Остойчивость судна что это такое

Остойчивость судна.

Остойчивостью называется способность судна, отклоненного от положения равновесия, возвращаться к нему после прекращения действия сил, вызвавших отклонение.

Наклонения судна могут происходить от действия набегающих волн, из-за несимметричного затопления отсеков при пробоине, от перемещения грузов, давления ветра, из-за приема или расходования грузов.

Наклонения судна в поперечной плоскости называют креном, а в продольной — дифферентом. Углы, образующиеся при этом, обозначают соответственно θ и ψ

Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, и опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает.

Остойчивость судна при поперечных наклонениях называется поперечной. Она является наиболее важной характеристикой судна, определяющей его мореходные качества.

Различают начальную поперечную остойчивость при малых углах крена (до 10 — 15°) и остойчивость при больших наклонениях, так как восстанавливающий момент при малых и больших углах крена определяется различными способами.

Начальная остойчивость. Если судно под действием внешнего кренящего момента МКР (например, давления ветра) получит крен на угол θ (угол между исходной WL0 и действующей WL1 ватерлиниями), то, вследствие изменения формы подводной части судна, центр величины С переместится в точку С1 (рис. 5). Сила поддержания yV будет приложена в точке C1 и направлена перпендикулярно к действующей ватерлинии WL1. Точка М находится на пересечении диаметральной плоскости с линией действия сил поддержания и называется поперечным метацентром. Сила веса судна Р остается в центре тяжести G. Вместе с силой yV она образует пару сил, которая препятствует наклонению судна кренящим моментом МКР. Момент этой пары сил называется восстанавливающим моментом МВ. Величина его зависит от плеча l=GK между силами веса и поддержания наклоненного судна: MВ = Pl =Ph sin θ, где h — возвышение точки М над ЦТ судна G, называемое поперечной метацентрической высотой судна.

Из формулы видно, что величина восстанавливающего момента тем больше, чем больше h. Следовательно, метацентрическая высота может служить мерой остойчивости для данного судна.

Величина h данного судна при определенной осадке зависит от положения центра тяжести судна. Если грузы расположить так, чтобы центр тяжести судна занял более высокое положение, то метацентрическая высота уменьшится, а вместе с ней — плечо статической остойчивости и восстанавливающий момент, т. е. остойчивость судна понизится. При понижении положения центра тяжести метацентрическая высота увеличится, остойчивость судна повысится.

Так как для малых углов их синусы приближенно равны величине углов, измеренных в радианах, то можно записать МВ = Рhθ.

Метацентрическую высоту можно определить из выражения h = r + zc — zg, где zc — возвышение ЦВ над ОЛ; r — поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; zg — возвышение ЦТ судна над основной.

На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют опытным путем — кренованием, т. е. поперечным наклонением судна путем перемещения груза определенного веса, называемого крен-балластом.

Остойчивость на больших углах крена. По мере увеличения крена судна восстанавливающий момент сначала возрастает, затем уменьшается, становится равным нулю и далее не только не препятствует наклонению, а наоборот, способствует ему

Так как водоизмещение для данного состояния нагрузки постоянно, то восстанавливающий момент изменяется только вследствие изменения плеча поперечной остойчивости lст. По расчетам поперечной остойчивости на больших углах крена строят диаграмму статической остойчивости, представляющую собой график, выражающий зависимость lст от угла крена. Диаграмму статической остойчивости строят для наиболее характерных и опасных случаев нагрузки судна.

Пользуясь диаграммой, можно определить угол крена по известному кренящему моменту или, наоборот, по известному углу крена найти кренящий момент. По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту. Для этого от начала координат откладывают радиан, равный 57,3°, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат. Отрезок между горизонтальной осью и точкой пересечения в масштабе диаграммы и будет равен начальной метацентрической высоте.

При медленном (статическом) действии кренящего момента состояние равновесия при крене наступает, если соблюдается условие равенства моментов, т. е. МКР = МВ

При динамическом действии кренящего момента (порыв ветра, рывок буксирного троса на борт) судно, наклоняясь, приобретает угловую скорость. Оно по инерции пройдет положение статического равновесия и будет продолжать крениться до тех пор, пока работа кренящего момента не станет равной работе восстанавливающего.

Величину, угла крена при динамическом действии кренящего момента можно определить по диаграмме статической остойчивости. Горизонтальную линию кренящего момента продолжают вправо до тех пор, пока площадь ОДСЕ (работа кренящего момента) не станет равной площади фигуры ОБЕ (работа восстанавливающего момента). При этом площадь ОАСЕ является общей, поэтому можно ограничиться сравнением площадей ОДА и ABC.

Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, то судно опрокинется.

Остойчивость морских судов должна отвечать требованиям Регистра, в соответствии с которыми необходимо выполнение условия (так называемого критерия погоды): К=Mопрмин / Мднmax ≥ 1» где Mопрмин — минимальный опрокидывающий момент (минимальный динамически приложенный кренящий момент с учетом качки), под действием которого судно еще не потеряет остойчивость; Мднmax — динамически приложенный кренящий момент от давления ветра при наихудшем в отношении остойчивости варианте загрузки.

В соответствии с требованиями Регистра максимальное плечо диаграммы статической остойчивости lmax должно быть не менее 0,25 м для судов длиной 85 м и не менее 0,20 м для судов более 105 м при угле крена θ более 30°. Угол заката диаграммы (угол, при котором кривая плеч остойчивости пересекает горизонтальную ось) для всех судов должен быть не менее 60°.

Влияние жидких грузов на остойчивость. Если цистерна заполнена не доверху, т. е. в ней имеется свободная поверхность жидкости, то при наклонении жидкость перельется в сторону крена и центр тяжести судна сместится в ту же сторону. Это приведет к уменьшению плеча остойчивости, а следовательно, к уменьшению восстанавливающего момента. При этом чем шире цистерна, в которой имеется свободная поверхность жидкости, тем значительнее будет уменьшение поперечной остойчивости. Для уменьшения влияния свободной поверхности целесообразно уменьшать ширину цистерн и стремиться к тому, чтобы во время эксплуатации было минимальное количество цистерн со свободной поверхностью жидкости.

Влияние сыпучих грузов на остойчивость. При перевозке сыпучих грузов (зерна) наблюдается несколько иная картина. В начале наклонения груз не перемещается. Только когда угол крена превысит угол естественного откоса, груз начинает пересыпаться. При этом пересыпавшийся груз не вернется в прежнее положение, а, оставшись у борта, создаст остаточный крен, что при повторных кренящих моментах (например, шквалах) может привести к потере остойчивости и опрокидыванию судна.

Для предотвращения пересыпания зерна в трюмах устанавливают подвесные продольные полупереборки — шифтинг-бордсы либо укладывают поверх насыпанного в трюме зерна мешки с зерном (мешкование груза).

