Остойчивость яхты

Предварительные требования

• Знания уровня Day Skipper о конструкции яхты, типах килей и регулировке парусов, а также опыт, необходимый для записи на курс Coastal Skipper (15 дней, 2 из них в роли шкипера, 300 миль, 8 ночных часов).
• Базовая арифметика: умножение и деление, а также понятие момента (вес, умноженный на его расстояние от оси вращения).
• Некоторый опыт того, как ваша лодка кренится и выравнивается при ветре.

Программа Yachtmaster Coastal ожидает от шкипера качественного понимания остойчивости и умения применять его в практических решениях: как загружать и размещать груз на лодке, как управлять танками, когда уменьшать парусность и какие морские условия угрожают повалу или опрокидыванию. От вас не потребуют кораблестроения, но вы должны уметь объяснить GM, GZ, кривую остойчивости и угол исчезающей остойчивости.

Цели обучения

Этот урок охватывает тему RYA Yachtmaster Coastal shorebased syllabus «Остойчивость и загрузка» (распределение массы, понимание остойчивости, расчёты загрузки) на том практическом уровне, которого требует программа. К концу урока вы сможете:

• Определить центр тяжести (G), центр величины (B) и метацентр (M) и объяснить, как они создают восстанавливающий момент (программа: понимание остойчивости).
• Объяснить метацентрическую высоту (GM) и плечо восстанавливающего момента (GZ), а также разницу между остойчивой и «мягкой» яхтой (программа: GM и начальная остойчивость).
• Читать диаграмму GZ и определять максимальное плечо восстанавливающего момента, угол исчезающей остойчивости (AVS) и диапазон положительной остойчивости.
• Объяснить угол заливаемости и почему он может ограничивать безопасный крен до AVS.
• Описать влияние загрузки, управления танками, свободной поверхности и палубных грузов на остойчивость и вычислить простой KG (программа: распределение массы и расчёты загрузки).
• Описать влияние затопления на остойчивость и понятие перекрёстного затопления (программа: остойчивость при повреждении).
• Контролировать водоизмещение, осадку и дифферент по мере расхода топлива, воды и запасов (программа: расчёты загрузки, осадка и дифферент).
• Связать остойчивость с состоянием моря, особенно с бортовой волной и обрушивающимися волнами, с категориями проектирования RCD и с данными об остойчивости в руководстве владельца.

Основные силы: G и B

Плавающая яхта подвергается действию двух сил:

• Вес, действующий строго вниз через центр тяжести, G: средняя точка всей массы лодки, включая киль, корпус, такелаж, двигатель, запасы и экипаж.
• Плавучесть, действующая строго вверх через центр величины, B: центр объёма воды, вытесненной корпусом. Плавучесть равна весу, когда лодка плавает свободно.

Когда лодка стоит прямо и неподвижно, G и B лежат на одной вертикальной линии, как показано на схеме.

Click to zoom

G остаётся неподвижным относительно корпуса, пока не смещаются грузы (экипаж, вода в трюме, незакреплённые запасы, жидкости в танках). B не фиксирован: когда лодка кренится, форма погружённой части меняется, и B смещается к подветренному борту.

Плечо восстанавливающего момента (GZ)

Когда яхта накреняется, B смещается под ветер, а G остаётся на месте. Вес, действующий вниз через G, и плавучесть, действующая вверх через B, теперь смещены по горизонтали. Горизонтальное расстояние между линиями действия этих двух сил — это плечо восстанавливающего момента, GZ. Две силы образуют пару, которая стремится вернуть лодку в вертикальное положение.

Click to zoom

Восстанавливающий момент — это водоизмещение, умноженное на GZ. Например, яхта водоизмещением 8 тонн с GZ 0,35 м при крене 30 градусов имеет восстанавливающий момент 8 x 0,35 = 2,8 тонно-метра. Чтобы накренить её дальше, ветер через паруса должен создать кренящий момент больше этого.

Это объясняет, почему:

• Тяжёлая лодка с глубоким килём хорошо держит парусность: большое водоизмещение и низкий G дают большие восстанавливающие моменты.
• Экипаж, сидящий на наветренном релинге, увеличивает восстанавливающий момент, перемещая G под ветер.
• Широкая, лёгкая, плоскодонная лодка имеет большую начальную жёсткость за счёт формы (B далеко смещается при крене), но может быстро потерять остойчивость при больших углах.

Метацентр и метацентрическая высота (GM)

При малых углах крена (примерно до 10–15 градусов) вертикальная линия, проведённая вверх от нового положения B, пересекает диаметральную плоскость лодки в почти неизменной точке — метацентре, M. Расстояние от G вверх до M — это метацентрическая высота, GM.

