(Продолжение)

Через три года в 1749 г. членом Петербургской и Берлинской академий наук математиком Леонардом Эйлером (1707-1783 гг.), приглашенным для работы в Россию в 1727 г. (в 1724 г. Петром I была основана Петербургская АН), издана книга “Корабельная наука или трактат о строении кораблей и управляемости ими” (рис.25), в которой он изложил основные законы теории корабля и оригинально применил математические методы к изучению мореходных качеств судна, в частности, по параболической аппроксимации строевой по ватерлиниям и определению метацентрического радиуса.

Краткая биографическая справка: Леонард Эйлер, швейцарский математик, физик, астроном, механик. Окончил Базельский университет, член Петербургской, Парижской и Берлинской академии наук, Лондонского королевского общества, автор свыше 800 работ (!) в области математического анализа, дифференциальной геометрии, теории чисел, приближенных вычислений, небесной механики, математической физики, оптики, баллистики, кораблестроения и гидромеханики, сопротивления материалов, теории музыки и др. Разработал теорию движения Луны и морских приливов, предложил метод определения долготы по лунным расстояниям.

Книга Эйлера стала вторым после труда Бугера учебником для кораблестроителей и была в разное время издана во многих странах. Особенно полезной она оказалась ввиду того, что Эйлер изложил там основы аналитических приемов определения искомых характеристик проектируемого судна.

Рис.25. Титульный лист знаменитого учебника по теории корабля Л.Эйлера "Корабельная наука или трактат о строении кораблей и управляемости ими".

В своей работе Эйлер предлагает методы измерения остойчивости, развивает учение о сопротивлении воды движению судна, о действии ветра на паруса и управляемости корабля, решает задачу качки судна на тихой воде и выводит формулу для расчета периода собственных колебаний судна.

Рис. 26. Схема сил, действующих на накрененный корабль.
где J_x - момент инерции масс судна относительно продольной центральной оси, кг·м²; ¶ ^2q /¶ t ² - угловое ускорение поперечных колебаний судна, рад/с²; М_вост= Dh_oq - восстанавливающий момент, н·м; D - весовое водоизмещение судна, н; h_o - начальная метацентрическая высота, м; t _с = 2p/w_с - период собственных поперечных колебаний или бортовой качки судна на тихой воде, с; w_с - частота поперечных колебаний, 1/c; q =q _o сosw _ct - текущая амплитуда качки, рад.

Таким образом, с появлением в середине XVIII века учебников по теории корабля Бугера и Эйлера искусство строить суда, передававшееся от отца к сыну, от мастера к ученику, стало развиваться в науку, не имеющую тайн.

В 1752 г. в Париже издается первое сочинение Даламбера в области сопротивления воды “Очерки новой теории сопротивления жидкости”, которое внесло существенный вклад в развитие теоретической гидромеханики.

Интересным и важным с точки зрения проектирования судов событием в этом же году явился выход в свет книги известного французского кораблестроителя, инспектора французского флота, Дюамеля дю Монсо “Начала корабельной архитектуры”, в которой впервые высказываются соображения о значении для проектирования судна прототипов и математических методов в определении главных размерений. Монсо предлагает определять длину боевых кораблей из условия размещения пушечных портов, а ширину и высоту борта - по прототиповым значениям (L /B)_o и (L /H)_o . Таким образом, размерения корабля предлагалось находить исключительно из условий обеспечения вместимости и никакой связи между характеристиками задания и водоизмещением пока не устанавливалось. В работе обобщается установленная еще Дином практика определения водоизмещения судна и соответствующей ему осадки после изготовления теоретического чертежа и конструктивных чертежей корпуса судна.

В 1753 г. Парижская АН объявляет конкурс на разработку ряда тем по теории корабля. Результатом конкурса явились известные работы Эйлера, братьев Бернулли, Бугера и других ученых, установившие методы вычисления элементов плавучести и остойчивости по теоретическому чертежу, расчет нагрузки корабля, основы учения о качке и напряжениях, испытываемых связями плавающего в воде судна.

Необходимо отметить также конкурсные работы, посвященные новым способам движения судов. Интересно, что, если Д. Бернулли, Эйлер и другие французские ученые наиболее перспективными считали бортовые гребные колеса, причем приводимые в движение мускульной силой при помощи специальной механической передачи, английские ученые и кораблестроители, как представители более развитой в промышленном отношении страны, предлагали наряду с гребными колесами и гребные винты, в том числе приводимые во вращение паровой машиной.

