение опрокидывающего момента.

Чтобы яхта могла ходить не опрокидываясь, кренящий момент парусов должен компенсироватьсяравным ему по абсолютной величине, но направленным в противоположную сторону восстанавливающим моментом. Он развивается корпусом яхты при ее крене, откренивающим экипажем и различными выносными поплавками — аутригерами. Максимальный восстанавливающий момент, который способна развить идущая яхта (Мд), определяет ее остойчивость.

Для расчетов остойчивости разборных парусников можно применять оправдавшую себя на практике приближенную формулу:

Мв=Мк•0,1•S •H•V²_{и расч}. (13)

где S — площадь парусности, м²; Н — высота центра парусности, м; V_{и расч}. — расчетный для данной яхты истинный ветер, дующий на акватории, м/сек; Мв — восстанавливающий момент, который должна развивать яхта, кгс • м.

В этом случае она может ходить острыми курсами при заметном волнении под парусами, которые при усилении ветра, вплоть до расчетного значения, можно нести в режиме создания максимальной тяги по курсу. Опасность опрокидывания, если не учитывать грубых ошибок экипажа и случаев применения несовершенных парусов, появляется только при усилении ветра свыше расчетной величины.

Определение восстанавливающего момента разборных судов.

Байдарки. Байдарки всегда стараются вести на ровном киле, без крена, поэтому восстанавливающий момент у них создается только экипажем (рис. 59). Сместившись к наветренному борту, экипаж создает момент 15—20 кгс•м. Этого вполне достаточно, чтобы в слабые и средние ветра нести вспомогательный парус площадью 2—3 м². При различных неблагоприятных факторах (шквалики, крупная волна, невнимательность экипажа) байдарка начнет крениться, и за счет этого возникнет дополнительный восстанавливающий момент порядка 15 кгс • м. В расчетах его не учитывают, и он идет в запас остойчивости.

Тримараны. Спортивно-прогулочные тримараны, имеющие лишь страховочные поплавки, открениваются экипажем, а точнее — матросом. Восстанавливающий момент, который может развить откренивающий матрос, зависит от его веса, квалификации, быстроты реакции, удобства различных сидений и приспособлений для откренивания и может достигать значительной величины.

Рис. 59. Возникновение восстанавливающего момента однокорпусных яхт.

Рис. 60. Восстанавливающий момент тримаранов.

Туристские тримараны с несущими поплавками в походных условиях не откренивают. (Действительно, часами висеть за бортом не только утомительно, но и опасно: по мере накопления усталости матрос начинает совершать грубые ошибки.) Их восстанавливающий момент создается погруженным в воду подветренным поплавком (рис. 60 и подсчитывается по формуле:

М_в.тр =Р_п • 0,5 • В_к, (14)

где Р_п — архимедова сила, развиваемая полностью погруженным в воду поплавком (численно в килограммах она равна объему поплавка в литрах); В_к — конструктивная ширина тримарана, равная расстоянию между центрами боковых поплавков, м.

В экстремальных ситуациях можно значительно повысить восстанавливающий момент тримаранов за счет их энергичного откренивания матросами.

При эксплуатации легких тримаранов на больших водоемах надо учитывать одну особенность. В отличие от настоящих тримаранов, у которых объем боковых поплавков составляет 0,8—1,2 их общего водоизмещения, разборные тримараны имеют поплавки малого объема. При встрече с крутым гребнем волны небольшой поплавок врезается в него. Большая инерционность всего судна не позволяет поплавку быстро всплыть, а вода, устремляясь вниз при образовании впадины волны, давит на поплавок сверху и увлекает его за собой. Все судно получает опасный крен на подветренный борт.

Для обеспечения безопасности плаваний тримаранов в условиях значительного волнения надо увеличивать объем боковых поплавков по сравнению с расчетным минимумом в 2 раза.

Катамараны. В походных условиях катамараны не откренивают и весь восстанавливающий момент развивается только за счет остойчивости самого судна. Восстанавливающий момент будет наибольшим, когда один из поплавков начнет отрываться от воды (рис. 61). В этом случае:

М_{в к}=0,5•Д•В_к (15)

где Д — полное водоизмещение катамарана; В_к — его конструктивная ширина.