При малых углах GZ приблизительно равно GM, умноженной на синус угла крена. Таким образом, GM показывает, насколько сильно лодка сопротивляется первым градусам крена:

Типичные крейсерские яхты имеют GM около 0,5–1,5 м в зависимости от конструкции. Период качки даёт практическую подсказку: быстрое резкое качание говорит о большом GM, длинное ленивое — о меньшем. Если лодка, которая обычно качается бодро, начинает качаться медленно и «зависать» в конце каждого размаха, что-то подняло G или уменьшило площадь ватерлинии: вода в лодке, тяжёлый груз на палубе или лёд на такелаже в высоких широтах.

GM — это лишь показатель начальной остойчивости. Лодка может быть очень жёсткой при малых углах и всё же иметь плохой диапазон остойчивости, поэтому нужна полная кривая GZ.

Кривая GZ и угол исчезающей остойчивости

Построение GZ в зависимости от угла крена от 0 до 180 градусов даёт кривую остойчивости.

Чтение кривой:

• Наклон в начале координат отражает GM: чем круче начальный наклон, тем жёстче лодка.
• Максимальный GZ обычно достигается при крене примерно 30–40 градусов для современной крейсерской яхты (больше — для узких, тяжёлых лодок с глубоким балластом). За этим углом восстанавливающий момент уменьшается по мере дальнейшего крена, поэтому порыв, который толкает лодку за максимум GZ, встречает меньшее сопротивление.
• Угол исчезающей остойчивости (AVS) — это точка, где GZ возвращается к нулю. За пределами AVS плечо восстанавливающего момента становится отрицательным: лодка продолжит опрокидываться и застынет перевёрнутой.
• Диапазон положительной остойчивости — от 0 градусов до AVS.
• Площадь под положительной частью кривой представляет энергию, необходимую для опрокидывания лодки; площадь под отрицательной частью — энергию, необходимую, чтобы опрокинуть её обратно из перевёрнутого положения. Их отношение показывает, насколько быстро она выпрямится после переворота.

Типичные значения AVS: многие современные серийные крейсеры — около 110–130 градусов; тяжёлые, узкие традиционные яхты могут превышать 140 градусов. Лодка с AVS ниже примерно 120 градусов может оставаться перевёрнутой заметное время, если её перевернёт обрушившаяся волна; AVS ниже 90 градусов недостаточен для плавания в открытом море.

Категории проектирования RCD и STIX

Лодки, продаваемые в Великобритании и ЕС с 1998 года, оцениваются по Директиве о спортивных судах (Recreational Craft Directive, ныне британские Recreational Craft Regulations). Каждой лодке присваивается категория проектирования, связанная с условиями, для которых она спроектирована:

Для парусных моноКОРПУСНЫХ категория частично зависит от индекса остойчивости (STIX), рассчитываемого по ISO 12217-2, который объединяет диапазон остойчивости, энергию восстановления, длину, водоизмещение и факторы заливаемости и восстановления после повала. Для категории A требуется STIX не менее 32, для категории B — 23. Документация производителя (руководство владельца) показывает категорию и часто кривую GZ: читайте её для той лодки, которой вы управляете.

Угол заливаемости

Угол заливаемости — это угол крена, при котором вода может попасть в корпус через отверстие: открытый люк трапа, ящик в кокпите без уплотнения, вентиляционная труба дорад, открытый носовой люк или воздухозаборник двигателя.

Если лодка наклоняется за этот угол, вода попадает внутрь, добавляет вес (часто высоко и под ветер) и создаёт большую свободную поверхность: остойчивость резко падает задолго до теоретического AVS. При открытом главном люке и снятых шандорах угол заливаемости типичной яхты может составлять всего 35–60 градусов — вполне в пределах досягаемости при повале.

Практические следствия:

• Устанавливайте шандоры и закрывайте главный люк, когда море неспокойно или ночью, и закрепляйте шандоры так, чтобы они не выпали при повале.
• Закрывайте носовой люк и иллюминаторы перед выходом в море.
• Следите, чтобы ящики в кокпите имели защёлки и хорошие уплотнения; кокпит, полный воды, должен стекать через шпигаты кокпита, а не внутрь лодки.
• Считайте пределом реальный угол заливаемости, а не AVS.

Загрузка и распределение массы

G — это точка равновесия всего, что находится на лодке. Каждый вес, который вы добавляете, убираете или перемещаете, меняет её. Добавление веса низко (ниже текущего G) понижает G и увеличивает GM; добавление веса высоко поднимает G и уменьшает GM.

