Теория волн и управление катером на волнении

Предварительные требования

Вы должны были пройти урок «Управление на высокой скорости», чтобы уметь регулировать дифферент лодки, пользоваться транцевыми флапами (trim tabs) и безопасно разворачиваться на большой скорости. Нужны знания о погоде и приливах в объёме, ожидаемом на уровне Intermediate Powerboat: умение читать прибрежные воды и штормовые прогнозы, знать шкалу Бофорта, определять направление и скорость приливного течения по атласу приливных течений или по приливным ромбам (tidal diamonds). Вы также должны были провести (или получить) полный инструктаж по безопасности, включая размещение на сиденьях, поручни и сигналы, как описано в первом уроке этого курса.

Цели обучения

К концу этого урока вы должны уметь:

• Определять высоту, длину, период и крутизну волны, а также оценивать длину и скорость волны по периоду.
• Объяснять, как сила ветра, разгон (fetch), продолжительность ветра, прилив и глубина влияют на состояние моря, включая значительную и максимальную высоту волны.
• Объяснять, почему встречный ветер против течения и перекаты (overfalls) создают опасное волнение, и планировать маршрут так, чтобы их избегать.
• Безопасно управлять быстроходной лодкой на встречном, боковом и попутном волнении, используя газ, дифферент и курс.
• Объяснять, как лодка лагает (broach) на попутном волнении и как этого избежать.
• Объяснять риск травм пассажиров при ударе о воду (slamming, Бюллетень безопасности MAIB 3/2023) и способы его снижения: размещение на сиденьях, упор для ног и рук, инструктаж и скорость.

Теория волн

Измерение волны

На схеме ниже показаны части волны и то, как встречный ветер против течения их меняет.

Click to zoom

• Высота (H): вертикальное расстояние от подошвы (впадины) до гребня.
• Длина (L): горизонтальное расстояние от одного гребня до следующего.
• Период (T): время в секундах между прохождением двух гребней через неподвижную точку, например буй. Его можно измерить по часам.
• Крутизна: высота, делённая на длину (H/L). Волна становится неустойчивой и начинает ломаться, когда её крутизна достигает примерно 1 к 7.

Период, длина и скорость

На глубокой воде длина и скорость волны зависят только от её периода:

• Длина в метрах ≈ 1,56 × T²
• Скорость в узлах ≈ 3 × T

Для быстроходной лодки эти цифры важны. На 7-метровом RIB при 25 узлах вы быстрее большинства ветровых волн. При движении по ветру вы будете обгонять волны впереди; при движении против ветра вы встречаете их со скоростью, равной сумме вашей скорости и скорости волны. Короткое крутое море с периодом 4 секунды, которое вы встречаете лоб в лоб на скорости 25 узлов, бьёт в нос каждые 1–2 секунды.

Что формирует волнение

Высота волны зависит от:

• Силы ветра. При полностью развитом море высота волны примерно пропорциональна квадрату скорости ветра, поэтому вдвое более сильный ветер может дать волну в четыре раза выше.
• Разгона (fetch). Расстояние открытой воды, над которым дует ветер. Сильный береговой ветер даёт ровное море близко к берегу и штормовое в нескольких милях от него.
• Продолжительности. Как долго дует ветер. Море требует нескольких часов, чтобы при данном ветре вырасти до полной высоты.
• Зыби. Волны от далёкой непогоды складываются с местным ветровым волнением, иногда приходя с другого направления и создавая беспорядочное море.
• Глубины. Когда волны заходят на воду мельче примерно половины их длины, они замедляются, укорачиваются и становятся круче. На мелководной банке или отмели умеренная зыбь может обрушиться.
• Приливного течения. Рассмотрено ниже: это часто самый большой фактор для прибрежного катерного плавания.

Значительная и максимальная высота волны

Прогнозы дают значительную высоту волны: среднюю высоту наиболее высокой трети волн. Отдельные волны сильно различаются. За несколько часов следует ожидать время от времени волн, почти вдвое превышающих значительную высоту. Прогноз «умеренное, 1,25–2,5 м» может включать отдельные волны выше 4 м. При планировании думайте о самой большой волне, которую можете встретить, а не о средней.

