Определение силы волнения и ветра
Объективная характеристика волнения и ветра — основных факторов, определяющих внешние условия плавания судна, — является одним из наиболее важных элементов мореходных испытаний судов.
Неточное определение условий плавания искажает оценку мореходности судна и существенно понижает точность и ценность результатов испытаний. В практике мореходных испытаний обычно применяют упрощенный способ описания волнения, который сводится к определению его интенсивности (степени, или силы) и указанию типа волнения.
До 1954 г. в Советском Союзе степень волнения в процессе мореходных испытаний оценивалась по шкале состояния поверхности моря [5]. Практическое использование этой шкалы осложнялось отсутствием указаний о том, какая высота волны из всего многообразия волн, наблюдаемых на поверхности моря, должна быть выбрана в качестве определяющей. Поэтому при оценке интенсивности нерегулярного морского волнения, помимо размеров волн, учитывали внешний вид поверхности моря, ориентируясь на указанные в шкале признаки для определения состояния поверхности моря. Внешний вид морской поверхности зависит главным образом от силы ветра и плохо отражает влияние на размеры волн таких важных (с точки зрения волнообразования) факторов, как продолжительность действия ветра, длина его разгона, образование и распространение зыби, глубина моря. Поэтому данная шкала не обеспечивает однозначной оценки силы волнения.
С 1954 г. в СССР при мореходных испытаниях судов используют единую шкалу для оценки интенсивности волнения на морях, озерах и крупных водохранилищах.
| Высота волн, м | Степень волнения, баллы | Характеристика волнения |
| 0—0,25 0,25—0,75 0,75—1,25 1,25—2,0 2,0—3,5 3,5—6,0 6,0—8,5 8,5—11,0 11,0 и более | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Слабое Умеренное Значительное » Сильное » Очень сильное » Исключительное |
Шкала предусматривает оценку степени волнения только по одному параметру, в качестве которого принята высота волны с обеспеченностью 3%. Эта высота определяется как расстояние от подошвы до вершины волны без учета вторичных волн, соответствующих относительным экстремумам волнового профиля. При заданной степени волнения характерная высота волны может изменяться в пределах некоторого диапазона.
Необходимо подчеркнуть, что высота волны не позволяет однозначно определить волновые условия в отношении их влияния на мореходные качества судна, поскольку результат воздействия волн на судно зависит не только от их высоты, но также и от периода, определяющего длину волн. В этом плане наиболее совершенным методом описания морского волнения является энергетический спектр волн (см. § 32). При отсутствии средств определения спектра волн оценку степени волнения обязательно следует дополнять определением среднего периода волн и типа волнения. Вызванное ветром морское волнение всегда является нерегулярным и трехмерным. В зависимости от стадии развития ветровое волнение подразделяется на развивающееся, развитое (или установившееся) и затухающее. Корреляционная зависимость между средним периодом и характерной высотой волн, установленная на основании наблюдений на различных морях и океанах, представлена на рис. 82. В среднем эта зависимость согласуется с формулой
где k=3,1÷3,3 — для развитого ветрового волнения.
После прекращения ветра волновое движение продолжается по инерции, но вследствие вязкости воды постепенно затухает. На этой стадии морское волнение называется зыбью. В результате интерференции ветровых волн и зыби возникает смешанное волнение. В образовании смешанного волнения может участвовать одна или несколько систем зыби, распространяющихся в разных направлениях.
Кроме типа волнения, указывают его направление. Оценку направления распространения волн производят визуально по компасу с точностью 5—10° и обозначают румбом, от которого бегут волны. Например, направление волн, распространяющихся по азимуту 235°, обозначают так: NOtO (норд-ост-тень-ост).
Рис. 82. Зависимость среднего периода волнения от высоты волн.
1 — развитое (установившееся) волнение; 2 — развивающееся волнение; 3 — затухающее волнение; 4 — область редко встречающихся значений периодов волн.
В зарубежной практике оценку степени волнения обычно связывают с силой ветра, определяемой по шкале Бофорта. В табл. 15 представлена шкала степени волнения, согласованная с энергетическим спектром Пирсона-Московица. В качестве характерной высоты волны в этой шкале используют значительную высоту H1/3, которая равна среднему значению 1/3 наибольших в данной последовательности волн
где Dζ — дисперсия волновых ординат.
Таблица 15. Соотношение между силой ветра и характеристиками волнения (по Пирсону-Московицу)
Считается, что зафиксированные в действовавших в СССР до 1954 г. шкалах высоты волн, именуемые средними, фактически должны пониматься как волны с обеспеченностью 5—20%, т. е., как нетрудно проверить, они примерно соответствуют значительным высотам H1/3 [55].