Click to zoom

Click to zoom

Практические правила:

• Размещайте тяжёлые предметы низко и ближе к центру лодки: консервы, ёмкости с водой, инструменты, запасной якорь и цепь.
• Вес на высоте особенно вреден, потому что имеет длинное плечо. Антенна радара, мачтовый рулон для паруса, тяжёлый блок приборов на топе мачты, второй фал, оставленный на топе, или человек на мачте — всё это поднимает G. Один килограмм на топе мачты высотой 14 м влияет на KG так же, как несколько килограммов на палубе.
• Оконечности лодки: вес в носу и корме (цепь в носовом ящике, шлюпка на шлюпбалках, подвесной мотор на транце) мало влияет на поперечную остойчивость, но увеличивает килевую качку и может заставить её зарываться носом. Многие владельцы переносят цепь в корму (в ящик у основания мачты) для переходов.
• Палубные грузы: канистры, привязанные к стойкам леера, лодка на палубе носа, велосипеды на палубе. Они поднимают G, увеличивают парусность, могут сместиться и впитывают воду (промокший чехол для паруса или брезент весит гораздо больше, чем в сухом виде).
• Закрепляйте всё. При повале аккумуляторы, якорь, ящик с инструментами и банки с едой становятся снарядами, а вес, переместившийся под ветер, снижает остойчивость как раз в самый неподходящий момент. Аккумуляторные ящики и настилы пола должны быть зафиксированы.

Расчёт KG

Кораблестроители находят G, вычисляя моменты. KG — это высота G над базовой линией киля (K). Умножьте каждый вес на его высоту над килем, чтобы получить момент; сложите веса и моменты; KG равно суммарному моменту, делённому на суммарный вес. Затем GM = KM минус KG, где KM — высота метацентра над килем, которая определяется формой корпуса (данными конструктора).

Click to zoom

В примере выше лёгкая лодка водоизмещением 3,6 тонны имеет KG 0,81 м. При KM 1,8 м GM составляет 0,99 м. Теперь посмотрим, что произойдёт, когда владелец добавит груз на палубу.

Продолжение: добавляем палубный груз. Владелец крепит к стойкам леера четыре 20-литровые канистры с дизельным топливом (примерно по 17 кг, всего 68 кг) на высоте 2,5 м над килем и кладёт на комингс надувную шлюпку весом 40 кг на высоте 2,4 м.

Новое KG = 3186 / 3708 = 0,86 м. Если KM остаётся около 1,8 м (оно слегка меняется с водоизмещением), новое GM = 1,8 минус 0,86 = 0,94 м. GM упало на 5 см, примерно на 5 процентов, от всего лишь чуть более 100 кг палубного груза. На лёгкой лодке в волнении, вместе с экипажем на палубе и мокрыми парусами, эти эффекты складываются. Если бы канистры были уложены в ящик кокпита на высоте 1,2 м, их момент был бы 82 кг·м вместо 170, то есть их влияние почти уменьшилось бы вдвое.

Эффект свободной поверхности

Полностью заполненный танк ведёт себя как твёрдый груз. Частично заполненный танк позволяет жидкости переливаться на низкий борт, когда лодка кренится. Смещённый вес действует под ветер и снижает GZ так же, как если бы G было поднято. Это и есть эффект свободной поверхности, при котором эффективный (виртуальный) подъём G зависит в основном от ширины свободной поверхности (он меняется пропорционально кубу ширины танка), а не от количества жидкости.

Практические правила:

• По возможности держите танки полными или пустыми. Используйте один танк за раз, а не черпайте из всех сразу, чтобы только у одного танка была свободная поверхность.
• Перегородки в танках уменьшают плескание и динамические нагрузки, но не устраняют эффект.
• Трюмная вода — худшая свободная поверхность, потому что она тянется по всей ширине корпуса. Держите трюм сухим: несколько сотен литров воды, плещущейся по полу каюты, могут резко снизить остойчивость, и именно так лодка, набирающая воду, может опрокинуться раньше, чем утонет.
• Остойчивость при повреждении: если лодка пробита, затопленный отсек добавляет вес и свободную поверхность. Водонепроницаемые переборки (обычны на крупных яхтах с форпиковым отсеком) ограничивают объём затопления.

Расходуемые запасы и состояние в конце рейса

По мере расхода топлива, питьевой воды и продуктов вес уходит из лодки. Если эти грузы были низко (танки под полом каюты), G поднимается по мере их расходования. Планируйте на худшее состояние, обычно ближе к концу перехода, когда танки почти пусты и частично заполнены (свободная поверхность), а экипаж устал. В долгих переходах поэтому некоторые шкиперы заполняют пустой водяной танк забортной водой в качестве балласта или держат топливо в канистрах низко, а не на палубе.

Остойчивость и море

Статическая остойчивость показывает, как лодка сопротивляется постоянной кренящей силе. В море порывы ветра и волны создают динамические нагрузки.