В целом этот год фактически закрепил научные достижения того времени в области теории корабля и прочности и лишний раз подтвердил передовые позиции французской кораблестроительной школы в Европе.

В 1757 г. выходит новая книга Бугера “О маневрировании судов”, в которой ученый дает дальнейшее развитие своих исследований в области теории корабля по маневренным качествам судов.

В 1759 г. в Берлине выходит книга Эйлера “Исследование усилий, которым подвергаются все части судна при бортовой и килевой качке, и наилучший способ создания при их сборке прочности, необходимой для сопротивления этим усилиям, без вреда для положительных качеств судна”, которая может считаться первым сочинением исключительно по прочности судна. В этом труде, в частности, рассмотрена критическая нагрузка сжатого стержня, при которой он теряет устойчивость и которая с тех пор носит имя Эйлера

И хотя потеря устойчивости палубных и днищевых связей в результате изгиба корпуса для деревянных судов была редкостью (ввиду значительных толщин связей и небольшой длины корпусов), формула эйлеровой силы хорошо послужила инженерам-кораблестроителям позднее при переходе от деревянных к металлическим конструкциям корпусов, для которых проблема потери устойчивости связей до сих пор остается актуальной.

В 1763 г. и затем 1767 г. французский ученый Жан Борда (1733-1799 гг.) опубликовал сочинение “Опыты по сопротивлению жидкости”, впервые посвященное экспериментальным исследованиям по сопротивлению воды движению судна. С 1756 по 1757 г. Борда проводил в Дюнкерке эксперименты по буксировке тел в воде (шары, пластины, конусы и клинья) и установил, что сопротивление тела, полностью погруженного в воду, пропорционально квадрату скорости, а сопротивление тела, частично погруженного в воду, растет пропорционально более высоким степеням скорости, ибо они при движении образуют систему волн.

Необходимо отметить, что серьезные попытки экспериментального определения гидродинамического сопротивления тел в воде были вызваны, прежде всего, неудовлетворительной точностью теоретических методов, которые тогда давала гидромеханика. И в дальнейшем, несмотря на совершенствование последних, экспериментальная гидромеханика продолжает развиваться параллельно, опираясь на теорию и одновременно дополняя ее, что характерно для развития технической мысли в целом.

В 1766 г. в Париже выходит в свет новая книга Эйлера “Полная теория конструирования и вождения кораблей”, которая помимо обобщения научных исследований по остойчивости и ходкости судов содержала и некоторые теоретические основы управляемости парусных кораблей.

К этому времени при исследовании движения тел в пространстве Эйлер впервые использует подвижную и неподвижную системы координат, связанные между собой углами, которые впоследствии получат его имя (рис.27). Такой подход при изучении качки корабля оказался очень удобным и до настоящего времени используется с небольшими изменениями, которые были внесены в конце XIX века русским ученым-кораблестроителем А.Крыловым, предложившим использовать корабельные эйлеровы углы.

x = cosj cosy x₁ + (sinq cosj siny - cosq sinj ) y₁ + (cosq cosj siny + sinq sinj ) z₁.
Рис.27. Эйлеровы (а) и корабельные (б) углы между подвижной и неподвижной системами координат и формула перехода по абсциссе.

В 1768 г. издается знаменитый “Атлас архитектуры корабля” известного в Европе шведского инженера-кораблестроителя и ученого Фредерика Чапмана (1721-1808 гг.). В своей книге Чапман составил подробный атлас конструкций боевых кораблей разных рангов и предложил “параболический” способ проектирования теоретического чертежа, где основные линии - шпангоуты и ватерлинии представляли из себя параболы, а также различные способы вычисления площадей сечений корабля, его водоизмещения, центра величины и метацентрического радиуса, указал влияние на остойчивость и качку корабля его ширины и метацентрической высоты, обусловливая величину последней не более 1,8 м для самых крупных линейных кораблей. При этом ограничение начальной метацентрической высоты представляет первую попытку нормирования остойчивости крупных боевых кораблей. За этот капитальный труд, имеющий огромную практическую ценность для проектирования судов, Чапман был избран членом Стокгольмской академии наук.