Катамараны переворачиваются гораздо резче других судов, поэтому при плаваниях не допускают отрыва от воды их наветренных поплавков. (Спортивные катамараны ходят на одном поплавке, для чего нужны специально отработанная техника и хорошая подготовка экипажа. Даже в этом случае риск опрокинуться остается большим.)

Швертботы. Восстанавливающий момент швертботов создается корпусом (при его крене) и откренивающим экипажем (см. рис.59). Чем больше вес экипажа, чем тяжелее швертбот, тем он более остойчив. Особенно сильно остойчивость швертбота зависит от его ширины (зависимость от квадратичной до кубической) и от полноты ватерлиний.

Рис. 61. Восстанавливающий момент катамаранов.

Восстанавливающий момент швертбота в зависимости от угла крена можно подсчитать по специальным методикам, описанным в литературе, но расчет этот трудоемок и недостаточно точен. Для самодеятельных судостроителей более подходит следующий путь. При проектировании нового швертбота его остойчивость принимают по наиболее близкому прототипу и кренированию модели корпуса, потом уточняют при кренировании готового корпуса, а уже затем окончательно проектируют парусное вооружение.

На швертботах, как и на байдарках, в основном откре-нивает матрос. В условиях туристских плаваний для него надо предусматривать удобные, желательно мягкие сиденья по бортам судна, допускающие большую свободу движений и положений. Иначе матрос быстро устанет и будет совершать ошибки, чреватые купанием. Для рулевого предусматривается возможность быстрого перемещения с борта на борт, чтобы он мог своевременно подстраховать матроса и эффективно откренивать при резких усилениях ветра.

Расчетный и максимальный ветры, выдерживаемые яхтой. Чтобы подсчитать требуемую величину восстанавливающего момента по формуле (15), надо задаться какой-то определенной величиной расчетного ветра — максимального ветра, при котором безопасность яхты обеспечивается только ее конструкцией.

Для туристских яхт расчетный ветер должен быть не менее 8—10 м/сек, что обеспечивает безопасный, спокойный характер плавания, уверенное и быстрое прохождение больших маршрутов.

Для спортивно-прогулочных судов расчетный ветер ниже — 6—8 м/сек. Их перегружают парусами, чтобы уже в средний ветер ходить с высокой скоростью. В сильные ветра остойчивость значительно увеличивают за счет энеричного откренивания, а опрокидывающий момент уменьшают, неся паруса под малыми углами атаки. Однако ходить в дальние походы на яхтах, перегруженных парусами, не стоит. Условия шторма наступают для них уже в средний ветер, и экипажам либо приходится вести постоянную борьбу со стихией, либо отсиживаться на берегу в ожидании хорошей погоды. На многих водоемах ветры силой 8—12 м/сек могут дуть неделями. Как показывает практика, для увеличения средней скорости прохождения больших маршрутов выгоднее наращивать не площадь парусности, а именно остойчивость судов.

Для разборных парусников, рассчитанных на плавание прибрежной зоне морей и больших озер, расчетный ветер должен быть не менее 10—12 м/сек. Иначе они не обеспечат безопасности плавания на большом волнении, когда фактическая остойчивость становится значительно ниже рассчитанной для гладкой воды, на них тяжело будет отлавировать к берегу в условиях начинающегося отжимного шторма.

Кроме расчетного ветра большое практическое значение имеет величина максимального истинного ветра, который данная яхта может выдержать на острых курсах без риска опрокинуться.

(16)

где М_{в макс} — максимальный восстанавливающий момент, который может иметь яхта с учетом ее откренивания экипажем, который сидит в удобных, неутомляющих позах; S — площадь парусности с учетом частичной уборки парусов или их рифления; п — коэффициент возможного снижения аэродинамической силы парусов (см. § 11);

k — коэффициент запаса по остойчивости; его берут в пределах 1,5—2,5. Наименьшие значения для спортивно-прогулочных яхт, наибольшие — для судов, рассчитанных на плавания в тяжелых условиях, или когда на борту находятся дети.