Влияние подвешенного груза на остойчивость. Если груз находится в трюме, то при подъеме его, например краном, происходит как бы мгновенный перенос груза в точку подвеса. В результате ЦТ судна сместится вертикально вверх, что приведет к уменьшению плеча восстанавливающего момента при получении судном крена, т. е. к уменьшению остойчивости. При этом уменьшение остойчивости будет тем больше, чем больше масса груза и высота его подвеса.

Остойчивость - это... Что такое Остойчивость?

Осто́йчивость — способность плавучего средства противостоять внешним силам, вызывающим его крен или дифферент и возвращаться в состояние равновесия по окончании возмущающего воздействия^[1]. Также — раздел теории корабля, изучающий остойчивость.

Равновесием считается положение с допустимыми величинами углов крена и дифферента (в частном случае, близкими к нулю). Отклоненное от него плавсредство стремится вернуться к равновесию. То есть остойчивость проявляется только тогда, когда имеется выведение из равновесия.

Остойчивость — одно из важнейших мореходных качеств плавучего средства^[1]. Применительно к судам используется уточняющая характеристика остойчивость судна.^[2]Запасом остойчивости называется степень защищённости плавучего средства от опрокидывания.

Внешнее воздействие может быть обусловлено ударом волны, порывом ветра, сменой курса и т.п.

Виды остойчивости

• В зависимости от плоскости наклонения различают поперечную остойчивость при крене и продольную остойчивость при дифференте. Применительно к надводным кораблям (судам), из-за удлинённости формы корпуса судна его продольная остойчивость значительно выше поперечной, поэтому для безопасности плавания наиболее важно обеспечить надлежащую поперечную остойчивость.

• В зависимости от величины наклонения различают остойчивость на малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения.

• В зависимости от характера действующих сил различают статическую и динамическую остойчивость.

Статическая остойчивость — рассматривается при действии статических сил, то есть приложенная сила не изменяется по величине.

Динамическая остойчивость — рассматривается при действии изменяющихся (то есть динамических) сил, например, ветра, волнения моря, подвижки груза и т.п.

Начальная поперечная остойчивость

При крене остойчивость рассматривается как начальная при углах до 10-15°. В этих пределах восстанавливающее усилие пропорционально углу крена и может быть определено при помощи простых линейных зависимостей.

При этом делается допущение, что отклонения от положения равновесия вызываются внешними силами, которые не изменяют ни вес судна, ни положение его центра тяжести (ЦТ).^[3] Тогда погруженный объем не изменяется по величине, но изменяется по форме. Равнообъемным наклонениям соответствуют равнообъемные ватерлинии, отсекающие равные по величине погруженные объемы корпуса. Линия пересечения плоскостей ватерлиний называется осью наклонения, которая при равнообъемных наклонениях проходит через центр тяжести площади ватерлинии. При поперечных наклонениях она лежит в диаметральной плоскости.

Центр тяжести G при таком наклонении не меняет своего положения, а центр величины (ЦВ) С как центр тяжести погруженного объема перемещается по некоторой кривой СС₁ в сторону наклонения и занимает новое положение C₁. Перемещение центра величины происходит вследствие изменения формы погруженного объема: с левого борта он уменьшился, а с правого борта увеличился. Сила плавучести γV, приложенная в центре величины, направлена по нормали к траектории его перемещения.

Метацентр

При малых наклонениях в поперечной плоскости линии действия сил плавучести пересекаются в одной точке m, которая называется метацентром (в данном случае — поперечным метацентром). Поперечный метацентр можно еще определить как центр кривизны кривой, по которой перемещается центр величины при наклонениях в поперечной плоскости. В общем случае наклонения (на большой угол и в любой плоскости) центр величины описывает некоторую сложную кривую, и метацентр занимает различные положения. При малых углах наклонения в поперечной плоскости можно считать, что центр величины перемещается по дуге окружности, а поперечный метацентр занимает постоянное место в диаметральной плоскости.

Радиус кривизны траектории, по которой перемещается центр величины при поперечных наклонениях называется поперечным метацентрическим радиусом r. Другими словами — это расстояние между поперечным метацентром и центром величины r = mC.

Характеристики остойчивости

В результате смещения ЦВ при наклонении линии действия силы веса и силы плавучести смещаются и образуют пару сил. Если плечо пары положительно, возникающий момент m_в действует в сторону восстановления равновесия, то есть спрямляет. Тогда говорят, что судно остойчиво. Если ЦТ расположен выше метацентра, момент может быть нулевым или отрицательным, и способствовать опрокидыванию — в этом случае судно неостойчиво.

Возвышение над основной плоскостью поперечного метацентра (z_m), центра величины (z_c), а также величина поперечного метацентрического радиуса r в значительной степени определяют остойчивость судна и зависят от величины его объемного водоизмещения, формы корпуса и посадки. Зависимость величины поперечного метацентрического радиуса от формы корпуса (величины площади ватерлинии и ее формы) и объёмного водоизмещения выглядит как:

, (1)

где I_x — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр её тяжести, м⁴; V — объёмное водоизмещение (погруженный объём), м³.

Из рассмотрения трёх возможных вариантов воздействия сил Р и γV при наклонениях можно сделать вывод, что для обеспечения остойчивого положения равновесия судна необходимо, чтобы метацентр находился выше центра тяжести. Поэтому возвышение поперечного метацентра над центром тяжести выделяется в особую величину, и называется поперечной метацентрической высотой h. Величина h может быть выражена как:

, (2)

где z_m и z_g высоты метацентра и центра тяжести над основной плоскостью, соответственно.

Величина восстанавливающего момента зависит от веса судна и плеча поперечной остойчивости. Из треугольника GmZ плечо остойчивости может быть выражено через поперечную метацентрическую высоту GZ = m_G sinθ = h sinθ. Тогда восстанавливающий момент будет определяться по формуле:

, (3)

которая называется метацентрической формулой поперечной остойчивости. При малых углах крена, когда можно считать, что sinθ = θ в радианах, восстанавливающий момент определяется по линейной метацентрической формуле: m_θ = Ph θ.

Таким образом, величина восстанавливающего момента, определяющего сопротивление судна отклонениям, определяется, в свою очередь, величиной поперечной метацентрической высоты.

Остойчивость формы и остойчивость веса

Подставляя в метацентрическую формулу поперечной остойчивости h = r − а, и заменяя r его значением по формуле (1), а также Р = γV получаем:

m_θ = P(r − a) sinθ = Pr sinθ − Pa sinθ

и окончательно

, (4)

Первый член в выражении (4) в основном определяется величиной и формой площади ватерлинии и называется поэтому моментом остойчивости формы: m_ф = γ I_x sin θ. Момент остойчивости формы всегда является положительной величиной и стремится вернуть наклоненное судно в исходное положение.