Краткая биографическая справка: Фредерик - Хенрик Чапман, шведский корабельный инженер и ученый, основоположник теории проектирования судов, вице-адмирал. Образование получил в Швеции, изучал судостроение в Англии, член Королевской АН в Стокгольме, автор трудов по судостроению и проектированию судов. Изобретатель канонерских лодок и специального метода постройки судов, главный кораблестроитель Швеции, возглавлял работу королевской верфи, построившей по его методу 10 линейных кораблей, 11 фрегатов и множество небольших судов.

Впоследствии Чапман разработал также весьма сложный геометрический способ расчета сопротивления корпуса по теоретическому чертежу корпуса корабля на основании серии систематических испытаний моделей кораблей, проведенных им на глубоком пруду неподалеку от Карлсруны. Однако главной заслугой Чапмана было то, что он явился основоположником еще одной новой науки - теории проектирования судов.

В 1771 г., развивая работы Эйлера по бортовой качке, член Петербургской академии наук Д. Бернулли опубликовал теорию боковой качки корабля на волнении, считавшуюся классической на протяжении почти 100 лет. Рассмотрев качку судна, расположенного лагом (бортом) к набегающей волне, Бернулли включает в дифференциальное уравнение качки помимо составляющих инерционных и восстанавливающих сил, так называемую, вынужденную составляющую, зависящую от параметров волны, и объясняет явление резонанса при совпадении периодов волны t_в и качки судна на тихой воде t_с.

, (1771 г.)
где a _o - угол волнового склона, рад; w _в = 2p /t_в - частота волны (1/c); t_в - период волны (с).

В этом же году испанский кораблестроитель Георг Хуан составляет правила, по которым можно было определить размеры деревянных деталей корпуса и рангоута, изготовленных из разных пород дерева, сравнивая их с наиболее широко применявшимися дубовыми деталями. Способ Хуана был основан на гипотезе пропорциональности прочностных характеристик деревянного материала его весу или плотности. Например, если дубовый шпангоут следовало заменить новым, изготовленным из другой породы дерева, то удельный вес дуба надлежало умножить на площадь поперечного сечения детали и, полученный, таким образом, погонный вес детали поделить на удельный вес нового материала. В результате получалась площадь поперечного сечения шпангоута из нового деревянного материала, размеры которого определялись пропорционально старому.

Такой подход в назначении размеров деталей корпуса кораблей говорит о достаточно высоком уровне испанского судостроения в те времена, о чем свидетельствует, например, постройка в 1769 г. на Гаванской верфи одного из самых крупных деревянных парусных боевых кораблей за всю историю судостроения - 144-пушечного линейного корабля “Сантиссима Тринидад” водоизмещением ок. 5 тыс. т (рис.28). Этот корабль находился в строю испанского флота вплоть до своей гибели в 1805 г. во время Трафальгарской битвы, где был затоплен англичанами уже после боя.

Кроме того, в своей книге "Экзамен маритимо", изданной в 1771 г., Хуан впервые при оценке сопротивления воды исходит из явления поднятия воды перед форштевнем и опусканием за ахтерштевнем, а также указывает, что частицы воды в волне совершают в вертикальной плоскости круговые движения.

Рис. 28. Гордость испанского деревянного судостроения - 144-пушечный линейный корабль “Сантиссима Тринидад” (L =62,4 м, водоизмещение ок. 5 тыс. т).

В 1773 г. французский инженер и физик Шарль Кулон (1736-1806 гг.) в своих трудах опубликовал правильное решение задачи о нормальных напряжениях при изгибе балки, которая была развита до современного вида позднее французским ученым А. Навье, автором первого учебника по сопротивлению материалов.

Примерно в это же время Эйлер получает знаменитые дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости, в основу которых заложен совершенно новый метод исследования теоретической механики, ориентированный на решение задач динамики не твердого тела (когда задаваясь начальными значениями времени и координат, определяется траектория движения материальной точки, а затем ее скорость и ускорение), а жидкости. Он заключается в том, что внимание наблюдателя фиксируется не на самих частицах жидкости, как это делается в механике твердого тела, а на точках пространства с заданными координатами, где и определяются скорости потока в различные моменты времени. Этот метод до сих пор является основным в гидродинамике, так как позволяет использовать более эффективные способы и приемы изучения движения различных сплошных сред.

,
где v - скорость жидкости в рассматриваемой точке, м/c; t - время, с; F - массовая сила, например, вес или инерция, н; r - плотность жидкости, кг/м³; p - давление жидкости в рассматриваемой точке, н/м²; x, y,z - направления по осям координат.