В заключение автор хотел бы подчеркнуть, что при проектировании и постройке своих судов самодеятельные судостроители должны рассчитывать на экстремальные для данных судов условия, в которые они хотя и редко, но обязательно попадают. Если от настоящих штормов и мощных предгрозовых шквалов обычно успевают убежать на берег, то ни одна яхта не застрахована от того, что при плавании в неустойчивую погоду она не будет застигнута порывами 12—14 м/сек. Для спортивных яхт опрокидывание — лишь привычный эпизод плавания, его даже иногда используют, чтобы вылить из кокпита излишек воды. Для туристских же яхт опрокидывание в походных условиях, на пустынном водоеме, в холодную ветреную погоду может надолго отбить у экипажа охоту к парусным путешествиям. В худших случаях создается реальная угроза здоровью и жизни членов экипажа.

К чему приводит недооценка остойчивости судов, показывает следующий случай. В 1976 г. в период горячих споров о целесообразности превращения байдарок в тримараны состоялась очередная Регата Московского моря. Для большинства монобайдарок первая гонка закончилась еще в предстартовой зоне. Порывы ветра до 10—14 м/сек опрокинули сразу несколько десятков байдарок, другие еще держались на плаву, но беспомощно дрейфовали под ветер, некоторые рулевые, воспользовавшись мелководьем, прыгали за борт и одерживали свои суда из воды. Из 55 судов лишь 3 смогли пересечь стартовую линию.

§ 13. ПРОЧНОСТЬ РАЗБОРНЫХ ЯХТ

Чтобы яхта могла ходить при расчетных ветрах, она должна быть не только остойчивой, но и прочной. Действительно, если просто увеличить объем боковых поплавков тримарана в 2 раза, то он не станет вдвое остойчивее, ибо остойчивость будет определяться уже не объемом поплавков, а прочностью поперечных балок. Это очевидное положение часто забывают, за что приходится расплачиваться. Например, на ленинградских соревнованиях "Белые ночи-80” при повторяющихся шквалах до половины байдарочных тримаранов ломалось на дистанции, некоторые из них опрокидывались.

Кроме поперечных балок на разборных судах подвергаются нагрузкам продольные балки и фермы, стрингера поплавков, мачты, узлы соединения различных деталей, шверцевые и рулевые устройства, корпуса, которые испытывают изгибающие и скручивающие усилия и выдерживают удары волн.

Повышение прочности судна вызывает увеличение его веса, но на это надо идти. Вес судна можно снижать только за счет более рациональных конструктивных решений и аккуратного изготовления всех узлов и деталей. Попытки произвольно облегчить основные силовые элементы судна без их предварительного расчета и серьезных натурных испытаний приводят к тому, что они хорошо работают лишь до первого серьезного ветра.

Силовые рамы разборных судов. Все нагрузки от парусного вооружения, волн и откренивающего экипажа воспринимаются на неразборных яхтах прочными корпусами. Такое решение подходит и для некоторых разборных парусников, например для парусно-гребных байдарок и легких швертботов с мягкой оболочкой и прочным набором. Прочность судов с относительно большими парусами выгоднее наращивать не усиливая их набор, а вводя более простые в сборке и надежные в работе накладные силовые рамы. Для катамаранов и тримаранов с надувными поплавками использование рам вообще единственный выход, ибо самодельные недостаточно прочные и герметичные надувные поплавки не держат высокого давления, отчего собственную их прочность и жесткость нельзя принимать в расчет.

Рассмотрим некоторые типы силовых рам.

Т-образная рама (рис. 62, а) — простейшая силовая рама, которая может выдерживать нагрузки от парусного вооружения, откренивающего матроса и боковых поплавков тримарана. Все нагрузки воспринимаются двумя прочными трубами. Откренивающий матрос сидит непосредственно на поперечной балке.

Если яхта не несет основного стакселя, продольную балку иногда не ставят. Ее функции выполняет продольный набор корпуса. Именно так делаются наиболее легкие тримараны на основе байдарок. Для повышения жесткости корпуса в носовой части наборы байдарок иногда стягивают тросиками, как показано на рис. 89, и превращают эту часть набора в жесткую пространственную форму.