Второй член в формуле (4) зависит от веса P и возвышения центра тяжести над центром величины a и называется моментом остойчивости веса m_в = − Pa sin θ. Момент остойчивости веса в случае высокого расположения центра тяжести (z_g > z_с) является величиной отрицательной, и действует в сторону наклонения.

Физическая сущность момента остойчивости формы и момента остойчивости веса раскрывается при помощи чертежа, на котором показана система сил, действующих на наклоненное судно. С накрененного борта в воду входит дополнительный объем v₁, придающий дополнительную «выталкивающую» силу плавучести. С противоположного борта из воды выходит объем v₂, стремящийся погрузить этот борт. Оба они работают на спрямление.

Погруженный объем V₁, отвечающий посадке по ватерлинию B₁Л₁, представляется в виде алгебраической суммы трех объемов

V_l = V + v₁ − v₂,

где: V — погруженный объем при исходной посадке по ватерлинию ВЛ;

v₁ — вошедший в воду, а v₂ — вышедший из воды клиновидные объёмы;

В соответствии с этим и силу плавучести γV₁ можно заменить тремя составляющими силами γV, γv₁, γv₂, приложенными в центрах величины объемов V, v₁, v₂. Вследствие равнообъёмности наклонений эти три силы совместно с силой тяжести Р образуют две пары Р − γV и γv₁ − γv₂, которые эквивалентны паре Р − γV₁ . Восстанавливающий момент равен сумме моментов этих двух пар

m_θ = m (γv₁, γv₂) + m (γV, P).

Момент сил плавучести клиновидных объемов v₁ и v₂ является моментом остойчивости формы. Чем шире корпус в районе ватерлинии, тем больше клиновидные объемы и их плечи при наклонениях в поперечной плоскости, тем больше момент остойчивости формы. Величина момента остойчивости формы определяется в основном моментом инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x. А момент инерции I_x пропорционален квадрату ширины площади ватерлинии.

Момент пары сил Р и γV является моментом остойчивости веса. Он обусловлен несовпадением точек приложения сил тяжести и плавучести (G и С) в исходном положении равновесия, вследствие чего при наклонениях линии действия этих сил расходятся, и силы Р и γV образуют пару.

Меры начальной остойчивости

Для практики недостаточно простой качественной оценки — остойчиво судно или неостойчиво, так как степень остойчивости может быть различной, в зависимости от размеров, нагрузки и величины наклонения. Величины, дающие возможность количественно оценить начальную остойчивость, называются мерами начальной остойчивости.

Использование восстанавливающего момента в качестве меры начальной остойчивости неудобно, так как он зависит от угла наклонения. При бесконечно малых углах крена восстанавливающий мо­мент m_θ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.

В связи с этим за меру начальной остойчивости принимается не сам восстанавливающий момент, а его первая производная по углу наклонения. Эта производная характеризует интенсивность нарастания восстанавливающего момента при наклонениях и называется коэффициентом остойчивости. При наклонениях в поперечной плоскости коэффициент поперечной остойчивости равен первой производной от восстанавливающего момента

, и при крене равном нулю K_θ = Ph.

Коэффициент остойчивости дает абсолютную оценку остойчивости, то есть непосредственно показывает то сопротивление, которое оказывает судно отклоняющим его от положения равновесия силам. Зависимость коэффициента остойчивости от веса судна ограничивает его использование, поскольку чем больше водоизмещение, тем больше коэффициент остойчивости. Для оценки степени совершенства судна с точки зрения его начальной остойчивости используется отно­сительная мера остойчивости — метацентрическая высота, которую можно рассматривать как коэффициент остойчивости, приходящийся на тонну водоизмещения:

Благодаря своему простому геометрическому смыслу метацентрическая высота наиболее часто используется в качестве меры начальной остойчивости, хотя следует иметь в виду, что коэффициент остойчивости дает наиболее полную оценку этого мореходного качества.

Начальная продольная остойчивость

Продольная остойчивость определяется теми же зависимостями, что и поперечная.

Под воздействием внешнего дифферентующего момента M_диф судно, плавающее в положении равновесия на ровный киль (ватерлиния ВЛ), наклоняется в продольной плоскости на угол Ψ, (ватерлиния B₁Л₁). Перемещение центра величины вследствие изменения формы погруженного объема обеспечивает появление продольного восстанавливающего момента

M_ψ = P·GK,

где GK — плечо продольной остойчивости. Точка М является продольным метацентром, возвышение продольного метацентра над центром тяжести — продольной метацентрической высотой Н, а расстояние между продольным метацентром и центром величины — продольным метацентрическим радиусом R.

Продольный восстанавливающий момент при малых углах дифферента определяется по формулам: M_ψ = PH·sin ψ, M_ψ = РН·ψ, которые называются метацентрическими формулами продольной остойчивости. Эти зависимости для продольного восстанавливающего момента справедливы при углах дифферента до 0,5÷1,0°, поэтому продольная остойчивость рассматривается как начальная только в этих пределах.

Продольный метацентрический радиус определяется по формуле:

, (5)

где: I_yf — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через ее центр тяжести F, м⁴, а метацентрическая формула продольной остойчивости в развернутом виде получается так же, как формула (4),

М_ψ = γ I_yf·sin ψ − Pa sin·ψ , (6)

Таким образом, продольный момент остойчивости формы М_ψ = γ I_yf· sin ψ, а момент остойчивости веса М_в = − Pa· sin ψ.

Сравнивая моменты остойчивости формы и веса при поперечных и продольных наклонениях по формулам (4) и (6), видим, что остойчивость веса в обоих случаях одинакова (при условии θ = ψ), но остойчивость формы сильно отличается. Продольный момент остойчивости формы значительно больше поперечного, поскольку I_yf примерно на два порядка больше I_x. Действительно, момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x пропорционален квадрату ширины этой площади, а момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси I_yf — квадрату длины той же площади.

Если величина поперечной метацентрической высоты составляет десятые доли метра, то продольная метацентрическая высота лежит в пределах H = (0,8 ÷ 1,5) L, где L — длина по ватерлинии, м.

Доля моментов остойчивости формы и веса в обеспечении поперечной и продольной остойчивости неодинакова. При поперечных наклонениях, момент остойчивости веса составляет значительную долю от момента остойчивости формы. Поэтому поперечный восстанавливающий момент составляет ≈ 30 % от момента остойчивости формы. При продольных наклонениях момент остойчивости веса составляет всего лишь 0,5÷1,0 % от момента остойчивости формы, то есть продольный восстанавливающий момент практически равен моменту остойчивости формы.

