Ю. А. Ларин «Катера и яхты» №6 (70) ноябрь-декабрь 1977г
Тензометрическое исследование характеристик рангоута
Выбор рангоута, соответствующего как погодным условиям гонок (силе ветра, величине и характеру волнения) и используемым парусам, так и физической подготовке, собственному весу экипажа, применяемой технике откренивания судна, является важным вопросом при подготовке к гонкам. Однако на практике рулевой, подбирая рангоут, зачастую руководствуется лишь собственным опытом либо ориентируется на моду.
В последнее время получил распространение способ получения характеристик гибкости мачт путем измерения стрелок прогиба при нагружении свободно лежащей на двух опорах мачты определенной нагрузкой. (Этот способ описан в книге П. Эльвстрема «Искусство плавания под парусами» и в статье В. Манкина в «КЯ» № 32, 1971 г.). Способ достаточно прост, не требует специального оборудования, но имеет и ряд существенных недостатков. Прежде всего, условия при измерении и эксплуатации рангоута сильно отличаются, а данный метод не учитывает этого различия; мала и точность измерений. Трудно судить о прочностных свойствах исследуемого рангоута, о распределении жесткости по длине мачты, не получив данных о свойствах ее в районе пяртнерса (последнее очень важно для мачт судов классов «Финн» и «ОК-Динги», которые ломаются именно в этом месте), хотя изгиб мачты здесь во многом определяет ее качества. Данный способ не позволяет также судить о динамических свойствах исследуемой мачты. Оценка сводится в основном к сравнению различных мачт между собой по принципу мягче — жестче.
Предлагаемый тензометрический метод разработан в лаборатории спортивной и физиологической электроники Таганрогского радиотехнического института по заказу Таллинской экспериментальной верфи спортивного судостроения и уже нашел практическое применение. В частности, в процессе подготовки к XX Олимпийским играм данный метод использовался бронзовым призером Олимпиады в классе «Финн» В. Потаповым.
При помощи метода тензометрии нами были получены характеристики около сотни мачт отечественного изготовления и различных зарубежных фирм («Брудер», «Нидлспар», «Эльвстрем», «Спар», «Хэвилэнд») в классах «ОК-Динги», «Финн», «470» и «Летучий Голландец» Это позволяет в настоящее время обобщить полученные результаты.
Рис. 1. Расположение тензодатчиков на мачте
В чем же суть тензометрического метода получения характеристик рангоута? На исследуемой мачте (гике) наклеиваются тензодатчики сопротивления со лба и с обоих боков через определенные интервалы, величина которых зависит от желаемой точности измерения (рис. 1). Удовлетворительные результаты получаются при наклейке тензодатчиков с интервалом 1 м. Затем мачта закрепляется горизонтально в подставке с отверстиями, равными диаметру степса и пяртнерса. Измерителем деформации последовательно измеряют нулевые значения деформации Е0 тензодатчиков сопротивления, накленных на лобовую грань мачты, затем, после поворота ее на 90° и 180°, — на боковые грани.
Для моделирования действия силы натяжения гика-шкотов на топе мачты закрепляется груз (рис. 2) и в последовательности, описанной выше, измеряются величины деформации тензодатчиков в нагруженном состоянии Ен.
Вычтя из Ен значение Е0 соответствующего тензодатчика, можно получить истинное значение деформации в данной точке Е1, и по этим значениям построить графики распределения деформации по длине мачты при изгибе ее в продольной и поперечной плоскостях. На оси абсцисс откладывается длина мачты в метрах, на оси ординат — значения деформации Е. Нанеся на график деформации (при данной нагрузке) нескольких мачт, легко увидеть, где именно и насколько они отличаются.
На рис. 3 приводятся графики, полученные при измерении деформации в поперечной плоскости различных деревянных мачт фирмы «Брудер» (номера мачт 1513, 1В0В, 1В15, 1В17) и дюралевой мачты D фирмы «Нидлспар». Начало координат — в точке приложения груза Р = 10 кг на топе мачты. Как видно, у металлической мачты более жесткий топ, но в нижней своей части она мягче, чем экспериментальной верфи спорт судостроения).
Рис. 2. Общий вид установки при снятии характеристик деформации
Для исследования влияния длительного хранения деревянного рангоута на его характеристики мачта, хранящаяся на складе при температуре 15—25°С, была испытана с интервалом в один год. Установлено, что вследствие высыхания древесины мачта стала жестче по всей длине, причем наибольшее изменение произошло в районе пяртнерса— на 17% (исследовалась мачта серийного изготовления Таллинской экспериментальной верфи спорт судостроения).
Рис. 3. Графики деформации мачт при изгибе в поперечной плоскости (класс «Финн»).
Рис. 4. Деформация мачты «Летучего Голландца-» с парусами при различной силе натяжения гика-шкотов.
Данный метод позволяет также контролировать изменение характеристик рангоута при изменении сечения мачты. С его помощью можно, например, классифицировать по степени жесткости мачту «Финна» (табл. 1) в зависимости от значений деформации по ее длине.
Одним из достоинств предлагаемого метода является возможность измерять деформации рангоута с работающим парусом. При испытаниях выяснилось, что при естественных условиях работы мачты вместе с парусом нагрузка на гика-шкотах 40 кгс вызывает деформацию мачты, аналогичную деформации при нагрузке топа сосредоточенной силой 10 кгс. Данная методика использовалась при снятии характеристик деформации мачты фирмы «Хэвилэнд» («Летучий Голландец») непосредственно на судне при силе натяжения гика-шкотов от 10 до 80 кгс (рис. 4).
Важным свойством метода является и возможность определять скрытые дефекты рангоута (внутренние трещины, слабые места), что выражается в резком увеличении значения деформации в данном месте.
Для получения данных по динамическим характеристикам мачт выполнялись измерения частоты собственных колебаний и время их затухания при воздействии стандартной нагрузки на топ мачты. Для этого применялся тот же метод тензометрии мачты с использованием для записи колебаний самописца Н-320.
В табл. 2 представлены результаты измерения динамических характеристик рангоута различных фирм в классах судов «Финн» и «470».
Данная методика позволяет записывать характер работы комплекса мачта — парус непосредственно на воде во время движения яхты.
Таким образом, применение тензометрической методики измерений дает возможность получить объективные и всесторонние данные о рангоуте яхт, сравнивать между собой качества рангоута различных фирм, целенаправленно изменять характеристики мачты и следить в процессе эксплуатации за изменением ее свойств, определять скрытые дефекты, снимать характеристики деформации рангоута совместно с парусами при непосредственном измерении на судне, получать динамические характеристики рангоута парусных судов.
