Морская техника в современном мире выполняет множество задач — от подводного патрулирования до доставки важных грузов в места бедствия. Ее работа основывается на множестве физических законов, часть из которых человечество сумело успешно использовать при проектировании и эксплуатации кораблей различных классов. Некоторые же пока не удается не только использовать, но и понять. «Лента.ру» выбрала наиболее интересные физические явления, с которыми сталкиваются моряки.

С появлением мощных силовых установок, позволяющих кораблям развивать скорость в несколько десятков узлов, моряки столкнулись с эффектом, при котором через некоторое время разрушалась поверхность гребных винтов, ухудшая их характеристики. С этим же явлением сталкиваются моряки и сегодня. Речь идет о кавитации, физическом явлении, при котором в воде позади лопастей и на их задней кромке образуются мельчайшие пузырьки, заполненные паром.

Это происходит из-за резкого снижения давления воды позади лопастей винта. Вскоре после образования пузырьки схлопываются. Возникает ударная волна. От каждого пузырька в отдельности она совсем маленькая, однако, помноженная на количество этих пузырьков при длительной эксплуатации она приводит к разрушению конструкции винтов.

Рис. 1. Процесс кавитации в воде (фото: afnt.com.ua).

Помимо разрушения конструкции, кавитация вредна и сильным шумом, который при эксплуатации подводных лодок может выдавать их местонахождение противнику. Однако инженеры научились использовать кавитацию и во благо. В частности, именно на принципе кавитации работает реактивная торпеда «Шквал». В носовой ее части устанавливается специальное устройство ─ кавитатор.

При движении в воде это устройство формирует вокруг торпеды газовую каверну, благодаря которой снижается сопротивление воды и, как следствие, увеличивается скорость боеприпаса — твердотопливный ракетный двигатель «Шквала» может разгонять торпеду до 200 узлов (около 370 километров в час).

Рис. 2. Кавитатор торпеды «Шквал» (Фото: One half 3544 / wikipedia.org).

Рядом с кавитацией стоит явление гидравлического удара — собственно, в большей степени именно из-за него происходит повреждение движущихся металлических конструкций.

Гидравлический удар представляет собой резкий скачок давления в жидкости, причиной которого является быстрое изменение скорости ее течения.

Такое же явление возникает при взрыве боевой части торпеды в воде, из-за чего воздействие боеприпаса на цель усиливается. Гидравлический удар изредка встречается и на подводных лодках при дифферентовке, когда при перекачке балластной воды из цистерны в цистерну оператор допускает ошибку и перекрывает неправильный клапан.

Гидроудар называли одной из причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года.

Рис. 3. Повреждения немецкой подводной лодки U-250 (Фото: uboat.net). Основной причиной полученных повреждений стал гидравлический удар от взрыва глубинной бомбы над палубой корабля.

Рис. 4. Пост управления балластными цистернами подводной лодки Б-396 (Фото: Mike1979 Russia / wikipedia.org).

Знакомо флоту и понятие «волн-убийц», которые также известны как «блуждающие волны» или «белые волны». Они представляют собой большие одиночные волны высотой до 30 метров.

В отличие от других крупных волн, например, цунами, предсказать появление волн-убийц невозможно. Они возникают буквально ниоткуда и способны потопить корабль за считанные минуты.

Причины возникновения таких волн пока не установлены. По одной из гипотез, «белые волны» возникают из-за разницы в электрических потенциалах разных слоев воды: верхний слой, насыщаясь кислородом, набирает положительный потенциал, а глубинный ─ отрицательный. При «разрядке», как во время грозы, начинается движение больших масс воды.

Рис. 5. Танкер «Рамапо». (Фото: ВМС США).

7 февраля 1933 года танкер «Рамапо» типа «Патока» ВМС США в ходе плавания в северо-западной части Тихого океана столкнулся с самой большой волной-убийцей из когда-либо зарегистрированных. Высота волны составила 34 метра. Корабль получил серьезные повреждения, однако остался на плаву и позднее был отремонтирован. В 1946 году «Рамапо» вывели из состава ВМС США.

Рис. 6. Амплитуда волны-убийцы «Дропнера» (Изображение: math.uio.no).

1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море была зафиксирована одиночная волна высотой 25,6 метра. Она получила имя волны Дропнера. С этого момента физики всерьез занялись изучением «белых волн», до этого считавшихся вымыслом.

В подводном флоте хорошо известно другое явление, получившее название термоклина. Оно проявляется в виде резкого снижения или повышения температуры слоя воды. Такие слои, имеющие резкие температурные отличия, возникают из-за плохого перемешивания воды. Термоклин может возникать при увеличении стока теплых вод в море или при таянии ледников.

Слои с резко отличной температурой обычно располагаются в море на глубине не более 200 метров и существуют относительно недолго, но бывает и глубоководный термоклин. Он начинается на глубинах более двух тысяч метров и способен существовать достаточно долго.

Подводники научились использовать термоклин для скрытия позиции субмарин: отличающийся по температуре слой воды способен отражать звуки, поступающие извне, и экранировать шумящую подлодку, которая находится внутри него.

Рис. 7. Глубинные и температурные характеристики термоклина. (Изображение: automne-catsat.cls.fr).

Рис. 8. Отрицательная и положительная рефракция в термоклине. (Изображение: uboat.net).

В термоклине рефракция звука способна менять свойства. Так, выше термоклина рефракция положительна, в результате чего звуковые лучи отклоняются к поверхности (изображение справа), а ниже ─ отрицательна, и лучи отклоняются ко дну. При этом объект, находящийся в термоклине, остается невидим для сонаров.

Непосредственно с термоклином связано и явление пикноклина, в среде подводников именуемого «жидким грунтом». Это явление представляет собой резкий скачок плотности воды на глубине. Увеличение плотности слоя воды объясняется либо значительным отличием его температурных характеристик от окружающей воды (то есть термоклином), либо его повышенной соленостью.

Подводники иногда используют «жидкий грунт» для фиксации подводной лодки на определенной глубине ─ это называется «покладкой на жидкий грунт». При этом процессе корабль удифферентовывают с остаточной плавучестью практически до нуля, а затем погружаются или всплывают с небольшим дифферентом. Прекращение или замедление погружения или всплытия говорит о попадании в пикноклин. Затем в уравнительную цистерну принимают небольшое количество воды, и лодка оказывается надежно лежащей на «жидком грунте».

Рис. 9. Пикноклин (красный) на графике давлений в разных слоях морской воды. (Изображение: icess.ucsb.edu).

Автор: Василий Сычев.