Коэффициент продольной остойчивости Кψ определяется по формуле:

При наклонениях в любых других плоскостях, отличных от поперечной и продольной, величины метацентрических радиусов и метацентрических высот (а, следовательно, и остойчивость) имеют промежуточные значения между максимальным и минимальным, соответствующим продольным и поперечным наклонениям.

Диаграмма остойчивости

Диаграммой остойчивости называется зависимость восстанавливающего усилия от угла наклонения. Иногда называется диаграммой Рида, в честь инженера, который ввел ее в обиход. Для поперечной остойчивости (для которой и была исходно составлена Ридом) координатами будут угол крена Θ и плечо восстанавливающего момента GZ. Можно заменить плечо на сам момент M, от этого вид диаграммы не меняется.

Обычно на диаграмме изображается крен на один борт (правый), при котором углы и моменты считаются положительными. Если продолжить ее на другой борт, крен и восстанавливающий (спрямляющий) момент меняют знак. То есть диаграмма симметрична относительно начальной точки.

Основные элементы диаграммы остойчивости

Начальная точка O, она же обычно точка равновесия. В этот момент крен Θ = 0, спрямляющий момент отсутствует GZ = 0. Если почему-либо начальная остойчивость отрицательна, точка равновесия может не совпадать с началом координат. Тогда GZ = 0 при Θ = Θ₁.

Точка максимума. Представляет угол, при котором спрямляющий момент максимален GZ_max. До этого угла дальнейшее наклонение вызывает рост момента. После достижения максимума наклонение сопровождается падением момента, до достижения третьей характерной точки:

Точка заката C. Представляет угол, при котором спрямляющий момент падает до нуля GZ = 0. Соответствует точке опрокидывания судна, поскольку спрямляющих сил больше нет. Для обычных водоизмещающих судов угол заката (статический) лежит в районе 65÷75°. Для килевых яхт — в районе 120÷125°.

Кривизна. Характеризует скорость нарастания спрямляющего момента. Первой производной является работа. Касательная к кривой остойчивости в точке O характеризует начальную метацентрическую высоту. Ордината ее, отложенная при угле Θ = 1 рад равна метацентрической высоте h.

Площадь под кривой для текущего угла B представляет работу A восстанавливающего момента и является мерой динамической остойчивости.

Виды диаграммы остойчивости

• Нормальная. Характерна для большинства водоизмещающих судов с нормальной метацентрической высотой, например сухогрузов.
• S-образная (с перегибом). Характерна для судов с уменьшенной метацентрической высотой, например, высокобортных пассажирских.
• С заглублением. Не характерна для большинства судов. Возникает в случае, когда начальная остойчивость отрицательна. Судно при этом плавает в равновесии не на ровный киль, а с креном Θ₁, соответствующим точке пересечения кривой и оси Θ. Например, такая диаграмма бывает у лесовозов, идущих вперегруз или судов, имеющих свободные поверхности в танках. Правилами всех крупнейших мировых классификационных обществ (например, Регистр Ллойда, Российский Морской Регистр Судоходства, Российский Речной Регистр и др.) запрещена эксплуатация судов, имеющих метацентрическую высоту менее 0,2 м (и, в том числе, судов с отрицательной начальной остойчивостью). Таким образом, начальная остойчивость судна может стать отрицательной либо вследствие аварии, либо вследствие должностного нарушения со стороны капитана судна.

Факторы, влияющие на изменение остойчивости

Перемещение грузов

Перемещение груза р в произвольном направлении из точки g1 (x1, y1, z1) в точку g2 (x2, y2, z2) можно заменить тремя последовательными перемещениями параллельно осям координатной системы oxyz на расстояние x2 − x1, y2 − y1, z2 − z1. Эти перемещения называются соответственно горизонтально-продольным, горизонтально-поперечным и вертикальным.

При вертикальном перемещении груза происходит перемещение силы р по линии её действия. Равновесие судна при этом не нарушается, посадка не меняется, то есть величина и форма погруженного объема остаются неизменными. Поэтому центр величины, поперечный и продольный метацентры не меняют своего положения. Центр тяжести перемещается вверх из точки G в точку G₁ на расстояние δZ_g, прямо пропорциональное весу перемещенного груза р и величине перемещения z2 − z1 и обратно пропорциональное весу судна:

Продольная и поперечная метацентрические высоты изменяются на одну и ту же величину:

δh = δH = − δZ_g

Величина приращения поперечного и продольного коэффициентов остойчивости также одинакова:

δК_θ = P·δh и δК_ψ = P·δH, или

δК_θ = δК_ψ = − р (z2 − z1)

Метацентрические высоты и коэффициенты остойчивости после перемещения груза принимают значения:

h₁ = h + δh;

H₁ = Н + δH;

К_θ1 = К_θ + δК_θ;

К_ψ1 = К_ψ + δ_Кψ ,

причем перемещение вниз соответствует положительным приращениям, а вверх — отрицательным. То есть при перемещении груза вверх остойчивость уменьшается, а при перемещении вниз — увеличивается. Поскольку поперечные и продольные приращения одинаковы, а метацентрические высоты различны, влияния вертикальных перемещений на поперечную и продольную остойчивость сильно различаются. Для продольной остойчивости δH составляет лишь малую долю Н. Для поперечной возможны ситуации, когда h ≈ δh , то есть полная потеря (или восстановление) остойчивости.

При горизонтально-поперечном перемещении груза из точки А в точку В судно кренится от прямого положения равновесия (ватерлиния ВЛ) на угол θ (ватерлиния B₁Л₁). Такое перемещение груза можно представить так, будто груз в точке В снят (сила р направлена в противоположную сторону — вверх), а в точке E принят.

Наклонению препятствует восстанавливающий момент m_θ = Ph·sinθ. Судно будет находиться в равновесии тогда, когда кренящий и спрямляющий моменты сравняются:

m_кр = m_θ, то есть

Ph·sinθ = p l_y cosθ,

где l_y = BE. Отсюда определяется угол крена равновесного положения:

Перемещение груза вызывает сдвиг центра тяжести судна в сторону перемещения груза на расстояние GG₁ = p l_y / P. Центр величины при наклонении перемещается в сторону наклонения до тех пор, пока не окажется на одной вертикали с центром тяжести, то есть пока не будет выполнено второе условие равновесия.

Поперечная метацентрическая высота после переноса груза определяется из треугольника GmG₁:

При малых углах крена cosθ ≈ 1; h₁ ≈ h, то есть начальная поперечная остойчивость при горизонтально-поперечном перемещении груза практически не изменяется.

Формулы для определения посадки и остойчивости в случае горизонтально-продольного перемещения груза выводятся аналогично предыдущим. Из равенства дифферентующего момента от перемещения груза М_диф = p (x1 − x2) cosψ и восстанавливающего момента М_ψ = PH sinψ определяется угол дифферента, который получает судно после перемещения груза:

Начальная продольная остойчивость от горизонтально-продольного перемещения груза также практически не меняется.