Click to zoom

• Порывы: порыв может быть примерно в 1,5 раза сильнее среднего ветра, а поскольку сила ветра растёт с квадратом скорости, порыв в 1,5 раза создаёт более чем вдвое большую кренящую силу. Берите рифы по порывам, а не по среднему ветру.
• Обрушивающиеся бортовые волны — главная угроза опрокидывания яхт. Исследования после гонки Фастнет 1979 года показали, что обрушивающаяся волна высотой около 30 процентов длины лодки может положить типичную яхту горизонтально, а волна около 55 процентов может перевернуть многие лодки на 180 градусов. Для яхты длиной 10 м это обрушивающиеся волны высотой всего 3 м и 5,5 м соответственно — такие волны возникают при шторме над приливным течением или на мелководье.
• Попутное волнение может вызвать развал (лодка разворачивается лагом и её кладёт) или, в экстремальных условиях, перевёртывание через нос (пичполинг). Важны контроль скорости и удержание кормы против волн.
• Ветер против течения, мелеющая вода и мысы делают волны круче и заставляют их обрушиваться. Это места, вокруг которых должен планировать Coastal Skipper.

Снижение риска: рано уменьшайте парусность, держите лодку в движении под контролем, избегайте положения лагом к обрушивающимся волнам (принимайте их на траверзе кормы или на носу), избегайте приливных стремнин и бурунов при сильном ветре, держите груз низко, люки закрытыми, шандоры установленными, а экипаж пристёгнутым.

Многокорпусные суда

Катамараны и тримараны имеют очень большую начальную остойчивость за счёт ширины, но их кривая GZ достигает максимума при малом угле (часто 10–15 градусов), а затем падает; когда один корпус поднимается достаточно высоко, чтобы пройти эту точку, опрокидывание может произойти быстро, а опрокинутый многокорпусник устойчив вверх килем. Их паруса нужно рифить в зависимости от силы ветра, а не по углу крена, потому что они мало предупреждают об опасности накреном.

Остойчивость при повреждении и затоплении

Программа требует понимать, что делает затопление с яхтой. При попадании воды в корпус одновременно происходят три вещи.

1. Добавленный вес. Каждый литр воды — это килограмм. Сто литров в трюме яхты водоизмещением 6 тонн составляют всего около 1,7 процента её водоизмещения, но они лежат низко, поэтому влияние на KG невелико; лодка садится глубже, а её надводный борт уменьшается.
2. Свободная поверхность. Вода, свободно перемещающаяся по полу каюты, ведёт себя как частично заполненный танк, описанный выше, но с максимально широкой поверхностью. Обычно это доминирующий эффект: он резко снижает GM, и часто незаметно.
3. Уменьшение запаса плавучести. По мере того как лодка оседает, угол заливаемости уменьшается, и кромка палубы уходит под воду при меньшем угле крена. Чем больше она заливается, тем легче заливается дальше.

Затопленная яхта может опрокинуться раньше, чем утонет. Если лодка набирает воду, порядок приоритетов таков: остановить или уменьшить поступление (закрыть кингстон, заглушить или перекрыть лопнувший шланг, положить противотечную накладку на пробоину), начать откачку (электрическим насосом, затем ручной помпой, затем вёдрами) и не давать воде перетекать на один борт, выравнивая лодку и держа экипаж по центру. Уменьшите парусность и скорость, чтобы снизить нагрузку на повреждённый нос.

Перекрёстное затопление и водонепроницаемое деление

Большие яхты и многие моторсейлеры имеют водонепроницаемые переборки, например таранную переборку в носу, которые ограничивают объём, способный затопиться. Если затопленный отсек находится только с одного борта, лодка будет крениться. Кораблестроители используют перекрёстное затопление (отверстие, которое намеренно пропускает воду на другой борт), чтобы ограничить крен. На небольшой яхте практический вывод проще: знайте, где ваши переборки, действительно ли они водонепроницаемы (дверь с зазором — нет) и какие помещения затопятся первыми через повреждённую арматуру корпуса или разбитое окно.

Практические проверки

• Знайте положение каждого кингстона и держите рядом с каждым конический деревянный пробку, привязанную к нему.
• Проверяйте шланги и хомуты в начале сезона. Лопнувший шланг шпигата кокпита или шланг забора воды двигателя — самая частая причина серьёзного затопления.
• Проверяйте трюмные помпы и знайте их производительность в литрах в минуту. Ручная помпа перекачивает примерно 20–30 литров в минуту для крепкого человека; ведро часто оказывается быстрее.
• Установите в трюме датчик высокого уровня воды, чтобы узнать о затоплении раньше, чем вода доберётся до аккумуляторов.

Водоизмещение, осадка и дифферент

Расчёты загрузки по программе охватывают отслеживание веса на борту в течение перехода и поддержание дифферента.

Контроль водоизмещения

Водоизмещение — это общий вес лодки, оборудования, топлива, воды, запасов и экипажа. Производители указывают лёгкое водоизмещение и часто загруженное; крейсерская яхта обычно сидит на 10–20 процентов глубже цифры из буклета, когда она оснащена плотом, якорем, цепью, шлюпкой, подвесным мотором, аккумуляторами и месячным запасом снаряжения. Эффект можно оценить по правилу: дополнительный вес (в тоннах), делённый на тонны на сантиметр осадки (TPC) по ватерлинии, даёт дополнительную осадку в сантиметрах. Для типичного крейсера длиной 10 м TPC составляет около 0,15 тонны на сантиметр, поэтому 300 кг запасов углубят её на 2 см. Это небольшая величина, но те же 300 кг, стоящие в корме, поднимают корму и меняют дифферент, а наихудшие эффекты проявляются именно в оконечностях лодки.