Ветер против течения

Когда ветер дует против приливного течения, волны движутся против движущейся воды. Течение фактически замедляет волны, и они сжимаются: их длина уменьшается, а высота растёт. Результатом становится короткое, крутое, ломающееся море. Когда ветер и течение совпадают, происходит обратное: волны удлиняются и становятся ниже и более ровными.

Для ориентира: течение 2 узла против ветра 5 баллов может превратить умеренное море в штормовое, а у мыса, где течение достигает 4 узлов и более, ветер против течения может создать волнение, опасное для любой маломерной лодки.

Практическое планирование

• Узнайте, когда течение меняет направление у каждого мыса на вашем маршруте, по атласу приливных течений или по приливным ромбам на карте. Ваш переход может быть коротким, но у мыса в 10:00 может быть спокойно, а в 11:00 опасно.
• На большой скорости вы часто можете выбрать время перехода, чтобы обойти мыс в период малой воды (слэка) или когда ветер и течение совпадают.
• Если прогнозируемый ветер дует против сизигийного прилива у гонки течений (race), рассмотрите прибрежный маршрут (если лоцманское руководство его рекомендует), широкий маршрут в открытом море или ожидание.

Перекаты и приливные гонки

Перекаты (overfalls) — это участки бурлящей, беспорядочной воды, где приливное течение проходит над неровным дном, уступом, резким изменением глубины или огибает мыс. На картах они отмечены символом волнистой линии и названы в лоцманских руководствах. Известные примеры в Великобритании — Портлендская гонка (Portland Race), банка Сент-Альбанс (St Alban's Ledge) и гонки у Нормандских островов.

Перекаты наиболее опасны:

• При сизигийных приливах, когда течения самые сильные.
• При ветре против течения.
• При максимальной скорости течения, обычно примерно через три часа после малой воды (слэка).

Они могут быть опасны даже при слабом ветре. Волны в гонке могут быть короткими, крутыми, ломающимися и приходить сразу с нескольких направлений. Быстроходную лодку может сбросить с волны в одном направлении и ударить о волну в другом. Избегайте их, если:

1. Планируете маршрут в обход них, используя карту и лоцманское руководство.
2. Проходите в период малой воды (слэка) или держитесь далеко от гонки.
3. Если всё же нужно пройти через разбитую воду, сбросьте скорость и действуйте так же, как при сильном встречном волнении: экипаж сидит и держится.

Управление на волнении

Принцип прост: сбрасывайте скорость до тех пор, пока лодка остаётся на воде, а экипаж чувствует себя комфортно, затем активно управляйте, используя газ и дифферент на каждой волне. Быстроходная лодка на волнении ведётся одной рукой на штурвале и другой на газе.

На схеме ниже показана техника для встречного и попутного волнения.

Click to zoom

Встречное волнение

На встречном волнении опасность заключается в том, что лодка отрывается от гребня и бьёт в подошву волны или в следующую волну.

1. Немного подожмите дифферент и слегка опустите транцевые флапы. Это удерживает нос опущенным и позволяет острой передней части V-образного корпуса рассекать волны.
2. Снизьте скорость до тех пор, пока лодка перестанет отрываться от воды.
3. Идите на волну под углом 20–40 градусов к носу, а не лоб в лоб. Лодка встречает каждую волну длинным участком корпуса, и гребень приходит менее резко. При необходимости идите зигзагом, сохраняя средний курс.
4. Работайте газом на каждой волне: добавьте газ, чтобы взойти на склон волны, снимите его непосредственно перед гребнем, чтобы нос не взлетел, затем снова добавьте газ, когда лодка перевалит через гребень, чтобы поднять нос и приземлиться на спину волны, а не на её нос.
5. Смотрите вперёд на более высокие волны. Волны приходят группами (сериями); сбросьте скорость до прихода самых больших.

Боковое волнение

Когда волны идут на траверзе, лодка качается, и большая обрушивающаяся волна на траверзе может опрокинуть маломерное судно.

• Следите за обрушивающимися гребнями с наветренной стороны. Если приближается большой бурун, поверните нос (или корму) к нему, чтобы он не пришёлся на траверз.
• Идите зигзагом поперёк моря, чередуя короткие галсы с волнами на носу и на четверти, а не идите на волнах всё время на траверзе.
• Держите дифферент лодки соответствующим поведению волн, а вес экипажа — низко и по центру.