Рама с раздвоенными внизу вантами (рис. 62, б). По условиям компоновки судна поперечную силовую балку Т-образной рамы часто приходится относить в корму гораздо дальше, чем нужно при условии обеспечения угла между вантами около 120°. В таком случае вводят еще одну вспомогательную поперечную балку, а ванты внизу раздваивают и ведут их ветви к оконечностям обеих балок. При этом довольно полно используется их суммарная прочность.

Рис. 62. Примеры плоских накладных силовых рам.

А-образная рама (рис. 62, в) — вариант Т-образной, но для обеспечения хорошей обитаемости носовой части судна одна продольная балка заменяется двумя, идущими снаружи кокпита. Если балки сделать достаточно прочными и жесткими, например, подкрепив их шпрюйтовыми растяжками, судно можно вооружать шлюпом.

Эта рама подходит для тримаранов с центральным надувным поплавком, ибо продольные балки обеспечивают горизонтальное положение боковых поплавков и в то же время за счет гибкости концов передней поперечной балки боковые поплавки могут в значительных пределах менять свой дифферент при встрече с большими волнами.

Н-образная рама (рис. 62, г). Две прочные продольные балки, закрепленные по бортам судна, связываются между собой подмачтовой балкой, кормовой балкой-стяжкой и через мачту четырьмя вантами. При достаточной прочности мачты и продольных балок рама не скручивается даже при энергичном откренивании яхты с кормы, со штатного места рулевого, и может обеспечивать продольную прочность и жесткость судна.

Хорошо работает и другой вариант этой рамы, когда ванты заменяются четырьмя трубками-распорками, которые идут не к самой мачте, а к мачтовому стакану, в который вставляется свободностоящая мачта.

Использование бакштагов (рис. 62, д). На однокорпусных яхтах расстояние между мачтой и вант-путенсами по длине судна получается небольшим и соответственно силы в системе мачта - ванты - корпус достигают очень больших величин, особенно на полных курсах. Кроме того, если рулевой будет откренивать яхту с кормы, то из-за большого расстояния между его местом и вант-путенсом создается значительный момент, скручивающий яхту винтом. Избегают таких неприятностей, применяя бакштаги — снасти, идущие от верхней части мачты к бортам яхты в районе ее кормы. Бакштаги значительно разгружают мачту, корпус и позволяют туго набивать передние шкаторины стакселей. Однако обычные бакштаги имеют существенный недостаток: их надо вовремя раздавать перед поворотами фордевинд. При непроизвольных поворотах, когда гик с силой ударяет по бакштагу, он может сломаться сам, а при излишней жесткости силовой рамы парусного вооружения пиковые значения сил при ударных нагрузках достигают очень больших величин — может сломаться мачта. Во всех случаях реальной остается угроза опрокидывания. По этим причинам безопасней применять автоматически отдающиеся бакштаги. Их закладывают за гладкий нагель, расположенный перпендикулярно продольной оси судна, с помощью металлического срывного колечка. При ударе гика о бакштаг колечко слетает с нагеля и бакштаг отдается.

Треугольные рамы (рис. 62,е, ж). Их работа основана на том, что треугольные рамы из труб не скручиваются. Если в треугольную раму завязать две прочные продольные балки, например фальшборта (см. рис. 62, ж), можно значительно уменьшить скручивание корпуса при откренивании его рулевым. Возможно использовать и раздвоенные снизу ванты, что облегчает общую компоновку судна.

Если яхта энергично откренивается с кормы, можно установить и кормовой нескручивающийся треугольник. Получится уже ромбовидная силовая рама (рис. 62, з).

Жесткие и эластичные силовые рамы. В дальнейшем под жесткими будем подразумевать силовые рамы в виде пространственных ферм, которые не деформируются при возрастании нагрузок вплоть до предельных, вызывающих их разрушение. Эластичные рамы, как правило, плоские в плане, могут несколько скручиваться и прогибаться под нагрузкой в пределах упругих деформаций своих элементов. Принципиальная разница в работе рам следующая. Жесткие рамы сохраняют свою форму стабильной во всем диапазоне рабочих нагрузок, но боятся ударных нагрузок. Чем жестче рама, чем меньше она деформируется при ударе, тем выше значения пиковых сил, действующих на ее элементы. Достоинство эластичных рам — их живучесть. Энергия ударов гасится при деформации рамы на значительную величину, а поскольку силы, развивающиеся при ударе в элементах рамы, обратно пропорциональны деформации, они не возрастают до значительных величин. Это повышает надежность работы рам, облегчает их расчет и позволяет делать запас прочности рам небольшим, что снижает их вес.

