Глава 3. Период становления и революционного развития корабельной науки

Открытые в 1660 г. английским физиком Робертом Гуком (1637-1703 гг.) и вслед за ним в 1680 г. французским ученым Эдмом Мариоттом (1620-1684 гг.) законы пропорциональности между напряжениями и деформацией материалов позволили последнему перейти к решению задачи поперечного изгиба балок. При этом, правильно определив, исходя из гипотезы плоских сечений, положение нейтральной оси, Мариотт все же с ошибкой вывел формулу для нормальных напряжений, которая была затем повторена многими учеными, в том числе и Я.Бернулли.

где D l - удлинение (приращение длины) материала (см), под действием растягивающего усилия N, кг; Е - коэффициент пропорциональности, который впоследствии был назван модулем упругости материала,⁵кг/см2; F - площадь поперечного сечения материала, см2.

Е = s / e ,

где s - нормальные напряжения в материале, кг/см2; e = D l / l - относительное удлинение материала.

Научные труды Гука и Мариотта позволили в те времена передовым корабельным мастерам количественно определять напряженное состояние элементов корпусных конструкций и рангоута, однако критерии такой оценки еще не были выработаны.

Cобытия 1660 г.

• 
  Английские изобретатели Тугуд и Хайес работают над патентом водометного движителя с мехами в качестве насоса, который так и не был реализован.
  

p = po + g h , (1663 г.)

где p - абсолютное гидростатическое давление в рассматриваемой точке жидкости; po - давление на поверхность жидкости; g h - избыточное давление жидкости в точке, отстоящей от поверхности на расстоянии h.



Краткая биографическая справка:

Блез Паскаль, французский математик, физик, философ и писатель. Сформулировал одну из основных теорем проективной геометрии, развил геометрические способы вычисления площадей плоских фигур и поверхностей объемных тел. Работы по арифметике, теории чисел и анализу бесконечно малых, алгебре, теории вероятностей и гидростатике. Конструктор суммирующей машины. Автор сатиры «Письма к провинциалу» и философского трактата «Мысли».

На этом законе, разделяющем абсолютное давление в жидкости на поверхностное (атмосферное) и избыточное, основана работа любых гидравлических машин, а также многих судовых систем. Несмотря на то, что простейшие гидравлические машины использовались в судоходстве еще с античных времен (например, корабельные водоотливные поршневые насосы, изобретенные Архимедом), только во второй половине XVIII века появляется возможность приступить к их теоретическому исследованию, а позднее и проектированию.

Сила плавучести: P = p LB = g LBT= g V

р = g T

• 
  В Голландии заложен флагманский 80-пушечный линейный корабль знаменитого адмирала Михаэля де Рейтера (1607-1676 гг.) “Де Зевен Провинсиен” (L=62 м).
  
• 
  В Стокгольме шведский ученый Ганс Трайлебен строит колокол для исследования затонувшего корабля “Васа”, с помощью которого в 1664 г. он поднимет около 50 тяжелых орудий с глубины более 30 м.
  

Случилось это в 1664-1666 гг. во время постройки в родном городе Дина - Харидже 70-пушечного линейного корабля “Руперт”.

Дело в том, что военные корабли того времени, в отличие от мирных грузовых судов, должны были иметь специальные вырезы в бортах для орудий (пушечные порты). Необходимо отметить, что впервые бортовые пушечные порты были предложены известным французским кораблестроителем Дешаржем⁶ из Бреста еще в начале XV века и применялись на крупных каракках с 1450 года.

Рис.11. Теоретический чертеж корпуса первого теоретически обоснованного судна - линейного корабля “Руперт”.

Самый нижний ряд пушечных портов, соответствующий тяжелой артиллерии главного калибра, с целью обеспечения остойчивости судна располагался от поверхности воды на определенном минимально допустимом с точки зрения безопасности расстоянии (например, для английских кораблей того времени это расстояние составляло порядка 0,5-0,7 м).



Краткая биографическая справка:

Антони Дин, кораблестроитель и ученый, внесший большой вклад в развитие английского кораблестроения. С юности работал на судостроительной верфи г. Хариджа. С 1664 г. строитель кораблей, с 1684 г. – главный сервейер королевского флота. Строитель серии фрегатов в 1673-75 гг., которые превзошли по скорости лучший корабль этого класса – французский «Сюперб». Оказывал содействие становлению русского военного флота. Автор нескольких научных работ и один из основателей инженерной кораблестроительной школы.

