Гидротехника, кораблестроение и становление механики жидкости в XVIII веке

Судостроение или Кораблестроение — отрасль тяжёлой промышленности, осуществляющая постройку судов. Корабли, обычно строят на специализированных предприятиях, которые называются верфями.

Судостроение, как область  коллективной деятельности людей, зародилась в глубокой древности в связи  с возникновением потребности в  судах значительных размеров. Развитое судостроение существовало в Древнем Египте, в Финикии, Древнем Китае. В Средние века суда в значительных количествах строились в Византии, в государствах Средиземноморья и Северной Европы, в Древней Руси.

С VII века у восточных славян последовательно менялась схема  строительства: от каркасного (плетёного) судна, обтянутого корой или кожей (древнего корабля), к однодревке и набойной лодье, и, далее, к дощатому судну. Уже в VIII веке спускаются со стапелей килевые,  клинкерные суда с дощатой клинкерной обшивкой,  с симметрично заостренными носовой и кормовой частями, а также плоскодонные суда с прямыми бортами и с дощатой обшивкой встык, с заостренной носовой и усеченной кормовой, а также, возможно, с симметрично усеченными частями.

В XV—XVI вв. судостроение начало интенсивно развиваться в Португалии и Испании, позднее — в Англии, Нидерландах, Франции и других странах, при этом пеньку — материал для парусов и иной оснастки судов — поставляли Россия и Великое княжество Литовское.

Предшественником судостроения следует считать ремесло первобытных  людей по связыванию из отдельных  брёвен плотов. С развитием доступных  инструментов и умения древних людей  появились выдолбленные из дерева или  обтянутые звериными шкурами пироги и каяки. Постепенное увеличение размеров этих плавсредств привело к появлению водоизмещающего корпуса, который стал неотъемлемой чертой кораблей на всё последующее время.

Изначально водоизмещающие корпуса были небольшие по размеру, но уже содержали в себе все  элементы современных кораблей —  силовой каркас из продольных рёбер  жёсткости — киля и стрингеров, а также поперечных — шпангоутов. К каркасу крепилась обшивка, основным конструкционным материалом было дерево. Изначально размеры корабля и определялись наиболее доступной длиной пиломатериалов для строителей. Со временем люди научились соединять отдельные детали в шип и в паз, скреплять соединения клеем или гвоздями, выгибать шпангоуты нужной формы. Таким образом, появились первые мореходные корабли, для защиты которых от захлёстывания волнами появилась палуба. Конструкции по поддержанию палубы — бимсы, пиллерсы и кницы дополнительно усиливали прочность корпуса в целом. В дальнейшем, уже до индустриальной эпохи, конструкция деревянных корпусов судов значительных изменений в принципе не претерпела, экстенсивно расширяясь в сторону увеличения размеров корабля, числа его палуб, применения новых пород и сортов древесины, методов её сохранения от влияния воды и жучков-древоточцев. Постоянно совершенствовались внешние формы обводов судов для достижения заданных судостроителями характеристик — скорости, мореходности или грузоподъёмности корабля.

 

О судостроении XVII в. сохранилось  много сведений, так как они были зафиксированы в рукописях и книгах, по которым можно проследить развитие судов во всех деталях. Суда были вооружены тремя мачтами с марселями, причем на двух из них имелись брамсели, а на бизань-мачте — латинская бизань; под бушпритом был прямой парус—блинд. Появляются и добавочные паруса: лисели и ундер-лисели.

В XVII в. по заказу специальных  торговых компаний был создан новый  тип судна, предназначенный для  перевозки грузов с востока. Наиболее знаменитой была Ост-Индская компания, поэтому суда иногда называют ост-индскими. Их водоизмещение в среднем составляло 600 т. Суда несли три основные мачты  и на конце бушприта дополнительную маленькую мачту (англичане называли ее бушпритной фок-мачтой) — блинда-стеньгу — с прямым парусом. Эта мачта была и на военных судах с XVI до середины XVIII в.

Хотя суда Ост-Индской  компании и были вооружены 16—20 пушками, они не могли успешно сражаться  с военными судами, поэтому вскоре торговые суда начинают отправлять под  конвоем военных. Различие между  военными и торговыми судами стало  более отчетливым.

