Фундаментальная и прикладная гидрофизика – 2011, т.4, № 1.-с. 88-96.

Биография

Уильям Фруд родился в 1810 году в Дарктинтоне в Девоне ¹⁾. в литературной и академической семье. Он был братом Джеймса Антонии Фруда – известного историка, и Юрелла Фруда – писателя и священника. Уильям женился в 1839 году на Катерине Генриетте Элизабет Холдсворд, дочери губернатора Дортсмута, коммерческого магната и члена Парламента. У Уильяма Фруда было пятеро детей. Его младший сын Роберт Эдмонд стал затем его помощником и последователем.

Уильям Фруд получил образование сначала в подготовительной школе в Баксфастле, а затем в Вестминстерской школе в Лондоне и в Ориел колледже. Высшее образование он получил в Оксфордском Университете, где углублённо изучал литературу по математике и классике. Оксфордский Университет он закончил первым по математике в 1832 году и получил степень инженера.

Уильям Фруд начал свою работу землемером на Юго-Восточной Железной дороге, которая была построена к 1837 году. Он был ответственным за конструкцию той части дороги, которая идёт от Бристоля до Эксетера. Здесь он разработал свой эмпирический метод разметки переходных криволинейных дорожек и геометрию наклона каменной кладки мостов. Следующие двадцать лет были важны для Фруда, поскольку он сконцентрировался на трудных математических и прикладных научных задачах.

Между 1836 и 1838 годом он служил как гражданский инженер – строитель, а затем он вошёл в штат Исамбарда Кингдома Брунеля ²⁾ для работы над различными инженерными проектами Южной Англии, включая воздушную железную дорогу Девона.

Хотя проекты Брунела не всегда были успешны, однако они часто содержали новаторские решения ранее поставленных инженерных задач. В течение его короткой карьеры Брунель многое получил впервые, включая конструкцию первого туннеля под судоходной рекой и разработку для СС Великобритании первого управляемого океанского винтового металлического корабля, который был в то время (1843 год) самым большим из когда-либо построенных. Его пароход сыграл значительную роль в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля в 1865 году. Именно Брунель обратил внимание Фруда на устойчивость кораблей на курсе, и в 1838 году по его рекомендации суда были обеспечены скуловыми килями.

Джеймс Антонии Фруд Историк. Брат Уильяма

Эксетер в 1844. Место, в котором была проведена железная дорога к Девону

Море и корабли всегда привлекали Фруда и обладали для него особым обаянием, поэтому он вскоре начал проводить эксперименты по определению сопротивления на малых моделях судов на реке Дарт. С 1859 года он проводил эксперименты с моделями кораблей у себя дома. Сначала в Пейгнтоне, а потом в опытовом бассейне в Торквее. В1861 году Фруд отправил в Институт Военно-Морских архитекторов статью, которая оказала большое влияние на проектирование кораблей.

Начиная с 1867, Фруд буксировал модели попарно так, чтобы один корпус был расположен напротив другого. Фруд считал, что сопротивление трению и волновое сопротивление следуют различным законам, поэтому он начал буксировать полностью погруженные доски с различной шероховатостью поверхности. Это дало ему возможность установить формулу, которая предсказывает сопротивление трения корпуса с достаточной точностью, и сформулировал закон, известный как закон подобия Фруда. Этот закон гласит, что остаточное сопротивление, в которое входит волновое, подобно для моделей, у которых размерения меняются как куб их размеров, если их скорости меняются как квадратный корень этих размеров. С этими двумя аналитическими результатами Фруд нашел надёжный способ оценки мощности, требуемой для того, чтобы корпус двигался с заданной скоростью.

Вестминстер

После смерти своего отца, Уильям Фруд переехал в Пайгнтон, и там начал свои исследования по сопротивлению твердых тел при движении в жидкости. Первоначально корпуса судов буксировались проводами, перекинутыми через крышу дома, с присоединённым падающим грузом, но потом работа стала более сложной и проводилась на водоемах и на открытой воде ближнего к Дортмуту ручья. Фруд опубликовал работу по циркуляции кораблей во втором томе трудов Института Военно-морских Архитекторов и, благодаря этому, познакомился с Сэром Эдвардом Ридом, автором диаграммы остойчивости, известной как диаграмма Рида. Фруд тоже проводил эксперименты на моделях и теоретическую работу по остойчивости кораблей. Его общие выводы сохраняются при стандартном описании бортовой качки и осцилляции кораблей.