Насколько важно было обеспечивать допустимое значение этого расстояния говорят следующие факты гибели парусных боевых кораблей: в 1545 г. на выходе из Портсмута навстречу французской эскадре затонула большая английская каракка «Мэри Роз» водоизмещением 700 т, опрокинувшаяся в результате перегрузки артиллерией (на борту корабля было 92 пушки различного калибра, в том числе и осадные орудия) и приема большого количества воды через пушечные порты (погибло 660 чел.); в 1628 г. - опрокидывание галеона "Васа" (рис.7); в 1676 г. в результате неправильного маневра в бою с датским флотом опрокинулся и затонул шведский линейный корабль "Крунан" (погибло 800 чел); в 1782 г. на рейде Спитхеда затонул английский линейный корабль “Ройал Джордж”, который будучи накрененным для ремонта подводного отверстия водяной трубы, опрокинулся от приема забортной воды через открытые пушечные порты (погибло 900 чел.).

Ввиду невозможности в те времена более или менее точно предугадать водоизмещение судна и его посадку на стапеле (даже оценка водоизмещения плавающего судна была предметом “тайны” для каждого кораблестроителя), к моменту постройки “Руперта” сложилась следующая практика строительства военных кораблей.

На наклонном стапеле формировался киль со штевнями, днище, а затем и борта судна по всей высоте со всем набором и обшивкой. После этого, когда корабль представлял собой водонепроницаемую скорлупу, его борта раскреплялись временными распорками и производился спуск на воду. Затем начиналась операция загрузки корабля всем снаряжением и запасами, которые должны быть на борту при заданной автономности (порядка 4-6 месяцев). От ватерлинии плавающего корабля откладывалось минимально допустимое расстояние до нижних пушечных портов и производилась их разметка вместе с палубными линиями, устанавливались бимсы и палубные настилы, и наконец, прорезались сами порты. Завершалась постройка корабля на воде установкой рангоута и такелажа, а также всего вооружения и снаряжения.

Следует отметить, что для прогнозирования некоторых свойств и характеристик будущего корабля в XVI-XVII веках иногда использовалось физическое моделирование, основанное на стремлении достижения полного геометрического и, по возможности, физического подобия. Тогда было принято в обязательном порядке перед закладкой головного корабля по разработанному проекту строить достаточно крупные модели этих кораблей (главным образом в масштабах 1:48 и 1:32). Иногда такие модели выполнялись настолько точными, что позволяли приблизительно определить путем взвешивания вес, т.е. водоизмещение корабля, положение его центра тяжести и посадку в воде, характер остойчивости.

Теоретически условием обеспечения геометрического и физического подобия при изготовлении моделей является выдержка геометрических размеров, массы и расположения переменных составляющих нагрузки (снабжения, вооружения и запасов) в соответствии с принятым масштабом модели, а также одинаковой плотности материалов корпуса корабля и его элементов.

Например, пусть масштаб модели принят 1:50. Тогда, если при постройке модели корабля обеспечить одинаковость плотности материалов и геометрических размеров всех элементов корпуса, рангоута, парусов и такелажа, можно путем взвешивания модели приближенно оценить и массу перечисленных составляющих нагрузки реального (натурного) корабля. Например, для корпуса с рангоутом его вес и положение центра тяжести определятся следующим образом (индекс “н” - натурное судно, индекс “м”- модель)

Рк )Н = ( Рк )М 50 3 ,

(x к )Н = ( x к )М 50 .

После этого, исходя из заданного веса вооружения, оборудования, снабжения и запасов натурного корабля, определяется вес соответствующих нагрузок модели

( Р об )М = ( Роб )Н (1/50) 3,

который распределяется в соответствии с проектом по ней. Оборудованная таким образом модель опускается в воду и исследуется, в результате чего определяется посадка корабля, оценивается его остойчивость и т.п.

Однако если даже предположить всю тщательность и дороговизну изготовления некоторых моделей того времени, погрешность определения искомых характеристик будущего судна оставалась все же очень высокой, поэтому судостроители ограничивались, как правило, весьма приближенным определением положения центра тяжести корабля по длине (путем подвешивания модели в средней части), а в большинстве случаев модели носили чисто демонстрационный характер.

Видимо, хорошо знакомый с трудами Кеплера и Кавальери, а также Стевина, Галилея и других ученых, Дин начал вести на верфи подсчет всех грузов, входящих в весовую нагрузку корабля (операции взвешивания и регистрации в “Весовом журнале” до сих пор являются важными и используются до настоящего времени, в частности, при строительстве подводных лодок и некоторых головных судов), с одновременным контролем формы корпуса корабля по разработанному им самим теоретическому чертежу (по практическим шпангоутам).

