Судно должно быть спроектировано так , чтобы эффективно перемещаться по воде с минимальным внешним воздействием. Тысячи лет проектировщики и строители парусных судов использовали эмпирические правила, основанные на площади сечения миделя, для определения размера парусов для данного судна. Например, форма корпуса и план парусов для клиперов развивались на основе опыта, а не теории. Только с появлением паровой энергии и строительством больших железных судов в середине 19 века судовладельцам и строителям стало ясно, что необходим более строгий подход.
Сопротивление судна определяется как сила, необходимая для буксировки судна на спокойной воде с постоянной скоростью.
Тело в воде, которое неподвижно относительно воды, испытывает только гидростатическое давление. Гидростатическое давление всегда действует, чтобы противостоять весу тела. Общая (восходящая) сила, вызванная этой плавучестью , равна (нисходящему) весу вытесненной воды. Если тело находится в движении, то на тело действуют также гидродинамические давления. Для водоизмещающего судна , которое является обычным типом судна, рассматриваются три основных типа сопротивления: сопротивление, вызванное волнообразованием, сопротивление, вызванное давлением движущейся воды на форму, часто не рассчитываемое или не измеряемое отдельно, и сопротивление, вызванное трением движущейся воды о смоченную поверхность корпуса. Их можно разделить на большее количество компонентов:
Метод Фруда для экстраполяции результатов модельных испытаний на суда был принят в 1870-х годах. Другой метод, созданный Хьюзом, был представлен в 1950-х годах и позже принят Международной конференцией по буксировке танков (ITTC). Метод Фруда имеет тенденцию переоценивать мощность для очень больших судов. [1]
Фруд заметил, что когда судно или модель двигалось с так называемой скоростью корпуса, волновая картина поперечных волн (волн вдоль корпуса) имела длину волны, равную длине ватерлинии . Это означает, что нос судна находился на одном гребне волны, и то же самое было с его кормой. Это часто называют скоростью корпуса, и она является функцией длины судна.
где константу (k) следует принимать как: 2,43 для скорости (V) в кН и длины (L) в метрах (м) или 1,34 для скорости (V) в кН и длины (L) в футах (фт).
Наблюдая это, Фруд понял, что проблема сопротивления судна должна быть разбита на две разные части: остаточное сопротивление (в основном волновое сопротивление) и сопротивление трения. Чтобы получить правильное остаточное сопротивление, необходимо было воссоздать волновой поезд, созданный судном в модельных испытаниях. Он обнаружил, что для любого судна и геометрически подобной модели, буксируемой с подходящей скоростью, что:
Существует фрикционное сопротивление, которое возникает из-за сдвига из-за вязкости. Это может привести к 50% от общего сопротивления в быстрых судах и 80% от общего сопротивления в более медленных судах.
Чтобы учесть сопротивление трения, Фруд решил буксировать ряд плоских пластин и измерить сопротивление этих пластин, которые имели ту же площадь смоченной поверхности и длину, что и модель корабля, а затем вычесть это сопротивление трения из общего сопротивления и получить остаток в качестве остаточного сопротивления.
(Основная статья: Сопротивление трения поверхности ) В вязкой жидкости образуется пограничный слой. Это вызывает чистое сопротивление из-за трения. Пограничный слой подвергается сдвигу с различной скоростью, распространяясь от поверхности корпуса до тех пор, пока не достигнет поля течения воды.
(Основная статья: Волновое сопротивление ) Судно, движущееся по поверхности невозмущенной воды, создает волны, исходящие в основном от носа и кормы судна. Волны, создаваемые судном, состоят из расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся волны наблюдаются как след судна с серией диагональных или косых гребней, движущихся наружу от точки возмущения. Эти волны были впервые изучены Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином , который обнаружил, что независимо от скорости судна они всегда находятся в форме клина в 39° (19,5° с каждой стороны) вслед за судном. Расходящиеся волны не оказывают большого сопротивления движению судна вперед. Однако поперечные волны появляются в виде впадин и гребней по длине судна и составляют большую часть волнового сопротивления судна. Энергия, связанная с системой поперечных волн, распространяется с половиной фазовой скорости или групповой скорости волн. Первичный двигатель судна должен вкладывать дополнительную энергию в систему, чтобы преодолеть этот расход энергии. Соотношение между скоростью судов и скоростью поперечных волн можно найти, приравняв скорость волны и скорость судна.
(Основная статья: Морские движители ) Корабли могут приводиться в движение многочисленными источниками энергии: человеческой , животной или ветровой энергией ( паруса , воздушные змеи , роторы и турбины ), водными потоками, химическим или атомным топливом и накопленным электричеством , давлением, теплом или солнечной энергией , питающими двигатели и моторы . Большинство из них могут приводить в движение корабль напрямую (например, буксировкой или цепью ), с помощью гидродинамических тяговых устройств (например, весла и гребные колеса ) и с помощью гидродинамических подъемных устройств (например, гребные винты или реактивные двигатели ). Существуют также несколько экзотических средств, таких как «рыбий хвост», ракеты или магнитогидродинамические движители .