Значительным вкладом Эйлера в развитие гидродинамики является также формулирование им первого критерия гидродинамического подобия, который представляет собой, так называемое, число кавитации, используемое при моделировании явления кавитации. Необходимо отметить, что с проблемой кавитации кораблестроители серьезно столкнутся только в начале XX века, когда после создания и эксплуатации в качестве судовых двигателей первых паровых турбин, гребные винты, рассчитанные под низкооборотные паровые машины и вращаясь с большими оборотами в воде, начнут работать крайне неэффективно из за кавитации.

,
где EU - число Эйлера; p - гидростатическое давление в зоне кавитации, н/м²; r v²/2 - скоростное давление в зоне кавитации, н/м².

В ходе разнообразных научных исследований, которые проводил Чапман в 70-х годах XVIII века, был поставлен и решен основной вопрос теории проектирования судов - о зависимости водоизмещения и главных размерений судна от характеристик задания на его проектирование. В научной работе “Трактат о судостроении”, опубликованной в 1775 г., а затем и трудах 1806 г., Чапман впервые применил уравнение масс (нагрузки) в функции водоизмещения и предложил оригинальные способы построения теоретического чертежа корпуса корабля. При этом связь масс с водоизмещением была установлена им путем статистического анализа. Чапман попытался также связать вес полезного груза с водоизмещением судна и его главными размерениями, учитывая довольно примитивно, и требования остойчивости.

Интересной и важной также с точки зрения проектирования является трактовка Чапманом понятия вместимость судна на основе опыта английского судостроения и судоходства: “Вместимость наиболее распространенных в Англии видов судов определяется, собственно, не для того, чтобы можно было по ней узнать, какой груз может принять судно, а для того, чтобы составить понятие о величине или объеме судна, по которым и производятся все денежные начисления на судно.

Эту величину находят так: длину киля умножают на ширину судна (по внешней кромке обшивки), а полученный результат - снова на половину ширины, деленную всегда на 94. Окончательный результат показывает вместимость судна в тоннах.

Если судно приняло большее число тонн, чем получилось при расчете, то говорят, что оно загружено сверх вместимости; если меньшее, - то говорят, что оно загружено меньше вместимости” [11].

Так Чапман впервые разъяснил смысл, так называемой, регистровой вместимости судна как условной разновидности вместимости или объема судна, предназначенной для начисления портовых налогов.

На основе опытов в бассейне для определения положения шпангоута наибольшего сечения и отстояния центра величины от миделя Чапман разработал пригодные для практического применения рекомендации, не противоречащие и современным исследованиям в этой области.

Опираясь на описании обводов корпуса параболическими формулами, он впервые составил таблицы с указанием элементов кораблей, спроектированных по его методу при закономерно изменяющихся полезной нагрузке и других общих проектных характеристиках. Такие таблицы сегодня рассматривались бы как попытка создания стандартной “сетки” судов.

Таким образом, научные исследования Чапмана оказали огромное влияние на практику проектирования судов во всем мире.

Возвращаясь к Эйлеру, нельзя не отметить один из последних его капитальных трудов в области кораблестроения - однотомное сочинение "Полное умозрение строения и вождения кораблей, сочиненное в пользу учащихся навигации", изданное в 1776 г. и сконцентрировавшее в себе все самое ценное в практическом отношении, что давала по тем временам теория корабля. В этом труде, пережившем большое количество изданий в разных странах, что подтверждает его практическую ценность для кораблестроителей, рассматривался широкий круг вопросов теории корабля: статика, сопротивление и управляемость, бортовая и килевая качка судна.

Во второй половине XVIII века большой вклад в экспериментальную гидродинамику вносит французский аббат Шарль Боссю (1730-1814 гг.), проводивший в 1775 г. обширные модельные испытания в г. Мезьере, где на территории инженерной школы был организован гравитационный бассейн (длина - 30 м, ширина - 16 м, глубина - 2 м, рис.29). Исследованию подверглись различные тела - параллелепипеды, призмы и цилиндры, имеющие примерную форму корабельного корпуса. В результате в 1777 г. в Париже выходит в свет совместный труд Даламбера, Жана Кондорсе (1743-1794 гг.) и Боссю “Новые эксперименты по сопротивлению в жидкостях”, в котором представлены результаты испытаний этих моделей и впервые обнаружено влияние мелководья и узкостей на их сопротивление.