Таким образом, уже к концу формирования оконечностей и наружной обшивки корабля на стапеле Дин имел достаточно достоверное значение полного веса или водоизмещения корабля. Используя математические методы определения объемов тел, ограниченных криволинейными поверхностями, т.е. различные методы интегрирования, он по теоретическому чертежу корпуса получил зависимость объемного водоизмещения от осадки судна V=f(T), которая в настоящее время называется грузовым размером.

Определив объемное водоизмещение “Руперта” как V=D/g, Дин по графику без труда получил искомую осадку корабля Т (рис.12). После того, как он отдал указания прорезать пушечные порты и производить разметку палуб на стапеле, что вызвало, видимо, бурю самых различных эмоций у специалистов, а затем спустил корабль, самым удивительным оказалось то, что в условиях тогдашнего уровня технологии и математических вычислений он сел в воду именно на ту величину осадки, которую предсказал корабельный мастер.

Т, м

V, м 3

Рис.12. Грузовой размер корпуса судна.

• 
  Во главе пиратской флотилии из 10 кораблей, промышлявшей разбойным промыслом в Карибском море, становится Генри Морган (1635-1688 гг.).
  
• 
  Самое крупное морское сражение времен парусного флота - четырехдневное Дюнкеркское сражение между английским (80 кор.) и голландским (М. де Рейтер, 90 кор.) флотами во время 2-й англо-голландской войны, закончившееся поражением англичан (потери: англ.- 17 кор, голл.- 4 кор).
  
• 
  Голландские корабельные мастера Гельт, Ван ден Стрек, Минстер и Бутлер, нанятые русским царем Алексеем Михайловичем, готовятся к строительству в с. Дединово Коломенского уезда первого русского боевого корабля “Орел”.
  
• 
  Французский гидрограф Дени впервые замечает, что компас в разных местах корабля показывает по-разному.
  
• 
  Норт-Форлендское сражение голландского (М. де Рейтер, 88 кор и 20 брандеров) и английского (Ж. Монк, 81 кор и 18 брандеров) флотов после неудачной попытки высадить десант и заблокировать устье Темзы, закончившееся поражением голландцев (потери - 20 кор) и окончательно закрепившее правила тактики линейного боя.
  
• 
  Французский флибустьер-головорез Франсуа Олонне (Жан Давид, 1630-1671 гг.), командуя флотилией из 6 кораблей, базирующихся на о. Ля-Тортуга в Карибском море, захватил и разграбил города Маракамбо и Сан-Антонио де Гибралтар, откуда вывез огромную добычу.
  

В 1684 г. Антони Дин становится обер-сервейером (главным инспектором кораблестроения) английского флота. За время деятельности на этом посту он фактически основал инженерную кораблестроительную школу Англии, создав строгую систему расчета размеров всех частей корабельного набора и нагрузки корабля, четко определив взаимозависимость размеров корабля с водоизмещением, а также с количеством и весом пушек, людей и грузов на борту, размещением мачт и парусностью.

Необходимо отметить, что фамилия Динов тесно связана с Петром I. В 1698 г. на верфи в Дептфорде близ Лондона русский царь учился математике и черчению корабельных планов. Уже тогда он понял, что, в отличие от Голландии, где корабли часто строились без каких-либо теоретических обоснований и расчетов, исключительно по опыту и “на глазок”, в Англии корабельное искусство опиралось на строгие правила науки - в первую очередь математики и гидростатики. Именно поэтому Петр I уговорил Дина послать своего сына Джона вместе с другими иностранцами в Россию для оказания помощи в постройке кораблей в Воронеже. К сожалению, Джон Дин скоропостижно скончался в Москве в 1699 г., где и был похоронен.

События 1670 г.

• 
  Вступил в строй французского королевского флота первый трехдечный 70-пушечный линейный корабль “Солей Ройаль” (D=1313 т, L=60,9 м), построенный в противовес английскому “Соверин оф Сиз” на основе первых технических правил, введенных французским Адмиралтейством.
  
• 
  Окончательный развал Ганзейского союза: решения ганзтага 1669 г. в Любеке констатировали экономический крах в прошлом уникального и богатейшего объединения северо-германских городов.
  

Дальнейшее развитие интегрального исчисления площадей и объемов в трудах английского математика Исаака Барроу (1630-1677 гг.) и его выдающегося ученика Исаака Ньютона (1642-1727 гг.) привело вскоре к повсеместному использованию математических вычислений в английском кораблестроении. Видимо уже к концу XVII века многие английские корабли строились на стапелях с установленными палубами и мачтами, что значительно сокращало время их постройки (рис.13).

