Водяные крылья

А. БЕСКУРНИКОВ

Обычное судно плавает на воде по так называемому принципу водоизмещения. Корпус судна строится с таким расчетом, чтобы он вытеснял столько воды, сколько весит само судно, — тогда по закону Архимеда такое судно будет плавать. У такого судна значительная часть корпуса погружена в воду. Легко понять, какую огромную массу воды должно оно переместить при своем передвижении. Огромные волны, идущие от кораблей, — это результат затраты большой энергии мощных судовых машин.

И все же сопротивление воды настолько велико, что скорости современных кораблей намного отстают от скоростей сухопутного и особенно воздушного транспорта. Даже такие быстроходные теплоходы-экспрессы, как «Крым», «Украина», развивают скорость не более 20—25 километров в час. Скорость обычных пароходов увеличивают только за счет того, что повышают мощность машин и делают внешние формы парохода более удобообтекаемыми для воды, или, как говорят, улучшают обводы. И все же это не дает больших результатов, так как сопротивление воды с увеличением скорости растет в такой степени, что повышать дальше мощность судовых машин уже невыгодно.

Но вот появились новые суда — так называемые глиссеры. Их движение по воде основано на совершенно ином принципе: глиссеры не погружаются в воду, а скользят по ней. Дно глиссера состоит из двух наклонных плоскостей, соединенных уступом — реданом. Корма корпуса заканчивается вторым уступом — задним реданом. При быстром движении сила сопротивления воды вследствие такой специальной формы поднимает глиссер на поверхность (глиссер выходит на редан) и он скользит по воде.

Естественно, что глиссер, скользящий по воде, испытывает значительно меньшее сопротивление, чем обычное плавающее судно, поэтому скорость глиссера намного превосходит скорости пароходов. Современные глиссеры могут пройти в час до 200 километров.

Но дальнейшее повышение скорости глиссера очень затруднено, так как глиссеры начинают сильно «трепаться», ударяясь о неровную волнистую поверхность воды. Следовательно приходится опять находить какой-то новый принцип движения судов по воде. Возможно, что такими судами будущего окажутся так называемые «водяные крылья», работы над которыми усиленно ведутся как у нас, так и за границей.

Новое судно имеет реданы — уступы на днище. Мощные авиамоторы вращают винт и создают тягу, которая приводит в движение судно. При известной скорости судно выходит на реданы и скользит некоторое время по поверхности воды, как обычный глиссер. Ниже днища глиссера имеются водяные крылья, схожие по профилю с самолетными. Но размеры этих крыльев примерно в 800 раз меньше самолетных. Почему в 800 раз? А потому, что плотность воды именно в 800 раз больше плотности воздуха. Поэтому одна и та же тяжесть значительно легче поддерживается на крыле в воде, чем в воздухе, —  и водяное крыло может быть по размерам значительно меньшим.

Так вот при дальнейшем увеличении скорости движения судно отрывается своим днищем от воды и скользит по ней уже только на этих маленьких крылышках. Как же это происходит? Обратимся для этого к законам гидродинамики.

Существует теорема Бернулли, из которой следует, что с увеличением скорости движения струи жидкости давление в ней уменьшается. Это можно проверить на опыте.

Через широкую и узкую части трубы в одно и то же время проходит одинаковое количество жидкости. Но скорость перемещения жидкости в узкой части (V₂) будет больше, чем в широкой части (V₁), и притом во столько раз, во сколько площадь сечения широкой части (a-a) больше площади сечения узкой части (b-b).

Пусть какая-либо жидкость течет по трубе, которая в одном месте плавно сужается. Через широкую и узкую части трубы в одно и то же время проходит одинаковое количество жидкости, но скорость перемещения жидкости в более узкой части должна быть больше и притом во столько раз, во сколько площадь сечения широкой части больше площади сечения узкой части.