Попутное волнение

Попутное волнение сначала кажется лёгким, потому что движение мягче. На самом деле для быстроходной лодки это самое опасное волнение из-за риска лага (broaching).

Как происходит лаг. Волна, идущая с кормы, поднимает корму. Нос вгоняется в спину впереди идущей волны или во впадину. Нос зацепляется за воду (рулит носом), а корма, находящаяся на гребне, почти не имеет сцепления. Лодку разворачивает боком, она оказывается лагом к волне, и следующая волна может её опрокинуть или залить.

Как управлять на попутном волнении:

1. Слегка отожмите дифферент, чтобы нос оставался поднятым.
2. Держитесь на спине впереди идущей волны. Подстройте скорость под неё, и ваш нос должен быть чуть позади гребня.
3. Не обгоняйте волну впереди. Если вы перевалите через её гребень, вы скатитесь по её крутому фронту во впадину, а следующая волна поднимет вашу корму: классический лаг.
4. Не давайте волне сзади догнать себя. Держите запас мощности, чтобы оставаться впереди обрушивающегося гребня сзади.
5. Регулярно смотрите назад или поручите это наблюдателю.

Работа газом: краткая сводка

Удар о воду и травмы пассажиров

Почему удар травмирует людей

Когда быстроходная лодка срывается с волны, корпус ударяется о воду и почти мгновенно останавливает падение. Всякий, кто сидит на жёстком сиденье, вдавливается в него с силой. Позвоночник принимает на себя нагрузку, и при достаточно сильном ударе возможны компрессионные переломы позвонков, обычно в пояснице. Люди с имеющимися проблемами со спиной, пожилые люди и беременные женщины находятся в группе повышенного риска. Повторяющиеся более слабые удары и вибрация всего тела вызывают утомление и травмы, проявляющиеся в долгосрочной перспективе: MCA рассматривает воздействие ударов и толчков на маломерные суда в MGN 436.

Где нагрузки наибольшие

Вертикальное ускорение при ударе о воду гораздо больше на носу, чем на корме, потому что лодка дифферентует относительно точки, смещённой к корме от миделя. Нос одновременно поднимается выше и опускается ниже. На схеме ниже показано действие ударов на пассажирский RIB.

Click to zoom

Бюллетень безопасности MAIB 3/2023

7 июня 2023 года RIB для морских сафари, перевозивший 12 пассажиров и 2 членов экипажа, отошёл от причала и после инструктажа по безопасности увеличил скорость в неспокойном море. RIB встретил крутую волну, сорвался с неё и ударился о впадину. Пассажир на переднем сиденье был подброшен вверх и получил травму позвоночника, в результате которой был парализован ниже пояса.

MAIB выпустило Бюллетень безопасности 3/2023 в сентябре 2023 года. Его основные выводы:

• Пассажиры, сидящие в передней части RIB, подвергаются значительно более высокому риску переломов позвоночника независимо от скорости.
• Сидящие пассажиры могут почти не понимать того, как будет двигаться лодка и как уменьшить её воздействие.

MAIB настоятельно рекомендовало владельцам и операторам небольших коммерческих пассажирских судов срочно пересмотреть свою деятельность и оценку рисков, а также привести инструктажи пассажиров в соответствие с действующими рекомендациями, включая добровольный Кодекс практики RYA по безопасности пассажиров на малых коммерческих быстроходных судах и на экскурсионных прогулках, и MGN 436.

Этот бюллетень последовал за несколькими похожими происшествиями. Выводы применимы к любой быстроходной лодке с людьми на борту, а не только к коммерческим рейсам.

Размещение и упор

• Сажайте пассажиров за пультом (кормовее консоли), где движение наименьшее. На скорости держите передние сиденья свободными или используйте их только на спокойной воде и на малой скорости.
• Седла для езды верхом (jockey seats, сидения-седла) позволяют принимать толчок через согнутые колени и ступни, а не через позвоночник. Стойте или полусидите с согнутыми коленями, ступни в ремнях или на подставке для ног, обе руки на поручнях.
• Амортизирующие сиденья (подвесные сиденья) снижают пиковые ускорения. Жёсткая скамья или сидение на баллоне этого не делают.
• Никогда не сидите на носовом баллоне на скорости на волнении.
• Используйте инструктаж, чтобы объяснить движение, спросить о проблемах со спиной или о беременности и предложить место ближе к корме или более медленную прогулку.