Вес также уходит из лодки. В долгом переходе может быть израсходовано 100 литров дизеля (около 85 кг) и 200 литров воды (200 кг). Если эти танки были в корме, нос теперь будет сидеть ниже, а если они были низко у киля, эффект на G — его слегка поднимает. Проверяйте дифферент через несколько дней и переставляйте снаряжение, чтобы его выровнять.

Осадка и дифферент

Читайте уровень воды по линии борта (бутлайн) или по маркам осадки, если они установлены. Яхта с дифферентом на корму тащит широкий след, меньше бьёт, но хуже управляется на попутном курсе; яхта с дифферентом на нос сильнее дифферентуется, зарывается носом в волну против и больше заливается. Стремитесь к расчётной ватерлинии конструктора: линии бутлайна на носу и корме примерно на одинаковой высоте над водой. Самые простые исправления — перемещение тяжёлых предметов (якорная цепь, канистры с водой, запасы) вперёд и назад, пока лодка не будет сидеть ровно.

Грузовые марки

Программа также упоминает знание грузовой марки. Коммерческие суда несут грузовую марку (марку Плимсолла), показывающую максимальную допустимую осадку в разных водах и в разное время года. Прогулочная яхта её не несёт, но судно, классифицированное по Кодексу малых коммерческих судов MCA, должно иметь марку надводного борта, и принцип тот же: не перегружайте лодку и держите её значительно выше минимального надводного борта.

Чтение руководства владельца и заводской таблички

Каждое спортивное судно, проданное в Великобритании или ЕС с 1998 года, имеет заводскую табличку с категорией проектирования, максимально рекомендуемой нагрузкой (включая экипаж) и максимальным числом людей. Проверяйте три вещи для любой яхты, которой вы управляете:

1. Категория проектирования (A, B, C или D) соответствует переходу. Лодка категории C не спроектирована для перехода через Северное море в шторм, как бы хорошо она ни была оснащена.
2. Максимальная нагрузка не превышена. Эта цифра включает запасы, топливо, воду, снаряжение и экипаж; её легко превысить на чартерной яхте с полным экипажем и полными танками.
3. Данные об остойчивости: опубликованная кривая GZ или значение AVS. Некоторые производители публикуют номер STIX, многие указывают только категорию. Если вы арендуете яхту, спросите.

Полезный полевой тест: период качки

На борту нельзя напрямую измерить GM, но можно почувствовать изменение. Когда лодка стоит на бочке при слабом ветре, толкните гик или ванты, чтобы начать качку, затем засеките, сколько времени занимает один полный размах (борт к борту и обратно). Запишите это в судовой журнал. Заметно более длинный период качки после загрузки означает, что G поднялось и GM упало; более короткий период означает обратное. Формула, которую используют кораблестроители: GM пропорционально единице, делённой на квадрат периода качки, поэтому если период качки увеличился на 20 процентов, GM упало примерно на 30 процентов.

Остойчивость и экипаж

Экипаж — это вес, и он двигается. Четыре-пять взрослых на наветренном релинге яхты длиной 10 м могут создать значительный восстанавливающий момент, но те же люди, стоящие на подветренной палубе при качке, или все вместе в кокпите, поднимают G и добавляют вес на корму. В сильную погоду держите на палубе минимальное число людей, пристёгнутых страховкой, а остальных — низко в лодке. В аварийной ситуации переместите экипаж на высокий борт накренившейся лодки, чтобы помочь выравниванию.

Ещё один фактор — усталость. Уставший экипаж принимает плохие решения о парусах, а поздний риф — самая частая предотвратимая причина повала. Остойчивость — свойство лодки, но решение взять риф принимает экипаж. Практическое правило: берите риф, как только впервые подумали об этом.

Второй разобранный пример: восстанавливающий момент и площадь парусов

Яхта водоизмещением 9 тонн имеет GZ 0,40 м при крене 25 градусов. Какой кренящий момент от ветра уравновешивает её при этом угле?

• Восстанавливающий момент = 9 тонн x 0,40 м = 3,6 тонно-метра.
• В равновесии кренящий момент = восстанавливающему моменту = 3,6 тонно-метра.