Продолжая тему английского судостроения, следует отметить, что во второй половине 17 века была предпринята первая попытка основать экспериментальную гидромеханику для выработки хоть каких-то рекомендаций по проектированию формы корпуса судна: исследователь С. Фортрей (1622-1681 гг.) провел первые буксировочные испытания деревянных моделей кораблей в гравитационном опытовом бассейне (пруде), однако сведений об их результатах не сохранилось.

Рис.13. Боевые корабли с вырезанными пушечными портами, строящиеся на голландской верфи в начале 18 века.

В знаменательном 1666 году произошло еще одно чрезвычайно важное для корабельной науки событие - создание первой Академии наук. По распоряжению королевского министра финансов Франции Жана Кольбера (1619-1683 гг.), уделявшего большое внимание развитию судостроения и военно-морского флота (один из создателей регулярного ВМФ Франции), была официально организована Парижская академия наук, которая уже к концу века выведет Францию на передовые позиции в научном обосновании проектирования и строительства кораблей. За относительно короткое время в Парижскую АН было приглашено для работы множество талантливых ученых, которые уже к середине XVIII века заложили основы таких корабельных наук как гидромеханика, теория корабля и прочность (Якоб, Иоганн и Даниил Бернулли, Леонард Эйлер, Жан Даламбер, Жан Кондорсе, Поль Гост, Пьер Бугер, Жозеф Лагранж, Жан Борда, Жорж Бюффон и др.).

К середине XVII века на флотах и в кораблестроении Англии, Голландии и Франции начали формироваться, так называемые, “Табели о рангах”, а затем и “Табели о корабельных пропорциях”. “Табели о рангах” способствовали регулярности или однотипности военно-морского флота и их боевых соединений, что повышало боеготовность и боевую эффективность флота в целом.

Рис.14. Так выглядел первый русский Табель о корабельных пропорциях 1723 г., о значении которого для развития военно-морского флота свидетельствует подпись Петра Михайлова – императора Петра I, поставленная им наряду с главными корабельными мастерами и обер-сервейером кораблестроения.

К началу XVIII века было установлено 6 рангов кораблей, от которых зависели количество и вес орудий на борту корабля, количество палуб, распределение орудий различного калибра по палубам, количество мачт и парусное вооружение, численность экипажа. В зависимости от ранга корабля назначались суммы на его содержание, количественный состав флота для кораблестроительных программ на плановый период времени. По рангу можно было предварительно оценить также полное водоизмещение корабля и его стоимость (табл. 1).

Таблица 1. Табель о рангах английского флота 1727 г.

“Табели пропорций”, являющиеся по тем временам весьма качественным обобщением опыта проектирования кораблей и судов, в корне изменили ситуацию в области проектирования судов, способствуя созданию национальных кораблестроительных школ во всех развитых морских державах, что привело позднее к появлению и первых высших кораблестроительных учебных заведений. Это не значит, что “Табели пропорций” были открыты для публикаций. Они в каждой стране держались под секретом, но были вполне доступны для кораблестроителей внутри страны, работающих на военно-морские ведомства.

Типичный “Табель пропорций” можно рассмотреть на примере “Табеля о кораблестроительных пропорциях” в рамках кораблестроительного регламента русских корабельных мастеров Петровской эпохи, разработанного под руководством и при личном участии самого Петра I.

В зависимости от количества пушек регламентировались следующие параметры корпуса кораблей:

1. 
   Длина по нижней или главной палубе (1-я батарейная палуба);
   
2. 
   Ширина палубы (внутренняя без обшивки);
   
3. 
   Высота борта до нижней палубы (без киля);
   
4. 
   Относительная ширина плоской части днища на миделе ( у1 : В/2 или у 1 , рис. 15);
   
5. 
   Завал борта на миделе ( у2 , рис. 15);
   
6. 
   Отстояние последнего кормового пушечного порта (по нижней палубе) от ахтерштевня;
   
7. 
   Шпация (практическая);
   
8. 
   Относительная ширина верхней части транца ( у3 , рис. 15);
   
9. 
   Погибь бимсов относительная (дюйм на фут длины);
   
10. 
    Расстояние от бака до носового дейдвуда ( x , рис. 16).
    

Рис.15. Поперечные сечения корпуса корабля на миделе и транце

Не исключено, что для торговых судов существовали аналогичные военным кораблям “Табели пропорций”, регламентирующие основные элементы судов в зависимости, например, от грузоподъемности.

Рис.16. Продольный разрез корабля в носовой части. 1 - бак; 2 - фок - мачта; 3 - бушприт; 4 - форштевень; 5 - носовой дейдвуд.