Прием и снятие грузов

Прием или снятие грузов изменяет как нагрузку судна (вес и координаты центра тяжести), так и его погруженный объем (его величину, форму, координаты центра величины).

Приём груза в произвольное место можно представить как приём этого груза без изменения крена и дифферента, а затем перенос его в назначенное место. Условием неизменности крена и дифферента приема груза р является расположение его центра тяжести на одной вертикали с центром величины дополнительно входящего в воду объёма δV, который равен p/γ, где γ — удельный вес воды. При приеме относительно малого груза можно считать, что для исключения крена и дифферента он должен быть помещен на одну вертикаль с центром тяжести F исходной площади ватерлинии.

Влияние перемещений груза на остойчивость и посадку рассмотрено выше. Для определения метацентрических высот после приёма груза необходимо найти координаты центра тяжести z_g1, и метацентров z_c1 + r₁ и z_c1 + R₁. Новое положение центра тяжести находится из условия равенства статических моментов сил тяжести относительно основной плоскости.

В общем случае приёма или снятия нескольких грузов новое положение центра тяжести определяется по формуле

z_g1 = (Pz_g ± ∑p_iz_pi) /P₁,

где: p_i — вес принятого или снятого отдельно груза, при этом принимаемый груз берется со знаком плюс, а снимаемый — со знаком минус; z_pi — аппликата центра тяжести принятого или снятого груза.

При приеме относительно небольших грузов (менее 10 % водоизмещения) на надводный корабль (судно) считается, что форма и площадь действующей ватерлинии не меняются, а погруженный объем линейно зависит от осадки — то есть принимается гипотеза прямобортности. Тогда коэффициенты остойчивости выражаются как:

δK_θ = р (Т + δТ/2 − zp + dI_x/dV)

δK_ψ = р (Т + δТ/2 − zp + dI_yf/dV)

В более сложных случаях используется диаграмма плавучести и начальной остойчивости, с которой снимают значения погруженного объема, метацентрического радиуса, координат ЦТ и ЦВ в зависимости от осадки. Ее использование характерно для определения остойчивости погружаемых аппаратов, например подводных лодок.

Свободные поверхности

Все рассмотренные выше случаи предполагают, что центр тяжести судна неподвижен, то есть нет грузов, которые перемещаются при наклонении. Но когда такие грузы есть, их влияние на остойчивость значительно больше остальных.

Типичным случаем являются жидкие грузы (топливо, масло, балластная и котельная вода) в цистернах, заполненных частично, то есть имеющих свободные поверхности. Такие грузы способны переливаться при наклонениях. Если жидкий груз заполняет цистерну полностью, он эквивалентен твердому закрепленному грузу.

Если жидкость заполняет цистерну не полностью, то есть имеет свободную поверхность, занимающую всегда горизонтальное положение, то при наклонении судна на угол θ жидкость переливается в сторону наклонения. Свободная поверхность примет такой же угол относительно КВЛ.

Уровни жидкого груза отсекают равные по величине объёмы цистерн, то есть они подобны равнообъёмным ватерлиниям. Поэтому момент, вызываемый переливанием жидкого груза при крене δm_θ, можно представить аналогично моменту остойчивости формы m_ф, только δm_θ противоположно m_ф по знаку:

δm_θ = − γ_ж i_xθ,

где i_x — момент инерции площади свободной поверхности жидкого груза относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, γ_ж — удельный вес жидкого груза

Тогда восстанавливающий момент при наличии жидкого груза со свободной поверхностью:

m_θ1 = m_θ + δm_θ = Phθ − γ_ж i_xθ = P(h − γ_ж i_x /γV)θ = Ph₁ θ,

где h — поперечная метацентрическая высота в отсутствие переливания, h₁ = h − γ_ж i_x /γV — фактическая поперечная метацентрическая высота.

Влияние переливающегося груза дает поправку к поперечной метацентрической высоте δ h = − γ_ж i_x /γV

Плотности воды и жидкого груза относительно стабильны, то есть основное влияние на поправку оказывает форма свободной поверхности, точнее ее момент инерции. А значит, на поперечную остойчивость в основном влияет ширина, а на продольную длина свободной поверхности.

Физический смысл отрицательного значения поправки в том, что наличие свободных поверхностей всегда уменьшает остойчивость. Поэтому принимаются организационные и конструктивные меры для их уменьшения:

1. полная запрессовка цистерн, чтобы не допускать свободных поверхностей
2. если это невозможно, заполнение под горловину, или наоборот, только на дне. В этом случае любое наклонение резко уменьшает площадь свободной поверхности.
3. контроль числа цистерн, имеющих свободные поверхности
4. разбивка цистерн внутренними непроницаемыми переборками, с целью уменьшения момента инерции свободной поверхности i_x

Динамическая остойчивость

В отличие от статического, динамическое воздействие сил и моментов сообщает судну значительные угловые скорости и ускорения. Поэтому их влияние рассматривается в энергиях, точнее в виде работы сил и моментов, а не в самих усилиях. При этом используется теорема кинетической энергии, согласно которой приращение кинетической энергии наклонения судна равно работе действующих на него сил.

Когда к судну прикладывается кренящий момент m_кр, постоянный по величине, оно получает положительное ускорение, с которым начинает крениться. По мере наклонения возрастает восстанавливающий момент, но вначале, до угла θ_ст, при котором m_кр = m_θ, он будет меньше кренящего. По достижении угла статического равновесия θ_ст, кинетическая энергия вращательного движения будет максимальной. Поэтому судно не останется в положении равновесия, а за счет кинетической энергии будет крениться дальше, но замедленно, поскольку восстанавливающий момент больше кренящего. Накопленная ранее кинетическая энергия погашается избыточной работой восстанавливающего момента. Как только величина этой работы будет достаточной для полного погашения кинетической энергии, угловая скорость станет равной нулю и судно перестанет крениться.

Наибольший угол наклонения, которое получает судно от динамического момента, называется динамическим углом крена θ_дин. В отличие от него угол крена, с которым судно будет плавать под действием того же момента (по условию m_кр = m_θ), называется статическим углом крена θ_ст.

Если обратиться к диаграмме статической остойчивости, работа выражается площадью под кривой восстанавливающего момента m_в. Соответственно, динамический угол крена θ_дин можно определить из равенства площадей OAB и BCD, соответствующих избыточной работе восстанавливающего момента. Аналитически та же работа вычисляется как:

,

на интервале от 0 до θ_дин.