Теперь порыв поднимает скорость ветра с 20 до 30 узлов. Сила ветра пропорциональна квадрату скорости, поэтому кренящая сила возрастает в (30/20) в квадрате = 2,25 раза. Кренящий момент становится примерно 3,6 x 2,25 = 8,1 тонно-метра, если паруса остаются в том же положении. При 25 градусах лодка может создать только 3,6, поэтому она должна накрениться гораздо сильнее. Допустим, максимальный GZ составляет 0,55 м при 35 градусах; максимальный восстанавливающий момент тогда 9 x 0,55 = 4,95 тонно-метра — всё равно намного меньше 8,1. Лодка ляжет на борт, паруса начнут хлопать, и рулевой должен немедленно уварачиваться или отдать шкоты. Именно поэтому важно брать риф по порыву, а не по среднему ветру: зарифленный грот в том же порыве вдвое уменьшает площадь и кренящий момент, возвращая его ниже 4,95.

Эта упрощённая модель не учитывает того, что паруса теряют тягу по мере крена и такелаж опускается ниже. Тем не менее она показывает принцип, который хочет услышать экзаменатор: двукратное увеличение скорости ветра увеличивает силу в четыре раза, и у лодки есть жёсткий предел восстанавливающего момента, который она может создать.

Советы для экзамена и практики

• Экзаменаторы и инструкторы ожидают, что вы объясните G, B, M, GM и GZ с помощью наброска и скажете, что происходит с каждым из них, когда вес добавляется высоко или низко.
• Будьте готовы ответить на вопрос о загрузке: «Где бы вы разместили 200 кг консервов и почему?» (Низко, в ящиках по диаметральной плоскости ближе к середине лодки, закреплённых ремнями.)
• Умейте объяснить, почему вы держите танки полными или пустыми и почему откачиваете трюм досуха перед переходом.
• Знайте категорию RCD лодки, которой вы управляете, и что она означает.
• Скажите, что практическим пределом является угол заливаемости, а не AVS, и объясните, что вы делаете, чтобы его увеличить (закрыть люки, установить шандоры, закрыть вентиляцию).

Разобранный пример: подготовка яхты к ветреному переходу

Вы шкипер крейсера 10,5 м, категория B, AVS 118 градусов по руководству владельца. Прогноз на завтрашний переход в 35 миль: юго-западный 5–6 баллов, временами позже 7, волнение умеренное или сильное. Лодка только что вернулась из двухнедельного круиза.

Инвентаризация: якорная цепь (60 м калибра 8 мм, около 85 кг) лежит в носовом ящике; четыре полные канистры закреплены на палубе; надувная шлюпка надута на палубе носа; основной водяной танк наполовину полон; в трюме 20 литров воды.

Действия:

1. Переложите канистры в ящик кокпита и закрепите их; сдуйте шлюпку и уберите её вниз или в ящик.
2. Уложите около 30 м цепи в трюм у основания мачты, чтобы уменьшить вес в носу.
3. Откачайте трюм досуха и найдите источник воды.
4. Заполните водяной танк (или опорожните его полностью, если второй танк полон).
5. Закрепите аккумуляторы, настилы пола и тяжёлые ящики. Закройте и застопорите носовой люк и все иллюминаторы.
6. В сильную погоду установите шандоры и на переходе всегда держите нижние шандоры на месте.

План парусов: поскольку порывы могут достигать 7 баллов (28–33 узла), планируйте идти под двумя рифами и частично зарифлённым генуэзом с начала открытого участка, а не брать рифы на носовой палубе при нарастающем волнении.

Маршрут: запланированный маршрут проходит мимо мысовой стремнины в то время, когда течение будет идти против ветра. Перенесите выход так, чтобы пройти в час стояния воды, либо проложите маршрут в 3 милях от стремнины в море.

Эти действия снижают G, устраняют свободную поверхность, увеличивают угол заливаемости и держат лодку вне волн, которые с наибольшей вероятностью обрушатся. Ни один пункт списка не требует калькулятора; нужно понимание принципов.

Дополнительные подробности из литературы по остойчивости

Значения STIX и пороги категорий проектирования

Индекс остойчивости — это единственное число, которое обобщает несколько свойств остойчивости по ISO 12217-2. Минимальный STIX для каждой категории проектирования: A — 32, B — 23, C — 14 и D — 5. STIX — это не вся картина: ISO 12217-2 также задаёт минимальные значения угла исчезающей остойчивости (примерно 130 градусов или больше для лодок категорий A и B типичного размера, с меньшими значениями для меньших или менее подверженных воздействию категорий), высоты и угла заливаемости и восстановления после повала. Высокий STIX у лодки с низким углом заливаемости означает слабый запас безопасности, поэтому всегда читайте это число вместе с другими данными из документации производителя.

Кренящий момент от ветра и почему важны порывы

Сила ветра на парусе пропорциональна квадрату кажущейся скорости ветра. Удвоение скорости ветра с 20 до 40 узлов, таким образом, увеличивает кренящую силу в четыре раза; переход с 15 до 30 узлов даёт то же самое. Кренящий момент — это эта сила, умноженная на высоту центра парусности над центром бокового сопротивления, поэтому уменьшение площади парусов и понижение центра парусности (взятие рифа на грот, переход на меньший стаксель) снижает кренящий момент гораздо сильнее, чем подсказывает одна лишь потеря площади. Лодка, которая комфортно идёт при 18 узлах под полными парусами, нуждается примерно в четверти площади при 36 узлах, чтобы выдержать тот же кренящий момент.