После службы в 1868 в комитете по изучению военно-морских проектов Фруд предложил Британскому Адмиралтейству ряд экспериментов с использованием моделей для определения физических законов, управляющих полноразмерными кораблями. Вскоре Фруд загорелся идеей построить свой собственный испытательный бассейн, где он мог бы работать без помех и замечаний непонимающих зрителей. Его предложения были приняты в 1870, и в месте, близком к Торквею, опытовый бассейн был построен.

Ориель Колледж (Oriel College)

Роберт Эдмонд Фруд младший сын и главный помощник Фруда (1846-1924)

Это произошло следующим образом. Как-то в 1860-е годы Фруд приобрел землю в Торквее и построил себе дом, известный как Челстон Кросс. Тогда же он привлёк внимание к своей работе с моделями Сэра Эдварда Рида, главного кораблестроителя, и при поддержке последнего получил субсидию Адмиралтейства в 2000 фунтов стерлингов, чтобы покрыть стоимость здания испытательного бассейна, примыкающего к Челстон Кросс, издержки повседневной эксплуатации бассейна и дать маленькое жалование своему сыну и главному помощнику, Роберту Эдмонду Фруду. Сам Уильям Фруд отказался от жалованья. Гибель в августе 1871 «Капитана», большого двухвинтового броненосца, проект которого отличался множеством недостатков, приведших к аварийной ситуации, способствовала ускорению работы по постройке бассейна. Корабль опрокинулся в Заливе Бислау с потерей почти всего экипажа в 500 человек. Эта большая трагедия утвердила Фруда в его решении выполнить работу по определению постоянных ошибок проектов и конструкций кораблей.

С незапамятных времен разработка корпуса английских кораблей была в значительной степени основана на эмпирических правилах, полученных в результате накопленного опыта мастерами кораблестроения и судоремонта. Ещё раньше в эпоху Просвещения любители - экспериментаторы делали попытки найти научные способы для обоснования этих правил, подобно Уильяму Фруду. Такими были, например, Джон Франклин, Шарль Боссю, и Марк Бьюфой, который основал Общество усовершенствования военно-морской архитектуры ещё в 1791.

Самые первые из экспериментов были проведены Фрудом на масштабных моделях винтовых канонерок «Сван» 3,6 футов длиной или ~1,1 м и «Равен» 12 футов длины или ~3,66м на фотографии. Он использовал их при буксировочных испытаниях для определения сопротивления и разработки закона пересчёта. Для этих экспериментов Фруд изобрёл более точное записывающее устройство, сооружённое из олова с помощью паяльника. Всё это хранятся сейчас в Научном музее Кенсингтона. Эти модели показаны на приводимой фотографии. Модель «Равен» имела заострённые ватерлинии, которые были выполнены, следуя Джону Скотту Расселу. Но модель «Сван» имела тупые ватерлинии, в предположении, что это приведёт к уменьшению сопротивления. Именно в результате этих экспериментов Фруд обнаружил, что главные составляющие сопротивления движению – это трение корпуса и образование волн.

«Сван» (вверху) и «Равен», испытанные Фрудом в бассейне

В результате всей этой работы Фруд получил практический метод проектирования кораблей, позволивший устранять дефекты, приводящие к тяжёлым и бесполезным потерям жизней на море. Впервые в мире был проведен эксперимент на модели с использованием метода Фруда в 1871. Это была миниатюрная версия корабля Greyhound вооружённых сил Великобритании. Его морские испытания происходили годом позже в Соленте. Сформулированный Фрудом закон подобия для плавающих в жидкости тел позволил военно-морским инженерам предсказывать по испытаниям малых моделей сопротивление движению кораблей и мощность, необходимую для их движения с заданной скоростью. Работа в бассейне привела Фруда к необходимости создания механизма для обработки поверхности моделей, динамометров и оборудования в виде записывающего устройства во время движения модели ³⁾ . Работа Фруда, а позже его сына Роберта, была потрясающей и охватила много проблем в области проектирования корабля, включая двигатель, движитель, рулевое устройство, качку, поворотливость и устойчивость. Шесть лет Фруд был экспертом по новому разделу гидродинамики, служил во многих национальных комитетах и общался с коллегами во всем мире. Такая работа подорвала его здоровье, и он отправился официальным гостем от Королевского Военно-Морского Флота в Южную Африку, чтобы заодно поправить своё здоровье. Однако по пути он заболел дизентерией и умер 4 мая 1879 года в Кейптауне, где и был захоронен со всеми морскими почестями.