Пока мало применяются безусловно перспективные жесткие рамы с эластичными вставками. Эластичную вставку вводят в элемент фермы, работающий на растяжение. Деформируясь при опасном возрастании нагрузок, она предотвращает разрушение рамы.

Вопрос о выборе типа рамы в каждом конкретном случае решается особо. При этом надо различать силовые рамы корпусов, мостов многокорпусников, поплавков и парусных вооружений.

Рис. 63. Т-образная силовая рама парусного вооружения, подкрепленная шпрюйтовыми растяжками.

Приведем несколько примеров.

Силовые рамы корпусов на однокорпусных яхтах стремятся делать жесткими. Действительно, корпус с волнообразной килевой линией, или скрученный винтом, будет иметь большое гидродинамическое сопротивление. Вместе с тем однокорпусные яхты не боятся ударов о волны, ибо относительно тихоходны, имеют значительную килеватость корпуса в носу и прочный набор.

Силовые рамы парусных вооружений включают мачты и элементы, воспринимающие нагрузки от мачты, штагов и вант. При вооружении судна шлюпом силовые рамы обязательно делают жесткими, иначе нельзя избежать прогиба штага при усилении ветра. Один из способов обеспечения жесткости рамы показан на рис. 63. При Т-образной раме снизу как продолжение мачты ставят распорку и от ее конца ведут шпрюйтовые растяжки из стального тросика к штаг-путенсу и вант-путенсам.

В большинстве случаев повышение жесткости рамы парусного вооружения не вызывает повышения жесткости рамы корпуса.

При вооружении судна кэтом и кэтом с вспомогательным стакселем не стоит значительно увеличивать жесткость рамы парусного вооружения, чтобы не снижать ее терпимость к ударным нагрузкам.

Силовые рамы надувных поплавков тримаранов делают по жесткой и по эластичной схеме. В простейшем случае продольная прочность и жесткость поплавков обеспечиваются двумя трубами — стрингерами. Они хорошо зарекомендовали себя в работе на судах самых разных конструкций.

Когда строители не располагают трубами необходимого сечения для стрингеров, особенно при больших поплавках тримаранов с центральным надувным корпусом, поплавки подкрепляют продольными фермами. Их конструкцию (см.рис. 133) выбирают в соответствии с конкретными требованиями и имеющимися материалами. Чтобы смягчить удары поплавков, подкрепленных жесткими фермами, о волны, их носовые оконечности иногда выполняют килеватыми, для чего на цельноклееных поплавках в носовой части делают 1—3 горизонтальные стяжки-диафрагмы. На поплавках, состоящих из камеры и обтекателя, в носовую часть обтекателя вставляют или зафор-мовывают различные каркасы.

Силовые рамы мостов тримаранов почти исключительно делают эластичными. Действительно, если небольшим боковым поплавкам тримарана жестко задать горизонтальное положение, то из-за своего малого объема они не смогут быстро всплывать на гребни встречных волн и будут вынуждены разбивать волны носом. На это тратится определенная энергия, что снижает скорость судна. С ростом волны и скорости еще быстрее растет сила ударов поплавков о волны, что может оказаться опасным для их прочности.

Если же позволить поплавкам изменять в определенных пределах свой дифферент относительно центрального корпуса, они смогут всплывать на волны и не разбивать их, а плавно описывать их профиль. Тримаран пойдет мягче, скорость возрастет, а нагрузки на силовую раму моста значительно уменьшатся.

Силовые рамы мостов катамаранов. Мосты катамаранов из двух байдарок обязательно надо делать эластичными, а байдарки крепить к мостам шарнирно. В противном случае на косой волне наборы байдарок будут работать с большими перегрузками. После одного похода по Онежскому озеру на жестком катамаране наборы байдарок пришлось буквально разгибать.

О силовых рамах надувных катамаранов подробно рассказано в § 19.