Лодка устанавливается под таким углом крена, при котором восстанавливающий момент равен кренящему. Если порыв настолько силён, что кренящий момент превышает максимальный восстанавливающий момент, угла равновесия нет, и лодка ложится до тех пор, пока паруса не отдадут ветер или мачта не коснётся воды. Поэтому повал может произойти в шквале задолго до того, как AVS станет актуальным, и поэтому нужно брать риф заранее, а не полагаться на запасы остойчивости лодки.

Формула скрининга опрокидывания

Простое эмпирическое правило из Offshore Racing Congress — это Формула скрининга опрокидывания (Capsize Screening Formula, CSF):

CSF = максимальная ширина (м), делённая на кубический корень из объёма водоизмещения (м3)

Значение 2,0 или меньше считается приемлемым для яхты открытого моря; большие значения указывают на широкую, лёгкую лодку, более уязвимую к переворачиванию обрушивающейся волной.

Пример: яхта водоизмещением 8000 кг с максимальной шириной 3,8 м. Объём водоизмещения в морской воде = 8000 / 1025 = 7,8 м3. Кубический корень из 7,8 равен 1,98. CSF = 3,8 / 1,98 = 1,92, что меньше 2,0, то есть приемлемо. Более лёгкая яхта водоизмещением 5000 кг (4,9 м3, кубический корень 1,70) при той же ширине даёт 3,8 / 1,70 = 2,24, что выше ориентира.

Тест на наклонение и измерение остойчивости

Строители и сюрвейеры определяют реальное положение G с помощью теста на наклонение: известный груз перемещают на измеренное расстояние поперёк судна, и полученный угол крена (измеренный длинным маятником или инклинометром) даёт GM. Связь выражается формулой GM = (w x d) / (W x tg угла крена), где w — перемещённый вес, d — расстояние перемещения, W — водоизмещение. Результат служит отправной точкой для кривой GZ. Если вы внесли крупные изменения (тяжёлая новая арка для радара, плот на комингсе, мачта с рулонным парусом, дополнительные аккумуляторы), опубликованные цифры больше не применяются точно, поэтому считайте любую модификацию потерей запаса остойчивости.

Динамическая остойчивость и влияние волны

Лодка сопротивляется опрокидыванию, поглощая энергию, которая представлена площадью под кривой GZ. Обрушивающаяся волна передаёт энергию внезапно, и угол крена и качки, которого достигает лодка, зависит от того, сколько энергии приходится на доступную площадь. Лодка с большей площадью под своей кривой (выше GM, больший диапазон) нуждается в большей волне, чтобы её перевернуть. Состояние моря, при котором волны обрушиваются с высотой более примерно половины длины лодки, — признанная угроза опрокидывания, поэтому тест Фастнет 1979 года и последующие исследования сосредоточились на высоте обрушивающейся волны относительно размера лодки.

Разобранный пример: подвесные грузы и влияние на KG

Яхта имеет водоизмещение 6000 кг, KG 1,00 м и KM 2,30 м, то есть GM = 1,30 м. Экипаж навешивает на транец подвесной мотор 40 кг на высоте 2,5 м над килем и кладёт на палубу борта две 25-литровые канистры с топливом (всего 50 кг), закреплённые на высоте 1,5 м.

1. Моменты: 6000 x 1,00 = 6000; 40 x 2,5 = 100; 50 x 1,5 = 75. Итого = 6175 кг·м.
2. Новое водоизмещение = 6090 кг.
3. Новое KG = 6175 / 6090 = 1,014 м.
4. Новое GM (при неизменном KM) = 2,30 - 1,014 = 1,286 м, потеря около 1 процента.

Эффект одного предмета мал, и в этом опасность: десять небольших добавлений при переоборудовании могут снизить GM на 10 процентов и более, и никто этого не заметит. Если бы подвесной мотор был уложен в ящик кокпита, а топливо — низко в ящике кокпита, большая часть этого запаса сохранилась бы.

Типичные ошибки

Click to zoom

• Размещать тяжёлое снаряжение на палубе или высоко в ящиках. Держите тяжёлые предметы низко и по центру.
• Ходить с наполовину полными танками и мокрым трюмом. Свободная поверхность фактически поднимает G; используйте один танк за раз, держите трюм сухим.
• Игнорировать расход запасов. Планируйте на состояние в конце перехода.
• Считать AVS пределом. Заливаемость обычно наступает первой. Держите люки и шандоры закрытыми.
• Незакреплённые палубные грузы. Они смещаются, впитывают воду и добавляют парусность.
• Ложиться лагом к обрушивающимся волнам. Это самая опасная ориентация для опрокидывания.
• Считать жёсткую лодку мореходной. Высокая начальная остойчивость (GM) не гарантирует хорошего диапазона остойчивости.