Достигнув динамического угла крена θ_дин, судно не приходит в равновесие, а под действием избыточного восстанавливающего момента начинает ускоренно спрямляться. При отсутствии сопротивления воды судно вошло бы в незатухающие колебания около положения равновесия при крене θ_ст с амплитудой от 0 до θ_дин. Но практически, от сопротивления воды колебания быстро затухают и оно остаётся плавать со статическим углом крена θ_ст.

Динамическое воздействие кренящего момента всегда опаснее статического, так как приводит к более значительным наклонениям. В пределах прямолинейной части диаграммы статической остойчивости, динамический угол крена примерно в два раза больше статического: θ_дин ≈ 2 θ_ст.

См. также

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Советская военная энциклопедия. — Т. 6. — С. 147.
2. ↑ По традиции сохраняется несогласованность терминов: предметом теории корабля является судно.
3. ↑ В системе координат, привязанной к самому судну; иначе говоря, допускают что нет подвижки груза.

Литература

Поперечная остойчивость судна - Моряк

В теории поперечной остойчивости рассматриваются наклонения судна, происходящие в плоскости миделя, причем внешний момент, называемый кренящим моментом, также действует в плоскости миделя.

Не ограничиваясь пока малыми наклонениями судна (они будут рассмотрены как частный случай в разделе «Начальная остойчивость»), рассмотрим общий случай накренения судна от действия постоянного  во времени внешнего кренящего момента. На практике такой кренящий момент может возникать, например, от действия постоянного по силе ветра, направление которого совпадает с поперечной плоскостью судна – плоскостью миделя. При воздействием этого кренящего момента судно имеет постоянный крен на противоположный борт, величина которого определяется силой ветра и восстанавливающим моментом со стороны судна.

В литературе по теории судна принято совмещать на рисунке сразу два положения судна – прямое и с креном. Накрененному положению соответствует новое положение ватерлинии относительно судна, которому соответствует постоянный погруженный объем, однако, форма подводной части накрененного судна уже не обладает симметрией: правый борт погружен больше левого (Рис.1).

Все ватерлинии, соответствующие одному значению водоизмещения судна (при постоянном весе судна) принято называть равнообъемными.

Точное изображение на рисунке всех равнообъемных ватерлиний сопряжено с большими сложностями расчетного характера. В теории судна существует несколько методик для графического изображения равнообъемных ватерлиний. При очень малых углах крена (при бесконечно малых равнообъемных наклонениях) можно воспользоваться следствием из теоремы Л. Эйлера, согласно которому две равнообъемные ватерлинии, отличающиеся на бесконечно малый угол крена, пересекаются по прямой, проходящей через их общий центр тяжести площади (при конечных наклонениях это утверждение теряет силу, поскольку каждая ватерлиния имеет свой центр тяжести площади).

Если отвлечься  от реального распределения сил веса судна и гидростатического давления, заменив их действие сосредоточенными равнодействующими, то приходим к схеме (Рис.1). В центре тяжести судна приложена сила веса, направленная во всех случаях перпендикулярно к ватерлинии. Параллельно ей действует сила плавучести, приложенная в центре подводного объема судна – в так называемом центре величины (точка С).

Вследствие того, что поведение (и происхождение) этих сил не зависят друг от друга, они уже не действуют вдоль одной линии, а образуют пару сил, параллельных и перпендикулярных действующей ватерлинии В₁Л₁. В отношении силы веса Р можно сказать, что она остается  вертикальной и перпендикулярной поверхности воды, а накрененное судно отклоняется от вертикали, и лишь условность рисунка требует отклонять вектор силы веса от диаметральной плоскости. Специфику такого подхода легко себе уяснить, если представить ситуацию с закрепленной на судне видеокамерой, дающей на экране поверхность моря, наклоненную на угол, равный углу крена судна.

Полученная пара сил создаёт момент, который принято называть восстанавливающим моментом. Этот момент противодействует внешнему кренящему моменту и является главным объектом внимания в теории остойчивости.

Величина восстанавливающего момента может быть вычислена по формуле (как для любой пары сил) как произведение одной (любой из двух) силы на расстояние между ними, называемое плечом статической остойчивости:

Формула (1) указывает на то, что и плечо и сам момент зависят от угла крена судна, т.е. представляют собой переменные (в смысле крена) величины.

Однако, не при всех случаях направление восстанавливающего момента будет соответствовать изображению на Рис.1.

Если центр тяжести (в результате особенностей размещения грузов по высоте судна, например, при избытке груза на палубе) оказывается довольно высоко, то может возникнуть ситуация, когда сила веса окажется справа от линии действия силы поддержания. Тогда их момент будет действовать в противоположном направлении и будет способствовать накренению судна. Вместе с внешним кренящим моментом они будут опрокидывать судно, поскольку других противодействующих моментов больше нет.

Ясно, что в этом случае следует оценивать эту ситуацию как недопустимую, т. к. судно остойчивостью не обладает. Следовательно, при высоком положении центра тяжести судно может терять это важное мореходное качество – остойчивость.

На морских водоизмещающих судах возможность осуществлять воздействие на остойчивость судна, «управлять» ею, предоставляется судоводителю только путем рационального размещения грузов и запасов по высоте судна, определяющих положение центра тяжести судна. Как бы то ни было, влияние членов экипажа на положение центра величины исключено, поскольку оно связано с формой подводной части корпуса, которая (при постоянном водоизмещении и осадке судна) неизменна, а при наличии крена судна изменяется без участия человека и зависит только от осадки. Влияние человека на форму корпуса заканчивается на стадии проектирования судна.

Таким образом, очень важное для безопасности судна положение центра тяжести по высоте находится в «сфере влияния» экипажа и требует постоянного контроля посредством специальных вычислений.

Для расчетного контроля наличия у судна «положительной» остойчивости используется понятие метацентра и начальной метацентрической высоты.

Поперечный метацентр – это точка, являющаяся центром кривизны той траектории, по которой центр величины перемещается при накренении судна.

Следовательно, метацентр (так же как и центр величины) является специфической точкой, поведение которой исключительно определяется лишь геометрией формы судна в подводной части и его осадкой.

Положение метацентра, соответствующее посадке судна без крена, принято называть начальным поперечным метацентром.

Расстояние между центром тяжести судна и начальным метацентром в конкретном варианте загрузки, измеренное в диаметральной плоскости (ДП), называется начальной поперечной метацентрической высотой.

На рисунке видно, что чем ниже располагается центр тяжести по отношению к постоянному (для данной осадки) начальному метацентру, то тем больше будет метацентрическая высота судна, т.е. тем больше оказывается плечо восстанавливающего момента и сам этот момент.

Таким образом, метацентрическая высота является важной характеристикой, служащей для контроля наличия у судна остойчивости. И чем больше её величина, тем больше при тех же углах крена будет величина восстанавливающего момента, т.е. противодействие судна накренению.