Отношение длины корпуса к ширине ост-индских судов было еще больше, чем у галионов. На киль устанавливали флортимберсы (первые нижние части шпангоутов), а на них и на киль укладывали кильсон. К флортимберсам крепили изогнутые части шпангоутов - футоксы, а к ним топтимберсы, образующие борта судна. Шпангоуты ставили на небольшом расстоянии друг от друга, особенно в местах больших нагрузок, а в районе установки мачт они были двойными. Набор подкрепляли горизонтальными и вертикальными кницами. Корпус изготовляли из дуба, причем при постройке старались, чтобы форма дерева соответствовала форме детали и, следовательно, изгиб волокон соответствовал ее изгибу. В результате уменьшался отход древесины, и получались чрезвычайно прочные детали. К шпангоутам дубовые доски обшивки крепили при помощи деревянных шипов: железные гвозди старались не применять, так как они быстро ржавели, диаметр их уменьшался, и они выпадали. Внешняя обшивка корпуса имела толщину 10—15 см, внутренняя—до 10 см, поэтому общая толщина корпуса, включая шпангоуты, составляла около 60 см. Швы обшивки проконопачивали паклей, пропитанной тиром и смолой. Для защиты от древоточцев, разрушающих дерево в воде, подводную часть корпуса, предварительно смазанную тиром, покрывали досками из вяза, толщиной 2 см. Доски крепили железными гвоздями, поставленными так близко друг к другу, что их шляпки образовывали почти сплошное металлическое покрытие.

Такой способ защиты был  широко распространен в английском флоте с XVI в. Всего для постройки корпуса парусного военного судна требовалось в среднем около 2000 хорошо высушенных дубов. Палуба по всей длине была свободной, а в носовой части ограничивалась поперечной переборкой — бикгедом. От переборки вперед и вверх отходила изогнутая носовая оконечность — гальюн — устройство, безусловно, перенятое от галер. Гальюн с носовым украшением — гальюнной фигурой — крепился на княвдигеде, с боков гальюн ограничивали плавно изогнутые рейки — регели. На корме находился невысокий квартердек с галереей, где размещались кормовые камеры и офицерские каюты с широкими окнами.

В зависимости от размерений судна его внутреннюю часть делили палубами так, чтобы получаемые объемы можно было использовать наиболее целесообразно.

Мачты состояли из трех частей: нижней мачты, стеньги и брам-стеньги. С боков мачты и стеньги  удерживали ванты, набивавшиеся особыми  талями, закрепленными на корпусе: в  этих талях вместо блоков применяли  юферсы. В продольном направлении  мачты поддерживались штагами. Мачты  и бушприт несли прямые паруса, бизань-мачта — внизу латинский  парус, а вверху тоже прямой. В середине XVII в. парусность судов увеличивается  за счет введения стакселей. Для работы с парусами использовали многочисленные снасти — бегучий такелаж, а для  работы с прямыми парусами под  реями натягивали специальные тросы  — перты, на которые матросы опирались  ногами.

На судах вводится ряд  устройств для облегчения работы. Большие тяжести на военных судах поднимали при помощи вертикальных шпилей, а на торговых — горизонтальных лебедок. Для подъема якоря используют специальную кат-балку. Для откачки воды, сравнительно легко попадающей внутрь судна через подводную часть корпуса или через палубу, на деревянных судах имелись помпы. Камбуз размещали под палубой, непосредственно под баком. В конце XVII в. на судах повсеместно вводят подвесные койки — гамаки. Жизнь на борту регулируется ударами в колокол, который был введен в конце средних веков. Первоначально судовой колокол находился на корме, а в XVII в. его стали помещать в носовой части судна, на палубе вблизи бака. 

В XVIII в. значительно совершенствуются деревянные судовые конструкции, вследствие чего стала обычной постройка  судов водоизмещением до 2000т.  Наиболее крупными судами были военные, водоизмещение которых достигало лишь 600т.   В этом веке исчезают шпрюйты булиней — снасть, состоящая из нескольких концов и служащая для оттягивания наветренного края прямого паруса, с 1750 г. отказываются от блинда-стеньги. Вместо этого на бушприте устанавливают утлегарь для постановки среднего кливера, кливера и бом-кливера. Заметим, что на английских судах кливера появились в 1702 г. С 1705 г. в употребление входит штурвал, при помощи которого можно было управлять рулем, находясь на квартердеке.

В XVII в. основой военных  флотов становятся линейные суда. Термин “линейный корабль” появился в связи с возникновением новой тактики морского боя. В бою суда старались выстроиться в ряд или линию так, чтобы во время своего залпа быть повернутыми к противнику боком, а во время его залпа — кормой. Дело в том, что наибольший урон вражеским судам наносил одновременный залп бортовых орудий.

 

   

Линейные суда в разных флотах различались по числу батарейных палуб. В середине XVII в. в Англии делят  суда на восемь рангов. Судно 1-го ранга имело водоизмещение 5000 т и три палубы со 110 орудиями; 2-го ранга—3500 т, две палубы с 80 орудиями; 3-го ранга — 1000 т, одну палубу с 40—50 орудиями и т. д. Подобное деление с небольшими отклонениями было принято и в других странах, но общих принципов классификации судов не существовало.

Через некоторое время  в Англии начинают строить фрегаты, которые были меньше, чем линейные суда; размеры фрегатов постепенно увеличивают, и они начинают нести до 60 орудий. Еще меньше по размерам были корветы, вооруженные 20— 30 орудиями, бригантины с двумя мачтами и 10—20 орудиями, тендеры — маленькие вооруженные суда с одной мачтой, прямым и гафельным парусами и кливером.