Как правило, при определении степени волнения в процессе мореходных испытаний используют регистрирующие приборы, которые позволяют получить распределение высот и периодов волн по частоте их повторения и, следовательно, однозначно определить высоту волн с обеспеченностью 3% и средний период волн. Но иногда, в частности при наблюдениях за мореходными качествами судов в эксплуатационных условиях, ограничиваются визуальной оценкой степени волнения. Регистрируемые визуально элементы волн зависят от методики наблюдений.
В качестве визуальной оценки высоты волн Нвиз используют высоту преобладающей системы волн. Величина Нвиз, а также получаемая на основе инструментальных измерений высота с обеспеченностью 3%, являются случайными величинами (первая — по способу определения, а вторая — вследствие ограниченной продолжительности исходной волнограммы). Поэтому между оценками Нвиз и H3% существует только статистическое соответствие, т. е. определенным значениям Яви з соответствует совокупность значений и регрессионные зависимости характеризуют лишь средние соотношения между ними. Анализ таких зависимостей обнаруживает различия в оценках высот наблюдателями на малых и больших судах, которые имеют, видимо, психологическую природу и заключаются в завышении крупных волн на малых судах и занижении низких волн на средних и больших судах (рис. 83). По оценкам на больших судах при слабом волнении H3% : Нвиз = 1,3÷1,45, при сильном волнении (H3% =7÷8 м) — указанное отношение равно 1,15—1,20 [55].
Рис. 83. Зависимость между визуальной и инструментальной оценками высоты волн.
— — — Нвиз = H3%; — · — наблюдения на малых судах; — — — наблюдения на больших судах.
Визуальные оценки периода волн, выполненные с помощью секундомера, как и оценки высот, обладают большим разбросом, что определяется очень малым числом волн, которые может проследить наблюдатель вследствие группового движения видимых волн. По данным, полученным отечественными и иностранными океанографическими судами, отношение Т виз к среднему периоду волн Т убывает от 1 при малых периодах волн (3—4 с) до 0,75— 0,85 при больших периодах (7—8 с). Кроме высоты и периода волн при визуальных оценках определяют длину волн, однако это сопровождается значительными ошибками.
В качестве характеристик ветра рассматривают его силу и направление. Силу ветра определяют по 12-балльной шкале Бофорта в зависимости от средней скорости ветра на стандартной высоте 6 м над уровнем моря (табл. 16). Для приближенного определения скорости ветра на разных высотах можно использовать табл. 17, заимствованную из работы [55].
| Балл | Характеристика ветра | Скорость ветра на высоте 6 м над уровнем моря, м/с | |
| средняя | при шквале | ||
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | Штиль Тихий Легкий Слабый Умеренный Свежий Сильный Крепкий Очень крепкий Шторм Очень сильный Жестокий Ураган | 0—0,5 0,6—1,7 1,8—3,3 3,4—5,2 5,3—7,4 7,5—9,8 9,9—12,4 12,5—15,2 15,3—18,2 18,3—21,5 21,6—25,1 25,2—29,0 Больше 29,0 | 1,0 3,2 6,2 9,6 13,6 17,8 22,2 26,8 31,6 36,7 42,0 47,5 53,0 |
Таблица 17. Профиль скорости ветра над морем при нейтральной стратификации
ветра в течение 2 мин относительная погрешность может достигать 10— 15% [15].
Анемометр на движущемся судне измеряет скорость кажущегося ветра. Для определения истинной скорости ветра необходимо знать скорость судна и угол между направлением кажущегося ветра и диаметральной плоскостью судна. Простейший способ определения истинной скорости ветра — графическое построение треугольника скоростей, в котором известны две стороны и угол между ними, а искомой величиной является третья сторона, определяющая истинную скорость ветра. Для упрощения указанного построения используют имеющийся в наборе штурманского инструмента круг П. А. Молчанова.
Направление ветра определяют визуально по судовому компасу или с помощью флюгера, поворот которого относительно диаметральной плоскости судна можно регистрировать дистанционно [53]. Направление ветра обозначается так же, как и направление волнения.
Источник
Шкала Бофорта
С незапамятных времен одними из лучших мореплавателей признаются англичане. Адмиралтейские карты до сих пор считаются эталоном. А самая известная морская страховая компания-британский «Ллойд».