В 1671 г. в Амстердаме опубликовывается сочинение “Sheeps bouw en bestier” известного голландского кораблестроителя Николая Витсена, посвященное описанию методов постройки кораблей и содержащее конкретные рекомендации по их совершенствованию. Эта книга, по сути обобщающая опыт голландского кораблестроения, явилась вторым по фундаментальности трудом после сочинений Пантеро, Футтенбаха и Рэли и вызвала настолько большой спрос в Европе, что Голландия, находясь в состоянии войны с Англией и не желая передавать другим свой опыт, запретила вывоз ее за границу.



Краткая биографическая справка:

Николай Витсен, голландский кораблестроитель, ученый и государственный деятель. Бургомистр Амстердама, главный строитель голландских военных кораблей адмирала де-Рейтера. Оказывал техническое и организационное содействие строительству Азовской флотилии русского царя Петра I. Поставщик кораблей для русского военно-морского флота.

События 1671 г.

• 
  В Париже издано сочинение французского хирурга и путешественника Пьера Ламартиньера “Путешествие в северные страны”, который явился первым французом, побывавшем на севере России и пытавшимся пройти Северным морским путем.
  
• 
  Поход пиратов Г. Моргана на Панаму, в результате которого испанским колониям и самой метрополии был нанесен значительный материальный урон.
  

• 
  Захват французской эскадрой адмирала Жана д` Эстре (1624-1707 гг.) голландских поселений на западном побережье Африки и в Вест-Индии (о. Тобаго).
  

Примерно в это время на заре появления технологий, использующих пар, предполагают, что Мариотту первому удалось вывести знаменитую котельную формулу для нормальных напряжений растяжения в цилиндрах, испытывающих давление изнутри

где s - нормальные напряжения растяжения, кг/см2; р - внутреннее давление среды, кг/см2; r - радиус цилиндра, см; d - толщина стенки цилиндра, см.

Эта формула, несмотря на то, что она была затем использована, прежде всего, для расчета различных энергетических агрегатов (сосудов под давлением пара - корпусов котлов, ресиверов, котельных труб и т.д.), до сих пор широко используется в расчетах многих судовых систем, где трубы и резервуары находятся под давлением.

Кроме того, если приложить к цилиндрической оболочке не внутреннее, а наружное давление, то нормальные напряжения поменяют знак, т.е. будут не растягивающими, а сжимающими. В случае появления даже небольшого момента в результате отклонения от круговой формы они могут вызвать изгиб и потерю устойчивости ее конструкции. Поэтому котельную формулу можно считать исходной и при расчете прочных корпусов подводных лодок и резервуаров, находящихся в воде, потребность в чем возникнет только к концу XIX века.

• 
  Архангельские купцы-судостроители братья Баженины используют при строительстве судов на р. Вавчуге станки для распиловки бревен, приводимые в действие от водяных мельниц.
  
• 
  Первый успешный поход французской средиземноморской эскадры адмирала А. Дюкена на Триполи и Алжир для борьбы с арабскими пиратами, приведший через четыре года к искоренению пиратства в западном Средиземноморье.
  
• 
  Р.Гук предлагает установить на судно гребной винт собственной конструкции с лопастями как у ветряной мельницы.
  

Основоположником классической теоретической механики твердых тел, как известно, является Ньютон, однако ему принадлежат и первые научные труды по динамике жидкости, т.е. гидродинамике, являющейся частью гидромеханики. В 1687 г. вышла в свет его знаменитая книга “Математические начала натуральной философии” (рис.17), в которой наряду с математикой и теоретической механикой были представлены первые исследования по трению в воде, и в частности, сформулирован закон трения для воды: “Сопротивление, происходящее от недостаточной скользкости жидкости, при прочих равных условиях предполагается пропорциональным скорости, с которой частицы жидкости разъединяются друг от друга” [5].

Fтр = t S , (1687 г.)

где t - напряжение трения в слое жидкости, н/cм2; dv - приращение скорости в слое жидкости, см/с; dy - толщина слоя жидкости, см; m - коэффициент пропорциональности, который впоследствии получит название коэффициента динамической вязкости, кг/(cм·c); Fтр - сила трения между слоями жидкости, н; S - контактная площадь слоя жидкости, см2 (рис.18).

Рис.17. Титульный лист “Математических начал натуральной философии” - выдающегося фундаментального труда Исаака Ньютона.

Ошибочно считая все же сопротивление, вызванное трением, пренебрежимо малым⁷ , Ньютон получает формулу для определения сопротивления пластин, установленных перпендикулярно потоку воды, полагая, что сопротивление движущегося тела в различных жидкостях определяется ее плотностью

R = k r v2 W ,

которая и до сих пор используется как обобщенная формула гидродинамического сопротивления (сил)

где R - гидродинамическое сопротивление тела, движущегося в жидкости или покоящегося под набегающим потоком жидкости, н; i - вид гидродинамического сопротивления; r - плотность жидкости, кг/м3; v - скорость тела или набегающего потока жидкости, м/с2; W - характерная площадь поверхности, м2; x - коэффициент гидродинамического сопротивления.