Управление с заботой об экипаже

• Сбавляйте скорость. Самый важный фактор — скорость входа в волну. Снижение скорости вдвое значительно уменьшает удар.
• Предупреждайте экипаж о больших волнах («волна!»), чтобы они могли упереться.
• Следите за экипажем, а не только за морем. Если людей подбрасывает с сидений, вы идёте слишком быстро.
• Договоритесь о сигнале «сбавить ход», который любой может подать в любой момент, и немедленно его выполняйте.
• Избегайте кильватерных волн других лодок на скорости; проходите их под углом после снижения скорости.

Пример: обход мыса при ветре против течения

Вы капитан 7,5-метрового RIB с тремя членами экипажа, огибаете мыс в 10 милях от родного порта. Прогноз: юго-западный ветер 4–5 баллов, состояние моря от слабого до умеренного, значительная высота волны около 1 м. Ваш курс вокруг мыса 090 градусов, затем северо-восток. Атлас приливных течений показывает, что у мыса течение идёт западо-юго-западно со скоростью 3 узла в сизигию, и меняет направление на восточо-северо-восточное в 14:30. Сейчас сизигия.

Оценка моря. В 13:00 течение у мыса идёт в полную силу западо-юго-западно, прямо против юго-западного ветра. Ожидайте короткое, крутое, ломающееся море у мыса, гораздо хуже, чем предполагает прогноз в 1 м. В лоцманском руководстве отмечены перекаты в 1 миле от оконечности при сизигии.

Варианты.

1. Идти сейчас, сбросить скорость и аккуратно пройти неспокойный участок.
2. Переждать в защищённой бухте примерно до 14:30, когда течение развернётся и пойдёт по ветру.
3. Пройти по прибрежному фарватеру, описанному в лоцманском руководстве, если это безопасно для вашей осадки и условий.

Вы решаете дождаться, пока течение сменит направление. В 14:45, когда ветер и течение совпадают, море за мысом стало более ровным, около 1 м, с периодом 5 секунд.

Попутное волнение. Обогнув мыс, вы поворачиваете на северо-восток, и море теперь сзади. Волна периодом 5 секунд имеет скорость около 3 × 5 = 15 узлов и длину около 1,56 × 25 = 39 м. При крейсерской скорости 24 узла вы обгоняли бы каждую волну и рисковали бы скатиться по её фронту. Вы слегка отжимаете дифферент и сбрасываете скорость примерно до 15 узлов, держась на спине волны. Наблюдатель смотрит назад на обрушивающиеся гребни.

Прибытие. Переход занимает больше времени, но лодка и экипаж прибывают сухими, невредимыми и с достаточным запасом топлива. Вот мерило хорошего управления на волнении.

Типичные ошибки

• Планирование только по значительной высоте волны из прогноза и забывание о том, что отдельные волны могут быть почти вдвое выше.
• Игнорирование прилива. Ветер 4 балла против сизигийного течения у мыса может быть опаснее, чем ветер 6 баллов по течению.
• Управление по скорости моря, а не по скорости лодки. Если лодка отрывается от воды, сбросьте скорость.
• Идти на встречную волну строго в нос, а не под углом.
• Обгон гребня впереди идущей волны при попутном волнении, что приводит к лагу.
• Пассажиры на носовых сиденьях на скорости. Именно это и предостерегает Бюллетень безопасности MAIB 3/2023.
• Неслежение за экипажем. Люди, которые сильно упираются, отрываются от сидений или выглядят испуганными, — сигнал сбавить ход.
• Оставленный дифферент и флапы, настроенные для спокойной воды, когда море изменилось.

