Приступаю к изготовлению деревянной мачты методом "птичий клюв" (Birdsmouth). Он был изобретен судостроителями из Бристоля, Великобритания и является одним из самых популярных, эффективных и технологичных методов в деревянном судостроении.
Привет! Я строю парусную лодку-динги 3.8 м по проекту Радослава Вершко (Radosław Werszko) и веду этот Дневник судостроителя.
Упрощённый расчёт
Проектная длина мачты 5500 мм. Автор проекта рекомендует мачту из необозначенного алюминиевого сплава сечением 57*73 и моментом инерции I=14 см^4, а я хочу деревянную.
Момент инерции сечения - сумма произведений элементарных площадей на квадраты расстояний от рассматриваемой оси.
Вопрос 1: какой толщине стенки соответствует I = 14 см^4? Предположу, что 2 мм и подставлю это значение в формулу момента инерции для трубы диаметром 60 мм (так считать проще, чем для каплевидного сечения 57*73):
I = PI/64 * (D^4 - d^4) = 0.05 * (6^4 - 5.6^4) = 15.6 см^4
Сходится: толщина стенки мачты из алюминиевого сплава действительно около 2 мм (чуть менее).
Вопрос 2: о каком алюминиевом сплаве может идти речь? За рубежом популярен сплав A6063, после проведения самой крутой термообработки он получает обозначение A6063-T6 и приобретает прочность на растяжение/сжатие 190 МПа (1940 кгс/см^2). А если сплав - аналог дюрали Д16Т, то её предел прочности на растяжение/сжатие 410 МПа (4200 кгс/см^2).
Вопрос 3: во сколько раз должна увеличиться толщина стенки полой деревянной мачты относительно алюминиевой при равной прочности? Для поиска ответа сравню характеристики материалов.
Материал: Растяжение, кгс/см^2; Сжатие, кгс/см^2; Плотность г/см^3
Сосна (ель): 830; 350; 0.52
A6063-T6: 1940; 1940; 2.7
Д16Т: 4200; 4200; 2.8
Во сколько раз различаются:
A6063-T6/Сосна: 2.3; 5.5; 5.2
Д16Т/Сосна: 5.1; 12.0; 5.4
Итак, если стенка полой деревянной мачты будет в 6 раз толще стенки алюминиевой мачты (6*2=12 мм), то прочность деревянной мачты даже немного превзойдет прочность мачты из A6063-T6, а масса увеличится незначительно. Догнать Д16Т по пределу прочности на сжатие не получится, да этого и не требуется.
Поскольку толщина стенки увеличилась до 12 мм, то и диаметр мачты нужно увеличить: до 64 мм. Тогда, площадь поперечного сечения мачты составит 19 см^2. Работая как колонна, она сможет выдержать вертикальную нагрузку до 350*19=6650 кгс. Почему мачту следует рассматривать как колонну? А потому что на неё действуют продольные усилия от натяжение вант, форштага, фалов и т.п. Действующие нагрузки на мачту и стоячий такелаж так же пропорциональны произведению водоизмещения на плечо статической остойчивости при заданном угле крена. А водоизмещение всего-то 250 кг.
Ладно, пора завязывать... Этого детсадовского расчёта достаточно для вывода: деревянная мачта наружным диаметром 64 мм и толщиной стенки 12 мм будет уверенно работать на легком швертботе.
Примечание: главный недостаток деревянных мачт в том, что при изменении влажности древесины, мачта может изгибаться или скручиваться. Поэтому лучше использовать прямослойную древесину радиального распила, как наиболее устойчивую к короблению.
Конструкция
Мачта будет состоять из восьми реек. Каждая рейка будет склеена в длину "на ус" из трех частей. Дефектов на рейках не должно быть (почти), и единственная возможность получить такие рейки - клеить их из частей. Для изготовления реек я взял доски трех разных длин: 180, 210 и 245 см. Это позволит разнести места склеивания.
Следующая важная тема: лик-паз. Для себя я рассматриваю два приоритетных метода изготовления лик-паза: фрезерованием и накладным алюминиевым профилем.
Фрезерованный паз имеет два недостатка: ослабит мачту по задней стенке и будет мешать её оклейке стеклотканью или углеволокном (если это потребуется).
Лик-паз в виде накладного алюминиевого профиля не имеет обозначенных недостатков. Существует специальный профиль для деревянных мачт, но в силу некоторых всем известных причин, проще и дешевле приобрести станочный T-track 19x12. Ползуны в этом случае придется сделать самостоятельно.
Я не планирую оклеивать мачту вдоль стеклотканью или углеволокном, на мой взгляд она и без этого имеет достаточную прочность на растяжение, а прочность на сжатие таким образом не увеличить. На тему укрепления мачты поперёк (обхватить кольцами, обвить лентой и т.п.) - я ещё подумаю.
Внутри мачты (на её концах и вдоль длины) будут размещаться перегородки. Они обеспечат устойчивость конструкции (способность сохранять первоначальную форму под нагрузкой) и усиление в местах крепежа. Это будет немного напоминать рассеченный ствол бамбука.
Пилю рейки
Сперва распустил доски на бруски 25x46 (46 мм - толщина "усохших" досок с исходным размером в 50 мм). А потом каждый брусок распилил на три рейки 12х25. Всего получилось 33 рейки. Из них нужно выбрать 24 лучшие.
Рейки подобрал "тройками" и отмаркировал. Самые качественные "тройки" займут позиции 1, 3, 5, 7.
При пилении было важно строго соблюсти ширину и толщину реек, в этом очень помог упругий прижим (на фото ниже). Простейшее, но очень эффективное приспособление, силу прижима можно регулировать в широком диапазоне.
Фрезерую "клювики"
Для фрезерования потребовался боковой прижим с большим, чем при пилении, усилием (рейки не всегда ровные, и прижим их выправляет). А ещё фреза сильно отжимает заготовку вверх, приходится вдавливать её в стол, но тогда продольная подача заготовки выполняется с большим трудом (особенно если стол и заготовка испачканы смолой). Пришлось пригласить помощника и поручить ему толкать рейку. Дело пошло раза в три быстрее.
К концу работы пальцы онемели, но, слава Богу, сохранились в целости. На рейках отметил места, где будут сниматься фаски для склеивания "на ус".
Срезаю фаски
Фаски 1:12 режу на циркулярке с помощью простого приспособления из куска фанеры и бруска.
Разметка "иксами" позволяет отмахнуть фаски в нужных местах: не задумываясь, не теряя время, не допуская ошибок.
Фаски на выходе получились вот такими:
Выбранный мною порядок операций имеет недостаток: при склеивании "на ус" эпоксидная смола может затечь куда не следует и испортить форму "клюва", тогда её придётся восстанавливать. Но есть и достоинство - это работа с короткими заготовками на фрезерно-циркулярном столе.
А далее мне предстоит склеивание. Пока ещё не представляю, как это будет...
Итог за период
- Время: 12 часов
- Деньги: 0 руб (доски для мачты мне достались бесплатно)
Всего за проект
- Время: 563 часа
- Деньги: 57981 руб
Следующая статья: Делаю деревянную мачту - рейки и стапель