Рис. 18. Эпюра скорости жидкости около твердой поверхности.

• 
  Обер-сервейер английского флота А. Дин после проведения инженерного обследования всех кораблей на предмет выявления их весовых нагрузок окончательно сформировывает в целом "Табель о рангах" боевых кораблей в соответствии с установившейся тактикой линейного боя и создает типовые проекты кораблей разных рангов.
  

Необходимость исследований в области ходкости и управляемости судов в те времена была вызвана обострившимися проблемами как в достижении удовлетворительной скорости, так и хорошей управляемости для крупных боевых кораблей, размеры которых постоянно росли. В частности, в соответствии с европейской концепцией формы корпуса судов (форма копировалась с морских рыб) ватерлиния имела более полные образования в носу, нежели в корме. Это приводило к повышенному сопротивлению корпусов в воде, на что и начали обращать английские и французские ученые. Решение же этой проблемы путем увеличения парусности входило в неминуемое противоречие с обеспечением поперечной остойчивости корабля.

Интересным событием этого же 1689 года во Франции явился королевский указ, в котором впервые четко определяется понятие “инженер-кораблестроитель”. Согласно этому указу все строители кораблей его величества короля Франции должны носить титул “инженер-конструктора флота”.

События 1689 г.

• 
  Заканчивается кругосветное плавание английского мореплавателя Вильяма Дампира (1652-1715 гг.), совершенное англичанами впервые с заходом в район Австралии и Индонезии.
  
• 
  Побег знаменитых французских военных моряков Жана Бара (1651-1702 гг.) и Клода Форбена (1656-1733 гг.) с Портсмутской тюрьмы, которым удалось добраться до Франции, переплыв на шлюпке Ла-Манш.
  

Это было воплощением крепнущего союза науки и практики, секреты которого начинают изучаться во всех морских державах, и в первую очередь, - в Англии, которая весь XVIII и начало XIX века будет упорно отвоевывать упущенные позиции и бороться с французским флотом за первенство на морях и океанах. Достаточно отметить, что взятые англичанами в плен французские корабли служили им образцом для усовершенствования, а английские командиры напрашивались на командование французскими призами.

Рис.19. Выдающийся французский линейный корабль “Ройал Луи”. (L= 63,8 м; B= 17,2 м; T= 7,48 м; D=2130 т)

В том же 1690 г. голландским ученым, изобретателем маятниковых часов и различных оптических приборов, Хейгенсом Гюйгенсом (1629-1695 гг.), а также в разное время Якобом и Иоганном Бернулли, Лейбницем выведено знаменитое уравнение цепной линии, по которой раздуваются паруса и висят всевозможные морские канаты (в том числе якорные)

, (1690 г.)

где а - отстояние от оси x экстремума цепной линии, симметричной относительно оси y.

Данное уравнение для нужд кораблестроения было впервые применено в научных трудах И.Бернулли, посвященных ходкости и управляемости парусных кораблей, где оно использовалось для определения тяги, которая возникает в парусах.

В целом, работая с 1665 г. в Париже, Гюйгенс внес значительный вклад в развитие механики, решая задачи применительно к кораблестроению.

События 1690 г.

• 
  В Англии построен 86-пушечный линейный корабль “Сент Джорж” (D=1296 т, L=59,6 м), считавшийся самым великолепным английским кораблем со времен “Соверин оф Сиз”.
  
• 
  Заложен самый крупный боевой корабль испанского королевского флота в XVII веке - 90-пушечный линейный корабль “Сан Филипе” (D=1890 т, L=62,8 м), судьба которого сложилась так, что он никогда не участвовал в сражениях и был списан на слом в 1736 г.
  
• 
  Французский физик Дени Папен (1647-1712 гг.), ученик английского ученого Р.Бойля, впервые излагает принцип действия пароатмосферной машины и устройство парового котла.
  
• 
  Сражение испано-англо-голландского (А.Херберт, 59 кор) и французского (А. де Турвилль, 75 кор. и 18 брандеров) флотов во время войны Франции против Аугсбургской лиги 1688-1697 гг. у м. Бичи-Хэд, которое закончилось поражением союзников и считается одним из самых крупных военно-морских успехов в истории Франции.
  

В этом же году вышла книга голландца Корнелиуса ван Эйка “Нидерландское судостроительное искусство”, которая явилась вторым после сочинения Витсена трудом, посвященным голландскому судостроению. Потомственный кораблестроитель, автор книги обобщил в ней все свои знания и опыт, накопленные в течение многих лет работы мастером на верфи Ост-Индийской компании в Делфсхавене.