Комплексная проверка прочности судов. В принципе можно сделать полный силовой расчет разборного парусного судна, но практика показывает, что он не дает требуемой точности даже при выполнении специалистами. В частности, при подготовке к промышленному выпуску катамарана "Альбатрос”, несмотря на обнадеживающие результаты расчетов, в конечном итоге так и не удалось облегчить основные силовые элементы судна по сравнению с самодельным прототипом — катамараном "Аргонавт”, где они определялись в основном опытным путем.

Основным и наиболее надежным методом комплексной проверки прочности разборных яхт остаются натурные испытания. Например, если поставить яхту на берегу или на мелководье, закрепить на мачте и штаге длинные концы и, имитируя их натяжением нагрузки от парусов, энергично откренивать яхту (см. рис.162), можно сразу получить ответы на многие вопросы о ее прочности. Подробнее этот метод испытания яхт описан в § 26.

Рис. 64. К расчету прочности поперечных балок Т-образных рам.

При проектировании новых яхт надо ориентироваться на уже построенные и хорошо себя зарекомендовавшие прототипы, в том числе и описанные ниже, и стараться применять наиболее простые по конструкции силовые рамы.

Расчет отдельных элементов силовых рам делают для предварительной оценки требуемой прочности отдельных элементов судна, чтобы сразу не наделать грубых ошибок.

Поперечные балки Т-образных рам (рис. 64).

1. С наибольшей нагрузкой они работают на курсе фордевинд, когда нагружаются вантами. Силы, развиваемые вантами, находят по приближенной формуле:

(17)

Если яхта вооружена гротом S = 4 м², h = 1,5 м², рассчитана на наибольшую тягу паруса А = 22 кгс (при вымпельном ветре Vs = 8,5 м/сек) и имеет а = 0,7 м, то сила, развиваемая вантами, будет 23,6 кгс.

Это сила натяжения каждой ванты.

Изгибающий момент, действующий на балку длиной l = 2,6 м, закрепленную на фальшбортах байдарки, разнесенных на 0,4 м (при этом l₁ = 1,1 м), будет:

(18)

Если рама использована на тримаране, то боковые поплавки периодически входят в воду и дополнительно нагружают балку. Поэтому полученный результат надо увеличить минимум в 1,5 раза. Таким образом, получим, что на курсе фордевинд поперечная балка может нагружаться изгибающим моментом до 39 кгс • м.

2. Проверим, как нагружает балку на острых курсах подветренный поплавок тримарана. Для расчета примем, что поплавок емкостью 20 л (Рп = 20 кгс) полностью погружен в воду, а дополнительные динамические нагрузки, действующие на поплавок, в сумме составляют половину его архимедовой силы. В этом случае изгибающий момент, действующий на балку в опасном сечении, составит:

М_{и б.от попл}. = (Р_п+0,5 Р_п) • l₁ = 33 кгс • м. (19)

Проверим, как будет нагружать балку на острых курсах наветренная ванта. При этом рассмотрим худший случай, когда матрос не сидит на балке, а откренивает судно из кокпита. Силу, развиваемую парусами, примем А = 30 кгс (ибо на острых курсах вымпельный ветер, действующий на парус идущей яхты, значительно сильнее, чем на полных курсах). Используем приближенную формулу:

(20)

Из приведенных расчетов видно, что изгибающий момент, действующий на среднюю часть поперечной балки Т-образной рамы, может достигать М_и = 39 кгс • м.

По табл. 3 найдем, что такой момент выдерживает труба с сечением Ж40х1,5 мм. Но закладывать ее в проект нельзя. Чтобы иметь небольшой запас по прочности, среднюю часть балки надо делать из трубы сечением 40х2 или 45х1,5 мм.