Краткая биографическая справка: Жан Кондорсе, французский философ-просветитель, математик, социолог, государственный и политический деятель, член и секретарь Парижской академии наук, член Конвента, реформатор народного образования.

Большое значение в конце XVIII века имели научные работы французского инженера Поля (Пьера) Дюбуа (1734-1809 гг.), который первым попытался связать теоретическую гидродинамику и практическое судостроение. Во время работы над своим классическим трехтомным трудом “Принципы гидравлики”, изданным в 1779, 1786 и 1806 г., и проведения обширных гидравлических испытаний Дюбуа впервые разделил гидродинамическое сопротивление на сопротивление формы (вихревое) и сопротивление трения, а также фактически впервые ввел понятие присоединенной массы воды, отмечая роль кормовой оконечности судна в формировании сопротивления. Но все же он не смог тогда дать надежных количественных соотношений, которые позволяли бы вычислить сопротивление судов.

Рис.29. С такого опытового бассейна во французском городке Мезьере начиналась экспериментальная гидромеханика как жизненно важная составляющая корабельной науки.

В 1782 г. французский математик, астроном и физик Пьер Лаплас (1749-1827 гг.), создавший математическую теорию вероятностей и достигший больших успехов в области мореходной астрономии, при изучении движения жидкости и других материальных систем вводит понятие потенциала скорости - условной характеристики скорости, производная которой по любому направлению дает проекцию скорости на это направление, и получает уравнение неразрывности безвихревой (потенциальной) жидкости.

Краткая биографическая справка: Пьер Лаплас, французский астроном, математик, физик и государственный деятель, член Парижской и Петербургской академии наук, профессор Парижской военной школы, председатель Палаты мер и весов. Автор классических трудов по теории вероятностей и ошибок, небесной механики, работ по дифференциальному исчислению и математической физике, теории капиллярности, теплоте, акустике, геодезии, прочности и пр. Автор космогонической гипотезы и динамической теории приливов. В разное время занимал государственные посты министра внутренних дел, вице-председателя сената, руководителя Бюро долгот.

Это уравнение оказалось настолько удачным в математическом моделировании гидродинамических процессов, что является основным во всех современных гидродинамических теориях, исследующих многие мореходные свойства судна. В теории потенциального движения невязкой жидкости, основоположником которой явился Лаплас, основной задачей становится определение потенциала скорости в рассматриваемой точке, зная который можно определить все кинематические и динамические параметры исследуемой гидромеханической системы.

В 1784 г. в Дании выходит книга Стиболта “Воздействие на суда усилий относительно миделя”, которая явилась первой книгой по общей прочности судов. Стиболт, в отличие от Бугера и Эйлера, не представлял вес корпуса и силы поддержания в виде аналитических кривых, а использовал фактические данные по конкретному судну.

В 1787 г. во Франции издается книга корабельного инженера В. Клербуа “Элементарный трактат по конструкции кораблей”, в которой дается описание конструкций кораблей, их размеры, число и расположение пушек. На основании работ Чапмана, переводом которых занимался Клербуа, он приводит метод проектирования судов по уравнению нагрузки, что позволяет еще перед постройкой корабля определить его водоизмещение, положение центра тяжести и центра величины, метацентрический радиус и высоту.

Значительным вкладом в развитие механики твердого тела, и в частности строительной механики корабля, явилось издание в 1788 г. фундаментального трактата французского математика Жозефа Лагранжа (1736-1813 гг.) “Аналитическая механика”, в котором в основу статики он закладывает принцип возможных перемещений, а в основу динамики - этот же принцип в сочетании с принципом Даламбера. Впоследствии, развивая эту идею дальше, Лагранж предложил в гидродинамике использовать метод исследования течения жидкости, который заключается в том, что движение жидкости изучается с позиций классической теоретической механики: частицы жидкости отождествляют с материальными точками и определяют траектории их движения, задаваясь в начальный момент времени начальными координатами. Метод Лагранжа, несмотря на свою значительную трудоемкость, используется для решения некоторых задач гидромеханики и в настоящее время.

Краткая биографическая справка: Жозеф Лагранж, французский математик, механик и астроном, член Берлинской, Петербургской и Парижской академии наук. С 17 лет на преподавательской работе сначала в военной школе Турина, затем Политехнической школе в Париже. Создатель Туринской академии. Президент Берлинской академии наук. Автор трудов по вариационному исчислению координат орбит небесных тел для навигации, математическому анализу, теории чисел, алгебре, теории дифференциальных уравнений и теории волн.