В совокупности с прочными английскими традициями эти факты объясняют, почему именно британец сэр Френсис Бофорт ввел в обиход стандарт для измерения силы ветра. Это событие произошло в 1806 году. По этому стандарту измеряется только сила ветра, а не сила шторма. Этот стандарт используют и сейчас.
Тогда в Британии появилась возможность прогнозировать погоду и передавать метеорологическую информацию. Но для правильной ее оценки необходимо было унифицировать данные, касающиеся ветра и его силы.
В наши дни Шкала Бофорта знакома морякам, метеорологам и туристам. Но, кроме Шкалы Бофорта, существуют еще три шкалы. С их помощью оценивают уровень морского волнения. В создание шкалы измерения волнения моря кроме англичан внесли свой вклад и россияне, и американцы.
Парусная яхта
Все варианты шкалы содержат конкретный параметр для оценки волнения. Он определяет среднюю высоту значительных волн. И называется «Significance Wave Height» (SWH).Что в дословном переводе означает: «Значительная Высота Волны».
Американцы значительными считают 30 процентов крупных волн. У англичан этот показатель-10 процентов. А в российской системе-всего лишь 3 процента.
Следовательно, волнение моря одной и той же степени четырехбалльное у американцев, пятибалльное-по английской шкале, и шестибалльное-по русской. Как же определить, что такое пять баллов? Много это или мало? Что такое сила волнения? И как оно зависит от высоты волны? Это можно увидеть из таблицы.
| Баллы | Высота волн (SWH) | Степень волнения | Признаки волнения | Английская терминология |
| 0 | 0 | Совершенно спокойное море | Зеркально-гладкое море | Calm glassy |
| 1 | 0,1 m | Спокойное море | Рябь, небольшие чешуеобразные волны без пены | Calm rippled |
| 2 | 0,1-0,5 m | Слабое волнение | Короткие волны, гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену | Smooth wavelets |
| 3 | 0,5-1,25 m | Легкое волнение | Волны удлиненные, местами барашки | Slight |
| 4 | 1,25-2,5 m | Умеренное волнение | Волны хорошо развиты, повсюду белые барашки | Moderate |
| 5 | 2,5-5 m | Неспокойное море | Крупные волны, белые пенящиеся гребни занимают значительные площади | Rough |
| 6 | 4-6 m | Крупное волнение | Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру | Very rough |
| 7 | 6-9 m | Сильное волнение | Высота и длина волн заметно увеличены, полосы пены ложатся тесными рядами по направлению ветра | High |
| 8 | 9-14 m | Жестокое волнение | Высокие, гороподобные волны с длинными ломающимися гребнями. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Поверхность моря от пены становится белой | Vert high |
| 9 | 14 m | Исключительное волнение | Высота волн настолько велика, что суда временами скрываются из виду. Море в направлении ветра покрыто пеной. Ветер, срывая гребни, несет водяную пыль, уменьшающую видимость | Phenomenal |
В этой таблице нет упоминания о шторме. Так почему же для оценки высоты волны используется именно SWH? Физика говорит, что волны могут складываться и вычитаться. Или, по другому, интерферировать. Процесс интерференции кроме средних волн обеспечивает появление волн с другой высотой.
К примеру, у американцев 50 процентов волн будет высотой в половину SWH, а 3 процента-высотой в полторы SWH. При таком раскладе каждая 1175-ая волна может быть высотой почти в две SWH. А каждая 3.000.000-я волна может иметь высоту в две с половиной SWH.
Из этого следует, что при 4-х баллах можно увидеть волну в пять с половиной метров. Как правило, такая волна одноразовая. Наверное, это так называемые волны-убийцы, которые берутся неизвестно откуда, и внезапно исчезают.
Но возможно ли измерить высоту волны с предельной точностью? Возможен единственный верный ответ-«Нет». Для этого не существует реальных приборов.
У яхтсмена один прибор-собственный глазомер. А потом все воспринимается как у рыбаков. По разным рассказам об одном и том же событии волна может иметь разный размер. Здесь все нюансы зависят от рассказчика.
Однако доказано, что на личное восприятие такого показателя, как сила ветра, воздействуют не только субъективные, но и объективные критерии.
Субъективные-подготовленность, выносливость членов команды, состав и число членов экипажа. К объективным факторам относят условия погоды, размер судна и длительность похода.
А шторм указывается на Шкале Бофора. Она включает следующие позиции:
Это означает девять, десять и одиннадцать баллов. Поэтому шторм по определению не может быть в пять или двенадцать баллов. Шторм-только девять баллов по Бофорту. И это относится исключительно к силе ветра. И не имеет отношения к высоте волны.
Может быть полезно:
Источник