Если мы теперь просверлим отверстия в различных частях трубы и вставим в эти отверстия вертикальные стеклянные трубочки, то мы сможем наблюдать изменение давления по трубе, сравнивая высоты жидкости в этих трубках. Как показывает опыт, высота жидкости в трубке, вставленной в более узкую часть, будет наименьшей. Иными словами, давление жидкости в узком сечении трубки будет меньше, чем в широком. При некоторой скорости течения жидкости давление в узкой части трубы может оказаться даже ниже атмосферного, и жидкость не только не будет поступать в трубочку, но, наоборот, через последнюю в отверстие трубы будет засасываться снаружи воздух.

Если просверлить отверстия в различных частях трубы и вставить в эти отверстия вертикальные стеклянные трубочки, то можно наблюдать изменение давления по трубе, сравнивая высоты жидкости в этих трубках. Опыт показывает, что высота жидкости в трубке, вставленной в более узкую часть, будет наименьшей. Иными словами, давление жидкости в узком сечении трубки (P₂) будет меньше, чем в широком (P₁ и Р₃).

В том случае, когда жидкость движется криволинейно, давление изменяется еще и под действием центробежной силы. Так например, если жидкость течет по выпуклой поверхности, давление в ее среде уменьшается, если же она движется по вогнутой поверхности, давление увеличивается.

Подтверждением этому служит закон Эйлера. Пусть жидкость течет по изогнутой трубе с некоторой постоянной скоростью. Обладая известной массой, жидкость по закону инерции стремится двигаться прямолинейно. Но в точке изгиба трубки стенки ее изменяют направление движения струи. Совершенно очевидно, что давление струи на верхнюю стенку при этом увеличивается, а на нижнюю соответственно уменьшается, в то время как давление в прямой части трубы всюду одинаково.

Когда жидкость движется криволинейна, давление изменяется не только от ширины трубки, но и под действием центробежной силы. Если жидкость течет по выпуклой поверхности, давление в ее среде уменьшается (P₂); если же она движется по вогнутой поверхности, давление увеличивается (P₁).

Теперь мы можем понять, как «работают» водяные крылья. При движении судна струя жидкости набегает на крыло со скоростью, равной скорости движения глиссера. Дойдя до крыла, струя начинает его обтекать и раздваиваться. Но скорости движения струй, идущих сверху и снизу крыла, будут неодинаковы. Сверху крыла струи воды получают к собственной скорости еще некоторую добавочную скорость за счет образования так называемого вихря. А внизу крыла мы видим обратное явление: движение струй здесь будет тормозиться противоположным движением воды, вызванным вихрем.

Струя жидкости набегает на крыло со скоростью, равной скорости движения судна. Дойдя до крыла, струя начинает его обтекать и раздваивается. Сверху крыла струи воды получают к собственной скорости еще некоторую добавочную скорость за счет образования так наз. вихря. А внизу крыла мы видим обратное явление: движение струй здесь будет тормозиться противоположным движением воды, вызываемым вихрем

Таким образом мы видим, что впереди крыла струи воды идут прямолинейно, а вблизи крыла отклоняются. Сверху крыла струи воды сжимаются и увеличивают свою скорость, а внизу струи расширяются, и скорость их уменьшается.

Поэтому по закону Бернулли водяное крыло сверху испытывает меньшее давление, чем снизу.

Кроме того, масса воды, обегая крыло по ее поверхности, будет испытывать действие центробежной силы. Сверху крыла частицы воды будут стремиться оторваться, внизу же — прижиматься к крылу.

Эта разница давлений на крыло сверху и снизу создает подъемную силу. Опыты показывают, что эта подъемная сила достаточна для того, чтобы удержать во время движения тяжесть всего судна, и судно как бы «летит по воде» на своих крыльях.

Корпус судна, отрываясь от воды и поддерживаясь исключительно на водяных крыльях, должен только преодолевать сопротивление воздуха, которое значительно меньше, чем сопротивление воды. Крылья же, находясь на некотором уровне в воде, не получают о волнистую поверхность таких неравномерных ударов, как обычный глиссер.

Таким образом судно с водяными крыльями может развить очень большую скорость, намного превосходящую скорость простых глиссеров и тем более скорость обычных катеров и пароходов.

Помимо этого, такая конструкция обещает плавный и равномерный ход судна. И надо думать, что если опыты подтвердят практическую ценность водяных крыльев, то перед нами откроется совершенно новая страница водного транспорта.