Для самодельных парусных судов обычно используют случайные некондиционные материалы, имеющие явные или скрытые дефекты, поэтому действительную прочность конкретных балок обязательно проверяют опытным путем. Для этого балку кладут на две опоры (рис. 65) и посередине прилагают известную силу, например вес испытателя. Постепенно раздвигая опоры, доводят балку до такого состояния, когда на ней начнут появляться следы остаточных деформации. Действительный изгибающий момент, выдерживаемый балкой находят по формуле:

(21)

Таблица 3

Вес погонного метра дюралевых труб и ориентировочное значение выдерживаемого ими изгибающего момента

Диаметр и стенка, мм	Вес In. м, кгс	Ми, кгс. м	Диаметр и стенка, мм	Вес 1. П. М, кгс	Ми, кгс. м
10х1	0,08	1,6	40х1,5	0,51	43
12х1	0,09	2,3	40х2	0,68	56
14х1	0,11	3,1	42х1,5	0,53	47,5
16х1	0,13	4,2	45х1,5	0,57	55
18х1	0,15	5,4	45х2	0,76	72
20х1	0,17	6,7	48х1,5	0,61	62
22х1	0,19	8,2	50х1,5	0,64	62,5
24х1	0,20	9,8	50х2	0,85	90
26х1	0,22	10,7	52х1,5	0,67	74
28х1	0,24	13,4	52х2	0,88	97
30х1	0,26	15,2	55х2	0,94	110
32х1	0,27	17,4	60х2	1,02	130
32х1,5	0,40	27,5	65х2	1,11	156
36х1	0,31	22,0	70х2	1,2	180
36х1,5	0,46	34,5	80х2	1,38	235

Расчет стрингеров поплавков. Наиболее нагруженными являются их носовые участки. Опасное сечение находится в узле соединения стрингера поплавка с первой поперечной балкой (рис. 66).

В предельном случае вся носовая оконечность поплавка может погрузиться в воду. Тогда стрингера будут нагружаться архимедовой силой, развиваемой этой частью поплавка (Рп нос), и динамическими силами, достигающими 50% Рп нос. Изгибающий момент, действующий на каждый из двух стрингеров, оценивают по приближенной формуле:

(22)

При подсчете изгибающего момента кормовых участков стрингеров дополнительную динамическую силу можно брать в пределах 0,25 Рп корм.

Рис. 65. Проверка прочности балок опытным путем.

Рис. 66. К расчету стрингеров поплавков.

Для поплавков, имеющих большие пролеты между поперечными балками, делают проверочный расчет прочности стрингеров на средних участках:

(23)

Если продольная прочность поплавков обеспечивается жесткой фермой, надо проверять достаточность ее прочности при постановке поплавка на два гребня соседних волн. При этом отношение высоты волны к ее длине берут как 1:7.

Учет концентрации напряжений в узлах соединения труб. При некоторых способах крепления стрингеров к поперечным балкам в вертикальной плоскости стрингеров сверлят отверстия, которые значительно уменьшают их фактическую прочность.

Например, если в верхней части (в зоне сжатия) трубы из сплава Д16Т сечением 30х1 мм просверлить отверстие диаметром 5,5 мм, прочность трубы-стрингера уменьшится на 25%.

Если такое же отверстие просверлить в нижней части (в зоне растяжения), прочность трубы уменьшится почти в 2 раза. Если между стрингером и поперечной балкой не проложить резиновой прокладки, то из-за концентрации напряжений в точке контакта труб прочность стрингера при нагружении его изгибающими нагрузками уменьшится на треть.

Проверка прочности балок катамаранов. Балки спортивно-прогулочных катамаранов, у которых прочность делается выше их остойчивости, рассчитывают по методикам, разработанным для неразборных катамаранов с жесткими поплавками (см. Ю. С. Крючков, В. И. Лапин. Парусные катамараны. Судостроение, 1967). Для разборных туристских катамаранов, остойчивость которых делается значительно выше их прочности, подмачтовую балку можно рассчитать по формуле:

(24)

где А — максимальная расчетная (или реально возможная) аэродинамическая сила парусов; h — расстояние от ЦП до балки; В_к — конструктивная ширина катамарана; а — расстояние от мачты до вант-путенсов по длине судна.

Если катамаран имеет основной стаксель, прочность балки надо соответственно увеличить (см. § 9).

Все поперечные балки должны выдерживать вес человека, стоящего на их середине. Нагрузка, действующая на балку, берется равной 100 кгс (вес человека + динамические нагрузки). Прочность балок катамарана должна быть не менее:

(25)

Если поперечные балки катамарана связаны между собой прочной центральной продольной балкой, перераспределяющей нагрузки между ними, прочность отдельных балок может быть вдвое ниже.