В конце XVIII в. в Средиземноморье  появляется судно совершенно нового типа — бомбарда — с двумя мачтами: передней — грот-мачтой с прямыми парусами и задней — бизань-мачтой с косыми парусами. На месте фок-мачты находилась мощная платформа, на которой устанавливали две большие мортиры. Суда последнего типа оказались очень действенными при обстреле крепостей и осаде прибрежных городов. Существовали в XVIII в. еще шебеки — суда с очень острым корпусом и двумя мачтами, которые несли латинские паруса, и фелюки — двухмачтовые суда с латинскими парусами и веслами. В основном эти суда предназначались для каперства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В течение XVIII в. развитие науки  и техники существенно не отразилось на судостроении. Практически, кроме  ряда мелких нововведений, ни конструкция  корпуса, ни расположение парусов не претерпевают изменений. До недавнего  времени не менялся и такелаж.

Во второй половине XVIII в. корпуса судов становятся значительно  прочнее, так как увеличивается  число шпангоутов. При этом каждый второй имеет двойную толщину. Корма  продолжает оставаться транцевой. Предложение Роберта Сеппингса — инспектора английского флота — делать корму круглой, выдерживающей большие нагрузки, проводится в жизнь значительно позже. Ему же принадлежит введение на военных судах добавочных подкреплений шпангоутов — ридерсов — диагональных полос, накладываемых поверх шпангоутов. В результате этого корпус становится более жестким и лучше противостоит изгибам во время сильного волнения

В начале XIX в. флоты всех европейских держав состояли почти  из однотипных судов; США строили  большие и сильные фрегаты; наиболее знаменитым является “Конститьюшн”, до сего времени сохраняемый в Бостоне. В это время на судах все чаще начинают устанавливать паровые машины. Первые паровые машины занимали много места и были малопроизводительными, для их работы требовалось большое количество угля. Суда с паровыми машинами несли и полное парусное вооружение на случай, если кончится уголь.

В 1834 г. произошел перелом  в отношении судостроителей к  железу как к судостроительному  материалу. Этому способствовал  случай: на мель село железное судно  “Кэрри Оуэн” и несколько деревянных судов. Большинство деревянных судов разбилось, а “Кэрри Оуэн” получило лишь мелкие повреждения, что послужило убедительным доказательством более высокой прочности железного судна. С этого времени “железное судостроение” распространяется все шире и шире и к середине XIX в. утверждается безоговорочно.

 

4. Становление механики жидкости в XVIII веке.

 

Середина и конец XVIII века. Формируются теоретические основы современной механики жидкости. Зарождается техническое (прикладное) направление механики жидкости. Во Франции начала постепенно образовываться особая школа - школа ученых-инженеров, которые стали формировать механику, как прикладную (техническую) науку. Рассматривая гидравлику, как отрасль техники, а не математики, представители этой школы ввели преподавание механики жидкости в технических учебных заведениях. К концу XVIII в. французская школа стала основной гидравлической школой в области технических наук. 
Научные основы были заложены тремя учеными XVIII века: Даниилом Бернулли, Эйлером и Д'Аламбером.

   Д. Бернулли (1700- 1782) - выдающийся физик и математик - родился в Гронингене (Голландия). С 1725 по 1733 г. жил в Петербурге, являлся профессором и членом Петербургской Академии наук. В Петербурге он написал свой знаменитый труд "Гидродинамика", который был впоследствии опубликован (в 1738 г.) в г. Страсбурге. В этом труде он осветил ряд основополагающих гидравлических вопросов и в частности объяснил физический смысл слагаемых, входящих в современное уравнение установившегося движения (идеальной жидкости), носящее его имя.

 

 

 

 

 
Л. Эйлер (1707-1783) - великий математик, механик и физик - родился в г. Базеле (Швейцария). Жил в Петербурге с 1727 до 1741 г. и с 1766 г. до конца жизни. Был членом Петербургской Академии наук. Умер в Петербурге. Могила его находится в Ленинградском некрополе. Эйлер не только подытожил и обобщил в безупречной математической форме работы предшествующих авторов, но составил известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости, носящие его имя, а также опубликовал целый ряд оригинальных решений гидравлических задач, широко используя созданный к тому времени математический аппарат.

 

     Ж. Д'Аламбер (1717-1783) - математик и философ; член Парижской, французской и других Академий наук, а также Петербургской Академии наук (с 1764 г.). Опубликовал ряд трактатов, относящихся к равновесию и движению жидкости; предполагают, что Д'Аламбер первый отметил возможность кавитации жидкости. 
В указанный период существенный вклад в дело развития механики жидкости внесли также два выдающихся французских математика того времени: Ж. Лагранж (1736-1813), который ввел понятие потенциала скорости и исследовал волны малой высоты, и П. Лаплас (1749-1827), создавший, в частности, особую теорию волн на поверхности жидкости.