Итоги

• Высота волны — это расстояние от впадины до гребня, длина — от гребня до гребня, а период — время между гребнями. Волны ломаются при крутизне примерно 1 к 7.
• На глубокой воде длина ≈ 1,56 × T² (м), а скорость ≈ 3 × T (узлы). Быстроходная лодка часто обгоняет ветровые волны.
• Высота волны зависит от силы ветра, разгона, продолжительности, зыби, глубины и прилива. Ожидайте волны почти вдвое выше значительной высоты.
• Ветер против течения укорачивает и делает волны круче; перекаты наиболее опасны при сизигии, при максимальном течении и при ветре против течения. Планируйте проход в период малой воды (слэка) или держитесь в стороне.
• Встречное волнение: поджать дифферент, сбросить скорость, идти на волны под углом 20–40 градусов к носу и работать газом на каждой волне.
• Боковое волнение: зигзаг; никогда не подставляйте борт бурунам.
• Попутное волнение: слегка отжать дифферент, держаться на спине впереди идущей волны, никогда не обгонять её гребень; это предотвращает лаг.
• Силы удара наибольшие на носу. Сажайте пассажиров на корму, упирайтесь с согнутыми коленями, проведите инструктаж и сбавляйте ход. MAIB SB 3/2023 показывает цену ошибки.

Проверьте себя

1. Вы засекли 6 секунд между гребнями, проходящими мимо буя. Какова примерно длина волн и с какой скоростью они движутся?

Ответ: Длина ≈ 1,56 × 36 = около 56 м. Скорость ≈ 3 × 6 = около 18 узлов.

1. Прогноз даёт значительную высоту волны 1,5 м. Какую самую большую волну следует предусмотреть за несколько часов?

Ответ: Примерно вдвое больше значительной высоты, то есть около 3 м. Значительная высота волны — это среднее значение наиболее высокой трети волн, а отдельные волны могут быть намного больше.

1. Почему ветер против течения делает море круче?

Ответ: Волны движутся против течения, которое их замедляет. Они сжимаются: их длина уменьшается, а энергия остаётся прежней или возрастает, поэтому они становятся выше и круче и могут обрушиться.

1. Когда перекаты обычно наиболее опасны?

Ответ: При сизигийных приливах, при максимальной скорости течения (примерно через три часа после малой воды (слэка)) и когда ветер направлен против течения.

1. Опишите технику работы газом для короткого крутого встречного волнения.

Ответ: Слегка поджать дифферент, сбросить скорость и идти на волны под углом 20–40 градусов к носу. На каждой волне добавить газ, чтобы взойти на склон, снять его непосредственно перед гребнем, чтобы нос не взлетел, затем снова добавить, когда лодка перевалит через гребень, чтобы поднять нос и приземлиться на спину волны.

1. Объясните, как происходит лаг на попутном волнении.

Ответ: Волна сзади поднимает корму, а нос опускается в спину впереди идущей волны или во впадину. Нос зацепляется за воду, а корма, находящаяся высоко на гребне, теряет сцепление; лодку разворачивает боком, и она оказывается лагом к волне, где её может опрокинуть или залить.

1. Как управлять на попутном волнении, чтобы избежать лага?

Ответ: Слегка отжать дифферент, чтобы нос оставался поднятым, соответствовать скорости волн и держаться на спине впереди идущей волны, не обгоняя её гребень. Держать запас мощности, чтобы оставаться впереди обрушивающейся волны сзади, и вести наблюдение назад.

1. Какие два ключевых вопроса безопасности были выявлены в Бюллетене безопасности MAIB 3/2023?

Ответ: Пассажиры, сидящие в передней части RIB, подвергаются значительно более высокому риску переломов позвоночника независимо от скорости, а сидящие пассажиры могут почти не понимать движения лодки и того, как уменьшить его воздействие.

1. Назовите четыре способа снизить риск травмы позвоночника у пассажиров быстроходного RIB.

Ответ: Сажать пассажиров кормовее консоли и оставлять носовые сиденья свободными на скорости; использовать сиденья-седла или амортизирующие сиденья с согнутыми коленями и упёртыми ногами; проводить инструктаж о движении и спрашивать о проблемах со спиной или беременности; сбавлять ход на волнении и предупреждать о больших волнах; немедленно выполнять любой сигнал «сбавить ход».

Дополнительная литература

• Бюллетень безопасности MAIB 3/2023, серьёзная травма пассажира на быстроходном RIB
• MCA, Passenger Safety on Small Commercial High Speed Craft (кодекс практики), и MGN 436 (M+F) о вибрации всего тела
• RYA Advanced Powerboat Handbook (G108)
• RYA Powerboat Handbook (G13)
• RYA Weather Handbook (G1), Chris Tibbs
• R.M. Frampton and P.A. Uttridge, Meteorology for Seafarers (Brown, Son and Ferguson)
• Reeds Nautical Almanac (Adlard Coles), по приливным гонкам и перекатам