Итоги

• G — центр всего веса; B — центр подводного объёма, и при крене он смещается к низкому борту.
• Плечо восстанавливающего момента GZ — горизонтальное расстояние между силами веса и плавучести; восстанавливающий момент равен водоизмещению, умноженному на GZ.
• GM, высота M над G, определяет начальную остойчивость: большой GM — жёсткая лодка, малый GM — мягкая, отрицательный GM — неустойчивая.
• Кривая GZ показывает максимальный GZ (обычно 30–40 градусов) и AVS (часто 110–130 градусов для современных яхт). За пределами AVS лодка опрокидывается.
• Угол заливаемости часто значительно меньше AVS и является практическим пределом.
• Держите груз низко и по центру, избегайте веса на высоте и на палубе, держите танки полными или пустыми, трюм сухим и всё закреплённым.
• Обрушивающиеся бортовые волны высотой примерно 30–55 процентов длины лодки могут положить яхту или перевернуть её. Избегайте приливных стремнин и бурунов при сильном ветре.

Проверьте своё понимание

1. Что такое плечо восстанавливающего момента GZ и как вычисляется восстанавливающий момент?

Ответ: GZ — это горизонтальное расстояние между линией действия веса через G и линией действия плавучести через B, когда лодка накренена. Восстанавливающий момент равен водоизмещению, умноженному на GZ.

1. Ваша лодка начала качаться медленно и «зависать» в конце каждого размаха. Что могло произойти?

Ответ: GM уменьшилось: G поднялось или эффективное G поднялось, например из-за воды в трюме (свободная поверхность), тяжёлого палубного груза или веса на высоте. Выясните немедленно.

1. Определите угол исчезающей остойчивости.

Ответ: Угол крена, при котором плечо восстанавливающего момента GZ падает до нуля. За его пределами лодка продолжит опрокидываться.

1. Почему лодке может грозить опасность при угле крена, значительно меньшем её AVS?

Ответ: Она может раньше достичь угла заливаемости, при котором вода попадает через открытые люки, вентиляцию или ящики, быстро снижая остойчивость.

1. Яхта водоизмещением 4000 кг имеет KG 0,9 м. Вы добавляете 100 кг на высоте 2,9 м над килем. Каково новое KG?

Ответ: Суммарный момент = 4000 x 0,9 + 100 x 2,9 = 3600 + 290 = 3890 кг·м. Суммарный вес 4100 кг. Новое KG = 3890 / 4100 = 0,95 м, подъём на 5 см.

1. Почему нужно забирать воду только из одного танка за раз?

Ответ: Чтобы только у одного танка в любой момент была свободная поверхность; частично заполненные танки позволяют жидкости смещаться и фактически поднимают G.

1. Какого размера обрушивающаяся волна может положить или перевернуть яхту длиной 12 м согласно исследованиям после гонки Фастнет 1979 года?

Ответ: Примерно 30 процентов длины (около 3,6 м) могут положить её горизонтально; примерно 55 процентов (около 6,6 м) могут перевернуть многие яхты на 180 градусов.

1. Что означает категория проектирования RCD C?

Ответ: Прибрежная: спроектирована для прибрежных вод, больших заливов, устьев и озёр, при ветре до 6 баллов и значительной высоте волны до 2 м.

1. Почему вес на топе мачты гораздо вреднее того же веса на палубе?

Ответ: Подъём G от добавленного веса пропорционален весу, умноженному на его высоту над текущим G. Вес на топе мачты может находиться в десять и более раз дальше над G, чем вес на палубе, и поэтому поднимает G во столько же раз сильнее.

1. Период качки яхты увеличился примерно на 20 процентов после того, как владелец уложил дополнительное снаряжение в кормовые ящики и на палубу. Что это говорит вам и что бы вы сделали?

Ответ: GM упало (примерно на 30 процентов при периоде качки, увеличившемся на 20 процентов), потому что G поднялось, и остойчивость уменьшилась. Найдите тяжёлый или высоко расположенный груз, переместите его низко и по центру или уберите, и заново проверьте период качки.

1. Затопленный пол каюты опаснее для остойчивости, чем тот же объём воды в узком танке. Почему?

Ответ: Вода по всей ширине пола каюты имеет очень широкую свободную поверхность. Эффект свободной поверхности зависит от ширины поверхности, поэтому смещающаяся вода снижает GM гораздо сильнее, чем подсказывал бы один лишь её вес.

1. Порыв ветра поднимает ветер с 20 до 30 узлов. В какое число раз возрастает кренящая сила и каков практический вывод?

Ответ: Сила растёт с квадратом скорости: в 2,25 раза. Берите рифы по порывам, а не по среднему ветру, и сразу отдавайте шкоты или уваривайтесь, если лодку перегружает.