В конце XVIII века Лагранж на базе уравнения Бернулли получает уравнение энергетического баланса для потока неустановившегося (нестационарного) потенциального или безвихревого движения жидкости

В 1795 г. английский исследователь Марк Бофуа (1764-1827 гг.) при содействии Лондонского общества по усовершенствованию кораблестроения, образованного как реакция на хроническое отставание английского кораблестроения от французского, с целью определения сопротивления трения проводит в Гринокском доке самые крупные в XVIII веке испытания моделей кораблей длиной 12 м (!), продолжавшиеся в общей сложности 7 лет с 1791 по 1798 г. (всего около 10 тыс. опытов). Эксперименты Бофуа завершаются изданием в 1834 г., уже после его смерти, капитального труда “Морские и гидравлические эксперименты”, в котором выявлено влияние на ходкость корабля обводов носовой, средней и кормовой части корпуса, оценивалась также парусность, поворотливость и качка исследуемых моделей. При этом он впервые экспериментально попытался определить величину сопротивления трения, которую все его предшественники, начиная с Ньютона, считали пренебрежимо малой.

Находясь в Париже в конце XVIII века, американец Роберт Фултон (1765-1815 гг.) создал опытовый бассейн длиной 20 м и провел там эксперименты, исследуя на самоходных моделях эффективность различных типов движителей от гребков до винтов. В итоге ему удалось сделать то, чего не смогли предшественники: найти рациональную взаимоувязку корпуса, паровой машины и гребных колес. В 1803 г. первая экспериментальная паровая лодка Фултона развила скорость 4,8 км/час, двигаясь против течения Сены.

Краткая биографическая справка: Роберт Фултон, американский изобретатель, художник и ювелир. Участник строительства морских каналов, шлюзов и водопроводов. Создатель различных машин, подводной лодки «Наутиль», плавающей мины, первых коммерческих пароходов и военного парохода-катамарана – плавучей батареи «Демологос».

В 1804 г. издается четвертый и последний том капитального труда русского профессора второго в Европе (после Парижского) Петербургского Училища корабельной архитектуры Платона Гамалея (1766-1817 гг.) “Высшая теория морского искусства”, в котором он развил и существенно дополнил учение Эйлера о теории корабля. И хотя международного признания этот труд не получил, его следует считать первой капитальной научной работой, написанной русским ученым-кораблестроителем.

В начале XIX века Лаплас вносит свою лепту и в науку о прочности, создав общую безмоментную теорию тонких оболочек, имеющих форму любого тела вращения (от сферы до цилиндра) и испытывающих давление изнутри. Уравнение, носящее его имя, в частном случае дает котельную формулу Мариотта.

Таким образом, Лаплас в целом теоретически обосновывает расчеты прочности тонкостенных^* трубопроводов и резервуаров энергетического оборудования и судовых систем, находящихся под давлением, что способствовало интенсивному развитию в начале XIX века судовой энергетики, а затем в конце этого века и различных сложных судовых систем.

В 1822 г. французский ученый Анри (Луи) Навье (1785-1836 гг.), а позднее, независимо от него, и английский физик и математик Д.Стокс получили на основе уравнения Эйлера дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости и газа

, (1822)
где n = m / r - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

В 1827 г. английский ученый Традголд опубликовывает первую математическую теорию гребного винта, позволяющую, несмотря на свою примитивность, аналитически оценивать эффективность этого нового типа движителя, который уже в 30-х годах XIX века начнет постепенно вытеснять на морских судах гребные колеса. Однако, практически все изобретатели гребных винтов того времени все же более охотно шли на экспериментальные исследования этих движителей, ввиду малой достоверности расчетных способов определения их характеристик, а также и самого буксировочного сопротивления корпуса.

В 1832 г. вышел в свет научный труд английского инженера- кораблестроителя Мак Грегора Лэрда (1808-1861 гг.) по технологии постройки судов из железа и стали, который является первым научным исследованием, посвященным специфике сборки металлических корпусов судов. Этот шотландский кораблестроитель известен также как строитель первого морского стального колесного парохода "Олберка", совершившего в 1834 г. плавание из Ливерпуля в Гвинейский залив и обратно.