После смерти Уильяма Фруда уже 27-ого мая 1879 года Лорды Адмиралтейства написали Роберту Фруду на смерть отца такое письмо: «Мои Лорды желают принести Вам и всем членам Вашего семейства очень искреннее сочувствие во время непоправимой потери, которую Вы понесли - потери, которая не может рассматриваться иначе, чем национальная. Они чувствуют, что господин Фруд сослужил большую службу Флоту и стране, отдав свои выдающиеся способности, знания и наблюдательность для усовершенствования проектов кораблей, и нельзя оставить его заслуги без такой награды, как благодарность, написанная на стене Адмиралтейства».

Эта - эпитафия в равной степени применима к его сыну Роберту Эдмонду Фруду, в то время как комплекс зданий, которые включают исследовательские институты Адмиралтейства в Хасларе, являются рабочим мемориалом им обоим. Дело в том, что к 1885 году бассейн в Торквее истощил свои возможности, и арендный договор на землю с бассейном также истёк. Срочно требовался новый и намного больший участок для расширения работ. После смерти отца Роберт Фруд в 1886 году успешно контролировал перенос экспериментальных работ Адмиралтейства. Он работал в Хасларе, рядом со смежным каналом в Докъярде. Он сам выбрал участок в Хасларе, предпочтя его трём другим. Это объяснялось, возможно, относительной изоляцией Хаслара. Хаслар, как и сто лет назад, расположен далеко и до наших дней остался мало доступным, несмотря на современный транспорт и автострады. Заинтересованные люди, желающие использовать бассейн длиной 475 футов (~145 м), шириной 20 футов (6,1 м) и 9 футов (~2,75 м) глубиной, с его полумиллионами галлонов пресной воды, имели изначальную цель моделировать Гавань Портсмута. Для самых желанных посетителей, Роберт Фруд писал, что «..здесь нет паромов, прогулочных судов или других средств, чтобы пересечь Южное море ближе, чем Блокгауз Форт, за исключением специально оборудованных мест. Я должен сказать, что легко нанять лодку на берегу Южного моря, и нет более сохранного и надёжного места, чтобы отойти или войти лодке, чем причал в Хасларе, который доступен при отливе и в любую погоду»

Переезд в Хаслар совпал с огромным увеличением Военно-морской программы судостроения. Статистика первых двух декад модельных испытаний в Хасларе внушительна. К 1918 приблизительно 500 моделей различных военных кораблей были субъектами испытаний строго по программе. В это число входят знаменитый «Дредноут», установленный в Портсмутской Верфи в 1906, 33 линейных корабля, 46 крейсеров, 61 миноносец, 14 подлодок и 20 разнообразных судов.

Для проведения модельных испытаний Фруду необходимо было, кроме чаши бассейна и моделей, придумать соответствующее оборудование. Аппаратура, впервые изобретенная Уильямом Фрудом и его сыном Робертом больше столетия назад, изменилась в принципе очень немного. Каретка выполняется и движется по перилам по сторонам бассейна, которые тщательно выравниваются, чтобы учесть кривизну поверхности земли. Эта передвижная каретка оборудована динамометром, под которым установлена масштабная модель. Цель этого изобретения Фруда состоит в том, чтобы записать скорость, характеристику и сопротивление модели корабля в неподвижной воде так же, как и при его движении на волнении, которое может быть искусственно создано волнопродуктором. Модели в течение десятилетий изготавливались из парафина, хотя в настоящее время все более и более используется фиброглас (стекловолокно). Каждая модель Фруда отвечала примерно 20 футам (6,1 м) по длине с шириной 2 фута (0,61 м) и приблизительно в дюйм толщиной. Такие размеры моделей практически сохранились до наших дней, как оптимальные. В 1885 году Роберт Фруд объяснил, каким способом можно достичь гладкости поверхности корпуса: «Обрабатывая наружную поверхность нашей парафиновой модели, мы используем изогнутый стальной профиль. Поскольку важно, чтобы модель имела абсолютно гладкую поверхность, её скоблят острым, незазубренным ребром. Для этого мы используем более мягкий скребок, чем зубчатая пластина, вследствие чего его грани быстро стираются и ломаются, если они наталкиваются на какой-нибудь гравий».

Во всех бассейнах существует одна проблема, которую впервые пришлось решать Роберту Фруду. Дело в том, что вода в бассейне становилась мутной из-за роста морских водорослей. Роберт Фруд решил эту задачу в обычном практическом ключе. Он поселил угрей, взяв их из пресной воды озера Гилькикер, и эти создания любезно жевали водоросли, уменьшая их рост, пока сами они не были уничтожены введением химических агентов очистки. Роберт Фруд оставил Хаслар в 1919 году с полной программой испытаний, начавшейся ещё в 1886.