При малых накренениях судна метацентр приблизительно находится на месте начального метацентра, поскольку траектория центра величины (точки С) близка к окружности, и её радиус постоянен. Из треугольника с вершиной в метацентре вытекает полезная формула, справедливая при малых углах крена (θ<10⁰÷12⁰):

Что такое остойчивость судна? - Моряк

Остойчивостью называется способность судна сохранять свое положение равновесия и вновь возвращаться к нему после того, как прекратится действие внешних сил, вызвавших изменение положения судна (например, порыв ветра, удар волны).

Остойчивость зависит от формы корпуса и от размещения на нем грузов. Судно, остойчивое при одном размещении грузов, может частично или полностью потерять это свойство, если часть грузов переместить вверх.

В каком бы положении судно ни плавало, на него постоянно действуют две равные и противоположно направленные силы: вес судна со всеми находящимися ми на нем грузами и поддерживающая сила воды. Точка приложения первой силы называется  центром тяжести (ЦТ) судна, а точка приложения второй – центром величины (ЦВ).

В прямом положении судна (рис.7) обе силы лежат на одной вертикальной прямой. Если какая-либо внешняя сила вызовет накренение судна (рис.8), то вследствие увеличения подводного объема у одного борта и равного ему уменьшения подводного объема у другого борта ЦВ переместится в сторону крена. При этом возможны три случая.

1. Точка пересечения направления силы поддержания с ДП (метацентр М) лежит выше ЦТ судна (рисю8,а). В этом случае вес судна и сила поддержания стремится погрузить в воду один борт (на рисунке – левый) и поднять другой (на рисунке – правый). Такое судно будет остойчивым, так как после устранения причины, вызвавшей накренение, оно вернется в начальное положение.
2. Поддерживающая сила пересекает ДП в точке, лежащей ниже ЦТ. В этом случае под действием веса и силы поддержания судно будет продолжать крениться и, в конце концов, может опрокинуться (рисю8,б). Остойчивость в данном случае отрицательная.
3. Метацентр М совпадает с ЦТ (рис.8,в) – обе действующие силы лежат снова на одной вертикальной прямой. После устранения причины, вызвавшей крен, судно остается в накрененном положении. В этом случае судно обладает нулевой остойчивостью, и положение такого равновесия называют безразличным.

Таким образом, основное условие остойчивости судна состоит в том, чтобы ЦТ его лежал ниже метацентра М. Чем больше возвышение М над ЦТ, тем меньший крен получает оно  под действием  одной и той же кренящей силы. Поэтому данное расстояние, называемое поперечной метацентрической высотой h, считают мерой остойчивости судна. Чем  больше ее значение, тем остойчивее судно. Но это не значит, что чем больше h, тем лучше. При большой высоте в штормовую погоду судно будет испытывать резкую порывистую качку, а это плохо сказывается на самочувствии людей, на механизмах, приборах и прочности корпуса. Поэтому при проектировании судна стремятся получить такое значение h, при котором  судно было бы достаточно остойчивым и в то же время имело плавную качку.

При статическом действии внешних сил судно будет, кренится до тех пор, пока силы кренящего и восстанавливающего моментов не сравняются. Если же судно подвергается динамическому (резкому) воздействию внешних сил, то оно будет продолжать крениться по инерции и после достижения равновесия кренящего и восстанавливающего моментов. Сначала величина восстанавливающего момента возрастет до максимального значения, а с входом палубы в воду начнет резко уменьшаться. С уменьшением восстанавливающего момента до нулевого значения судно потеряет остойчивость и опрокинется.

В практике мореплавания были случаи опрокидывания судов, потерявших остойчивость из-за наличия в цистернах и других помещениях жидких или сыпучих грузов, способных беспрепятственно перемещаться в сторону крена. Несимметричное затопление бортовых отсеков и затопление высоко расположенных помещений тоже резко снижает остойчивость судна и может повлечь за собой моментальное его опрокидывание даже при небольших углах крена.

Продольная метацентрическая высота судна настолько велика, что возможность его опрокидывания через нос или корму практически исключается.

Остойчивость

Остойчивость

Способность судна противостоять действию внешних сил, стремящихся наклонить его в поперечном и продольном направлениях, и возвращаться в прямое положение после прекращения их действия называется остойчивостью. Наиболее важной для любого судна является его поперечная остойчивость, поскольку точка приложения сил, противодействующих крену, располагается в пределах ширины корпуса, которая в 2,5—5 раз меньше его длины.

Начальная остойчивость (на малых углах крена). Когда судно плавает без крена, то силы тяжести D и плавучести γ·V, приложенные соответственно в ЦТ и ЦВ, действуют по одной вертикали. Если при крене на угол θ экипаж либо другие составляющие весовой нагрузки не перемещаются, то при любом наклоне ЦТ сохраняет свое первоначальное положение в ДП (точка G на рис. 7), вращаясь вместе с судном. В то же время вследствие изменившейся формы подводной части корпуса ЦВ перемещается из точки C₀ в сторону накрененного борта до положения C₁. Благодаря этому возникает момент пары сил D и γ·V с плечом l, равным горизонтальному расстоянию между ЦТ и новым ЦВ судна. Этот момент стремится возвратить судно в прямое положение и потому называется восстанавливающим.

Рис. 7. Схема для определения плеч поперечной остойчивости при наклонении на угол θ.

При крене ЦВ перемещается по кривой траектории C₀C₁, радиус кривизны которой называется поперечным метацентрическим радиусом, а соответствующий ему центр кривизны M — поперечным метацентром.

Очевидно, что плечо восстанавливающего момента зависит от расстояния GM — возвышения метацентра над центром тяжести: чем оно меньше, тем меньше получается при крене и плечо l. На самой начальной стадии наклонения судна (в пределах до 10—15°) величина GM или h рассматривается судостроителями как мера остойчивости судна и называется поперечной метацентрической высотой. Чем больше h, тем большая необходима кренящая сила, чтобы накренить судно на какой-либо определенный угол крена, тем остойчивее судно.

Из треугольника GMN легко установить, что восстанавливающее плечо

l = GN = h · sin θ  м.

Восстанавливающий момент, учитывая равенство γ·V и D, равен

M_в = D · h · sin θ  кгм.

Следовательно, остойчивость судна — величина его восстанавливающего момента — пропорциональна водоизмещению: более тяжелое судно в состоянии выдержать кренящий момент большей величины, чем легкое, даже при равных метацентрических высотах.

Восстанавливающее плечо можно представить как разность двух расстояний (см. рис. 7): l_ф — плеча остойчивости формы и l_в — плеча остойчивости веса. Нетрудно установить физический смысл этих величин, так как первая из них определяется смещением в сторону крена центра величины, а вторая — отклонением при крене линии действия силы веса D от первоначального положения точно над ЦВ. Рассматривая действие сил D и γ·V относительно C₀, можно заметить, что сила D стремится накренить судно еще больше, а сила γ·V, наоборот, выпрямить его.