В 1833 г. английский физик и математик Джордж Грин (1793-1841 гг.) получает интегральное уравнение теории потенциала и особые функции, зависящие от времени и описывающие источники волнообразования единичной интенсивности, на основе которых впоследствии гидромеханики смогут вычислять волновое сопротивление тел, движущихся под свободной поверхностью жидкости, и в частности подводных лодок. В это же время он предпринимает первую попытку математически описать присоединенные массы воды.

В 1834 г. Регистр английского Ллойда (в 1696 г. кофейня Эдварда Ллойда опубликовывает первый бюллетень “Новости Ллойда” с информацией о судах, с 1734 г. “Списки Ллойда” печатаются периодически, в 1760 г. опубликована Регистровая книга Ллойда и сформировано первое классификационное и страховое общество “Регистр английского Ллойда”) выпустил “Книгу правил, регламентирующую порядок классификации судов” (А1 - первый сорт, А2 - второй сорт и т. д.). С тех пор это общество регулярно выпускает Правила постройки и классификации судов, которые отражают весь опыт, накопленный английскими кораблестроителями. Для осуществления надзора за постройкой судов появились штатные специалисты (“сервейеры”), наблюдающие, чтобы суда строились без отклонений от правил, соблюдение которых являлось условием регистрации и страховки будущего судна.

В том же 1834 г. английский ученый и кораблестроитель Джон Рассел (1808-1882 гг.) проводит опыты в канале с моделями, а затем осуществляет и опытные буксировки натурных кораблей: в 1840 г. - брига “Сфинкс” и в 1846 г. - корабля “Пингвин”. Обработав результаты этих экспериментов, он впервые установил, что сопротивление воды движущемуся судну зависит от характера создаваемых им волн (рис.30). В отличие от Дюбуа, Рассел впервые выделяет волновое сопротивление и обращает внимание своих современников на важность его учета при проектировании кораблей.

Рис. 30. Виды корабельных волн, возникающих при движении судна в воде. 1 - носовые расходящиеся волны; 2 - кормовые расходящиеся волны; 3 - линии вершин и впадин расходящихся волн; 4 - поперечные волны.

В 1835 г. в Англии впервые в мировой практике был принят закон, в соответствии с которым на каждый фут глубины трюма грузовому судну полагалось иметь 3 дюйма высоты надводного борта. Это была первая попытка регламентации минимального запаса плавучести судна для обеспечения его безопасности, являющегося одним из условий обеспечения такого важного эксплуатационного свойства любого судна как непотопляемость, хотя она и имела тогда чисто экономические корни.

В те времена стремление судовладельцев взять на борт как можно большее количество груза и получить, тем самым, максимальный доход с рейса часто заканчивалось трагически для самого судна и его экипажа. Однако все суда, как правило, и страховались. Поэтому страховым обществам, наподобие Ллойда, пришлось законодательным образом ограничивать риск при эксплуатации судов и свои финансовые потери на выплату страховок.

Таким образом, при эксплуатации построенных или проектировании новых судов максимальная осадка с точки зрения безопасности могла быть определена как T_max = H - F_min= H (1 - k ).

При превышении этого значения осадки вследствие перегруза портовые власти Англии имели право не выпускать грузовое судно в море.

В этом же году в России издан первый научный труд о сопротивлении материалов, применяемых в судостроении, - книга русского корабельного инженера Степана Бурачека (1800-1876 гг.) “Теория крепости лесов и металлов с приложением к строительству кораблей”, который можно считать первым учебником по судостроительным конструкционным материалам. До этого сравнительно молодой инженер уже проявил себя как талантливый ученый: он усовершенствовал и значительно развил параболический метод построения теоретического чертежа Чапмана и один из первых в отечественной практике ввел понятие коэффициентов теоретического чертежа.

Краткая биографическая справка: Степан Бурачек, русский инженер-кораблестроитель, ученый, изобретатель, генерал-лейтенант, внесший большой вклад в развитие русского кораблестроения. Окончил Петербургское училище корабельной архитектуры, где был оставлен для преподавательской работы. В разное время возглавлял Астраханское адмиралтейство, проектировал и строил корабли Каспийской флотилии, осуществлял наблюдение за постройкой военных кораблей «Не тронь меня», «Аврора», «Кастор» и др., заведовал кафедрой в Офицерском классе Морского корпуса. Разработчик оригинальной системы набора корпуса, автор идеи использования твердого топлива методом газификации, одного из первых проектов подводной лодки и оригинального проекта водотрубного парового котла, занимался вопросом использования жидкого топлива в судовых котлах.