Имелся ещё один важный результат работы Фруда. Кроме модельного исследовательского бассейна Фруд изобрёл в 1877 году водяной тормоз. Водяный тормоз - это тип гидравлического динамометра, который был фактически ответвлением в исследованиях Фруда. Прежде всего, он использовался, чтобы измерить мощность в лошадиных силах двигателей внутреннего сгорания. Водяной тормоз состоит из ротора, размещённого внутри заполненного водой объёма и двигателя, который вращает ротор. Вода сопротивляется этому вращению, замедляя его, и мощность любого двигателя, таким образом, может быть определена измерением сопротивления, оказываемого водой.

Суда, корпуса которых испытал Фруд

Морское историческое наследие в гавани Портсмут и превосходство Англии, как морской державы в течение всего Викторианского периода, явились уплатой долга пионерской работе Фрудов. Однако немногие, кроме тех, кто интересуется военно-морской архитектурой, когда-либо слышали о Фрудах или имеют хоть какое-то представление о значении их работы. Тем не менее, изданные ими статьи используются до наших дней военно-морскими архитекторами, поскольку в них даются фундаментальные решения основных задач исследования модели корабля. Фруд дал научный подход к разработке корпуса и винта, что существенно для их усовершенствования. Научно же разработанный корпус приводит к более надежному и более рентабельному флоту. Используя закон Фруда, Британский флот был способен буксировать свои корабли из одного места до другого более эффективно.

Картина, полученная Фрудом для носовых волн и опубликованная в его статье ⁴⁾ о влиянии длины цилиндрической вставки на горбы и впадины на кривой волнового сопротивления, имеет большое значение для современных исследований. Важно то, что Фруд уже тогда хорошо понимал большое значение наблюдений за волнообразованием, которым вплотную начали заниматься в Японии почти через сто лет после Фруда. Интересно то, что картина волнообразования, данная Фрудом, схватывает характеристики судовых волн так точно, как будто это сегодняшний уровень, что является свидетельством таланта Фруда, как наблюдателя.

Признание Уильяма Фруда как инженера - новатора произошло уже во время его жизни. После его смерти Роберт Эдмонд Фруд получал со всего мира просьбы о советах по созданию бассейнов, подобных во всех отношениях тому, который был в Хасларе. Италия и Россия первыми построили опытовые бассейны для испытаний моделей судов, которые полностью эксплуатировались до конца последнего столетия.

Первый российский опытовый бассейн был построен в Санкт-Петербурге в Новой Голландии в 1894 году. В его создании принимали активное участие академики Алексей Николаевич Крылов и Дмитрий Иванович Менделеев. Длина Менделеевского бассейна - 122 м, ширина - 6.5 м, глубина - 3 м. (Ныне Менделеевский опытовый бассейн разрушен и на его месте строится развлекательный центр!). Первый коммерческий бассейн в Великобритании был построен Сэром Уильямом Дэнни (Sir William Denny of Denny Bros) в Думбартоне.

Литература

1. The Papers of William Froude, 1955 London: Institution of Naval Architects (The Institution also published a memoir by Sir Westcott Abell and an evaluation of his work by Dr R.W.L. Gawn of the Royal Corps of Naval Constructors; this volume reprints all Froude’s papers from the Institution of Naval Architects and other sources as diverse as the British Association, the Royal Society of Edinburgh and the Institution of Civil Engineers).
2. A.T.Crichton, 1990, ‘William and Robert Edmund Froude and the evolution of the ship model experimental tank’, Transactions of the Newcomen Society 61: 33–49.

Составитель д.т.н., проф. А.Ш. Готман

4 мая 2009 года – в 130 годовщину смерти Уильяма Фруда Адмирал Кельвин Ватсон кладёт венок на могилу Уильяма Фруда в старом месте погребения в городе Сифорд в Англии.
(Адмирал Ватсон в настоящее время Почетный Секретарь Кейптауна)


Опытовый бассейн, построенный Фрудом в Торквее в 1871 году
(Chelston Cross Tank at Torquay Circa 1871)


Гамбургский опытовый бассейн
(вид по ходу движения тележки)


Гамбургский опытовый бассейн
(вид на тележку)


Опытовый бассейн Берлинского Университета, знаменитый тем, что в нём проводил свои эксперименты Вейнблюм


Одна из двух сохранившихся моделей Вейнблюма в опытовом бассейне Берлина
(В 20-тые и 30 –тые годы ХХ -го столетия в Англии Виглей, в Германии Вейнблюм проводили испытания масштабных серий аналитических моделей для проверки теории Мичелла)


Испытания длинной модели в опытовом бассейне НГАВТ для проверки теории Мичелла