Рис. 20. Титульный лист капитального сочинения П.Госта "Теория конструирования кораблей..."

Рис.21. Схема вертикальной, бортовой и килевой качки из книги П.Госта «Теория конструирования кораблей»

• 
  После взятия в 1696 г. Азова и постановления Боярской думы “Морским судам быть” русский царь Петр I организовывает “Великое посольство” в западные страны для создания коалиции против турецкого султана и обучения кадров кораблестроителей и мореходов в ведущих морских державах Европы.
  
• 
  Английский капер Вильям Кидд (1645-1701 гг.) под угрозой бунта на своем корабле “Адвенчер Галлей” захватывает в Индийском океане торговый корабль правителя Индии Великого Моголу “Кведах Мерчант” с баснословными богатствами, за что под разными предлогами был в конце концов казнен в Англии по решению суда как пират.
  
• 
  Карибскими флибустьерами взят и разграблен один из крупнейших городов Колумбии - порт Картахена.
  

• 
  Уничтожение по Прутскому мирному договору русской Азовской флотилии и сдача Азова Турции.
  

• 
  Гангутское сражение во время Северной войны русского галерного флота под командованием Федора Апраксина (1661-1728 гг.) и шведской эскадры Ватранга, закончившееся прорывом заблокированных русских галер вдоль полуострова Гангут, окружением и пленением шведской эскадры Н.Эреншельда, поджидавшей русских у основания полуострова с другой стороны.
  
• 
  В устье р. Охотская основывается первый русский острог на Тихом океане - будущий порт Охотск, который явится первой военно-морской базой и судостроительным центром Дальнего Востока.
  
• 
  В Англии объявлена большая денежная премия за метод определения долготы с точностью до половины градуса - решение острой проблемы, стоящей перед мореплавателями со времен Х.Колумба.
  
• 
  В Петербургском адмиралтействе английский корабельный мастер Ричард Козенц (1674-1735 гг.) ведет строительство 64-пушечного линейного корабля “Ингерманланд”, который будет флагманским кораблем Петра I до конца Северной войны в 1721 г.
  
• 
  Россия имеет военный парусный флот, состоящий из 16 кораблей и 8 фрегатов и шняв, а также галерный флот из 99 полугалер и скампавей.
  
• 
  Английский кузнечный мастер Томас Ньюкомен (1663-1729 гг.) второй год использует в горном деле сконструированную им пароатмосферную машину.
  
• 
  Находясь в русском плену с 1710 г., шведский губернатор финской губернии Або Ларс Эренмальм заканчивает работу над сочинением “Состояние России при Петре I” - ценнейшим источником по русской истории, в том числе морской, петровской эпохи.
  
• 
  Командующим датским флотом во время Северной войны 1700-1721 гг. назначен Вессель Торденшельд (1691-1720 гг.), который вплоть до своей гибели на дуэли одержал ряд крупных побед над шведским флотом: среди них наиболее значительной является сражение в 1716 г. при Дюнекилне, где датчанами была захвачена шведская эскадра в 40 вымпелов.
  
• 
  Заканчивается каперская деятельность во время войны за Испанское наследство 1701-1714 гг. французского военного моряка Рене Дюге-Труэна (1673-1736 гг.), в результате которой он захватил около 300 торговых и 20 военных кораблей Англии и Голландии.
  

где Н - полный напор или удельная энергия жидкости как постоянная величина (метр столба жидкости); z - геометрический напор жидкости в рассматриваемой точке на линии тока как отстояние точки от базисного уровня, м; p/g - гидростатический напор жидкости в рассматриваемой точке, м; v2/2g - скоростной напор жидкости в рассматриваемой точке, м.

Рис.22. Постоянство удельной энергии идеальной жидкости вдоль линии тока

Впервые в своем труде Д. Бернулли также выдвигает идею использования для движения судов водомета, которая, однако, на практике была реализована впервые Дж. Рамси только в 1784 г. при испытании паровой лодки с водометным движителем в виде поршневого насоса. Традиционный для судостроения реактивный движитель - весло не удовлетворяет уже никого из-за своего низкого КПД, в связи с чем передовые ученые ищут новые движители, наверняка не зная об экспериментах великого Архимеда со шнековым винтом.

• 
  Из Охотска выходит в плавание экспедиция на трех кораблях под командованием сподвижника В.Беринга Мартына Шпанберга в поисках Японии и для исследования Курильских островов.
  