В 1836 г. издается научный труд потомственного судостроителя, русского корабельного инженера Михаила Окунева (1810-1873 гг.) “Опыт сочинения чертежей военным судам”, в котором он один из первых рассматривает вопросы проектирования теоретического чертежа корпуса судна, а также предлагает приближенные формулы для расчета остойчивости по главным размерениям и коэффициентам полноты, аналогичные формулам Эйлера. Эта работа явилась значительным вкладом в развитие теории проектирования судна.

В 1841 г. было произведено первое практическое изучение прочности железных судов в результате аварии английского судна “Айрон Дюк” (рис.31), севшего на мель в районе Ярмута.

Рис. 31. Эскиз железного корпуса судна “Айрон Дюк”, зарисованный сервейером Регистра Ллойда Байли при освидетельствовании причин его разрушения.

Сервейер Регистра Ллойда Байли показал расчетным путем, что верхние листы обшивки судна были слишком тонки для тех усилий, которые там действовали, и что они должны были на волнении терять свою прямолинейную форму, т.е. устойчивость; это со временем и привело к появлению в них трещин. Возможно, что именно с “Айрон Дюка” и началось определение прочных размеров связей металлических судов на основе опыта эксплуатации.

Во всяком случае, в отличие от деревянной кунардовской «Колумбии», севшей на мель в 1846 г. у берегов Ирландии и пролежавшая там целый год (!), винтовой пароход выдающегося английского инженера Исидора^* Брунеля (1805-1858 гг.) “Грейт Бритн”, практически не получил повреждений корпуса в результате его изгиба.

При создании в 50-х годах совместно с Расселом “чуда света XIX века” - гигантского парохода “Грейт Истерн” ( длина 207,2 м, водоизмещение 32 тыс.т, рис.32) Брунель, как талантливый инженер и математик, уже применял расчеты элементов конструкции этого монстра на прочность при общем изгибе корпуса, причем для ее обеспечения он впервые предлагает стрингерную продольную систему набора корпуса с двойными дном и бортами, полностью исключающую шпангоуты (!). Эксплуатация этого несчастного судна (помимо человеческих жертв, которые этот пароход взял при постройке и спуске, “Грейт Истерн” стал причиной смерти и своего создателя) в течение 30 лет с 1858 по 1888 г. подтвердила правильность выбора конструкции корпуса и не выявила сколько-нибудь серьезных его пов-реждений. Даже посадка этого гиганта на скалы, в результате которой он получил пробоину в днище длиной около 25 м, не вызвала у аварийного судна существенного снижения мореходных качеств.

В 1852 г. немецкий физик Генрих Магнус (1802-1870 гг.), проводя аэродинамические эксперименты на cнарядах с целью определения влияния их вращения на траекторию полета, установил эффект, который заключался в том, что при вращении цилиндра под набегающим потоком на нем образуется боковая сила, направленная в сторону вращения наветренной части цилиндра (рис.33). Этот эффект, не имеющий на первый взгляд прямого отношения к судостроению, был позднее успешно реализован при создании новых парусных судов. В качестве роторного движителя на парусных судах вращающиеся цилиндры были впервые использованы немецким инженером А.Флеттнером только в середине 20-х годов XX века.

 
Рис.32. Внешний вид гигантского для своего времени парохода “Грейт Истерн” (L= 207,2 м; B= 25,2 м; T= 9,1 м; v= 13,0 уз; N= 8300 л.с.) и его уникальная конструкция корпуса.

Рис. 33. Схема эффекта Магнуса. 1 - поток пограничного слоя воздуха при вращении цилиндра; 2 - набегающий поток воздуха; 3 - зона повышенного давления; 4 - зона пониженного давления.

С 1854 г. в Англии и других странах проводятся исследования по созданию правил расположения поперечных переборок для обеспечения непотопляемости судов. В результате к концу XIX века были сформулированы основные требования к разделению судов на водонепроницаемые отсеки, которые были положены в основу рекомендаций Первой международной конференции по охране человеческой жизни на море (впоследствии конвенция SOLAS), организованной после гибели “Титаника” (рис.49) в 1914 г.

Глава 3c. Период становления и революционного развития корабельной науки (золотой век - по 1906 год)