В 1743 г. французским математиком и механиком Жаном Даламбером (1717-1783 гг.) сформулирован один из основополагающих принципов теоретической механики, выраженный в правилах составления дифференциальных уравнений движения материальных систем: если к фактически действующим на точки механической системы силам и реакциям наложенных на нее механических связей присоединить силы инерции, то получится уравновешенная система сил. Таким образом, принцип Даламбера позволил применить к решению задач динамики более простые методы статики, что открывало совершенно новые возможности в решении сложных задач динамики корабля с помощью дифференциальных уравнений.

где F - активные силы; R - реакции; m - масса; x - перемещения; t - время.

• 
  Завершилась уникальная в мировой практике десятилетняя Великая Северная (2-я Камчатская) экспедиция под общим руководством Витуса Беринга, включавшая более 500 морских офицеров, матросов и ученых и направленная на исследование Северного морского пути, Дальнего Востока России, Японии и северо-западной. Америки.
  
• 
  Заканчивается кругосветное плавание английского адмирала Джорджа Ансона (1697-1762 гг.) - автора новой классификации военных кораблей, единой формы одежды для офицеров флота и нового морского устава, просуществовавшего до 1865 г.
  

Метацентрическая формула остойчивости Мв=D·l в , где r - поперечный или малый метацентрический радиус как расстояние между метацентром и центром величины судна, м; Jx - центральный момент инерции ватерлинии относительно продольной оси x или диаметральной плоскости в случае симметрии ватерлинии, м4; V - объемное водоизмещение судна, м3; Мв - восстанавливающий момент, препятствующий опрокидыванию судна, т·м; D - весовое водоизмещение судна, т; lв - плечо восстанавливающего момента, м.

Рис.23. Титульный лист трактата по теории корабля французского ученого П. Бугера.

Бугер впервые сделал попытку определить действующие на судно усилия и возникающий от них изгибающий момент. Для этого он вводит понятие о кривых сил веса и поддержания, которые в упрощенной форме позволяли производить прямой математический расчет (без графического решения) эпюры нагрузки (рис.24). Согласно расчетам, Бугер полагал, что изгибающий момент пропорционален произведению водоизмещения судна на его длину и равен Мизг = 39/520 DL . При изучении общего изгиба корпуса он считал его как балку, к которой применимы положения работ Галилея и Ж. Бюффона (1707-1788 гг.). Таким образом Бугер внес значительный вклад и в науку об общей прочности судна.

M изг = k·D·L , (1746 г.)

где Мизг - изгибающий момент корпуса, т, м; k - коэффициент пропорциональности; D - весовое водоизмещение судна, т; L - длина судна,, м.

Рис. 24. Графический способ определения эпюры нагрузки на корпус судна. 1 - эпюра веса; 2 - эпюра сил плавучести; 3 - эпюра результирующей нагрузки на корпус корабля.

Исследуя вопросы прочности кораблей, Бугер в своей книге поддерживает предложение французских инженеров Клерона и Гоберта о необходимости усиления общей продольной прочности корпуса корабля, ослабленного вырезами пушечных портов, специальными диагональными связями - ридерсами. Такое английское название эти балки корпусного набора получили только в начале XIX века, когда англичане освоили передовой судостроительный опыт французов по нескольким захваченным в плен французским кораблям (вероятнее всего это были корабли, уведенные английским адмиралом Худом из Тулона в 1793 г.) и английский кораблестроитель Р. Сеппингс в 1806 г. сумел внести существенные улучшения в конструкцию корпуса с диагональными связями (раскосины и палубные карлингсы).

Использование кораблестроителями ридерсов хоть и позволило, в конце концов, увеличить длину корпусов деревянных кораблей с 60 м в XVIII веке до 100 м в начале XX века, однако не могло кардинально решить проблему их общей продольной прочности без замены самого конструкционного материала. Говоря о прочности деревянных корпусов, следует уточнить, что речь на самом деле шла об обеспечении их жесткости, ибо именно от нее зависела герметичность корпусов, испытывающих сильные деформации на волнении. С учетом проблемы плохого качества лесоматериалов (недосушка) многие корабли той эпохи, прослужив несколько лет, становились практически непригодными для дальних плаваний.

Тем не менее из истории судостроения известно, что еще в начале XV века китайские кораблестроители умудрялись создавать гигантские джонки, длина которых доходила до 160 м (рис.3). Обеспечение прочности и герметичности их деревянных корпусов может быть объяснено только спецификой конструкции, в которой китайцы, видимо первые, использовали в совокупности с поперечными переборками, доходящими до верхней палубы, мощные продольные балки по типу киля не только в днищевой части, но и по палубам и бортам корпуса (стрингеры и карлингсы), которые не применялись в деревянном судостроении европейцев.