Из треугольника C₀GK можно найти, что

l_в = GK = C₀G sin θ  м,

где C₀G = a — возвышение ЦТ над ЦВ в прямом положении судна.

Отсюда ясно, что для уменьшения отрицательного действия силы веса надо по возможности понизить ЦТ судна. В идеальном случае — иногда на гоночных яхтах с балластным фальшкилем, масса которого достигает 45—60 % водоизмещения судна, ЦТ располагается ниже ЦВ. У таких яхт остойчивость веса становится положительной и способствует спрямлению судна.

Эффект, аналогичный снижению ЦТ, дает откренивание — перемещение экипажа на борт, противоположный наклонению. Этот способ широко применяется на легких парусных швертботах, где экипажу, вывесившемуся за борт на специальном приспособлении — трапеции, удается настолько переместить общий ЦТ лодки, что линия действия силы D пересекается с ДП значительно ниже ЦВ и плечо остойчивости веса получается положительным (см. рис. 197).

Так как масса экипажа на малых судах составляет большую часть водоизмещения, перемещение людей в лодке существенно сказывается как на изменении положения центра тяжести, так и на величине кренящего момента. Достаточно, например, всем четырем пассажирам мотолодки встать, чтобы центр тяжести стал выше на 250—300 мм, а один человек, севший на борт, вызывает крен более 10°. Еще более существенную роль играет масса экипажа на легких гребных лодках и байдарках, где ширина корпуса невелика, а его масса оказывается значительно меньше массы человека. Поэтому конструкторы, да и лица, ответственные за эксплуатацию судна, стремятся как можно ниже расположить центр тяжести экипажа.

Прежде всего, следует избегать высоких сидений — вполне достаточна высота гребных банок от пайола 150 мм, а сидений на глиссирующих мотолодках — 250 мм. На одно-, двухместных гребных и разборных лодках, например, байдарках, гребцы могут располагаться на совсем невысоком сиденье (не более 70 мм) или непосредственно на днище лодки. На лодках облегченной конструкции пайолы часто заменяют деревянными планками, наклеенными изнутри на днище.

При модернизации серийных лодок или постройке самодельных большие запасы горючего (40—150 л) желательно сконцентрировать под пайолами в виде цистерны с поперечным сечением, соответствующим килеватости днища. Если судно снабжается каютой, то необходимо по возможности облегчить конструкцию надстройки и уменьшить ее высоту, снизить уровень платформы кокпита и поста рулевого. Стационарный двигатель на катере также должен устанавливаться как можно ниже.

Об остойчивости лодки необходимо помнить и укладывая в ней снаряжение для дальнего похода; наиболее тяжелые вещи следует располагать возможно ниже и компактнее. В случаях, когда требуется обеспечить особенно высокую остойчивость, необходимую для плавания под парусами либо для компенсации влияния громоздких надстроек, приходится загружать судно балластом. Оптимальное его расположение — снаружи корпуса в виде фальшкиля — свинцовой или чугунной отливки, прикрепленной к килю и усиленным флорам на болтах. Чем глубже под ватерлинией закреплен фальшкиль, тем в большей степени понижается общий центр тяжести судна.

Менее эффективен внутренний балласт из металлических отливок, укладываемый в трюме судна. Он должен быть надежно закреплен, чтобы исключить перемещение в сторону накрененного борта, ибо в этом случае балласт будет способствовать опрокидыванию судна. Кроме того, нужно позаботиться о том, чтобы чушки не пробили тонкую обшивку днища при плавании на волнении.

При разработке проекта нового судна конструктор имеет возможность изменять величину остойчивости, задавая ту или иную форму корпусу. Например, большое значение имеет ширина лодки по ватерлинии и коэффициент ее полноты α. Приближенно величину метацентрического радиуса r можно определить по формуле

Следовательно, наиболее существенно на величину r и поперечной метацентрической высоты h = r − а влияет ширина корпуса по ватерлинии B, которую следует выбирать настолько большой, насколько это можно допустить по соображениям ходкости.

В качестве ориентировочных цифр для выбора ширины лодки могут быть названы следующие средние отношения L/B: туристские байдарки и каноэ — 5,5÷8,5; гребные и моторные тузики длиной до 2,5 м — 1,8÷2; гребные трех-, четырехместные лодки (фофаны, плоскодонные челноки и т. п.) — около 3,5, малые мотолодки длиной до 3 м — 2,4; большие глиссирующие мотолодки длиной 4—5,5 м — 3÷3,4; глиссирующие катера открытого типа — 3,2÷3,5; водоизмещающие катера длиной 6—8 м — 3,5÷4,5.

Коэффициент α также имеет большое значение, особенно для тихоходных гребных судов и водоизмещающих катеров, ватерлинии которых часто выполняют слишком узкими для снижения сопротивления воды. На малых лодках — тузиках целесообразно обводы ватерлинии выполнять с максимальной полнотой — α = 0,75÷0,85. На туристских байдарках коэффициент α желательно иметь более 0,70; на больших гребных лодках и водоизмещающих катерах α = 0,65÷0,72.

Понятно, что наиболее благоприятной для остойчивости формой ватерлинии является прямоугольник, поэтому, если нужна особенно высокая остойчивость, целесообразны корпуса с обводами типа «морские сани», катамаран или тримаран, у которых борта практически параллельны по всей длине. Чем бо́льшая доля объема подводной части корпуса сосредоточена вблизи бортов, тем больше при крене смещается к борту центр величины и больше плечо восстанавливающего момента. Крайними полюсами являются двухкорпусные суда — катамараны и лодка с обводом миделя, близким к окружности (рис. 8), у которой плечо остойчивости при крене изменяется весьма незначительно. Чем более ясно выражена скула в поперечных сечениях корпуса, тем остойчивее лодка. Для небольших лодок оптимален корпус с выпуклостями близ скул и очертанием корпуса в плане, близким к прямоугольнику.

Рис. 8. Поперечные сечения малых судов, расположенные в порядке уменьшения начальной остойчивости (сверху — вниз).

Остойчивость на больших углах крена. Как было показано выше, восстанавливающее плечо с увеличением крена изменяется пропорционально синусу угла крена. Кроме того, не остается постоянной и поперечная метацентрическая высота h, величина которой зависит от изменения метацентрического радиуса r. Очевидно, что полной характеристикой остойчивости судна может быть график изменения восстанавливающего плеча или момента в зависимости от угла крена, который называется диаграммой статической остойчивости (рис. 9). Характерными точками диаграммы являются момент максимума остойчивости судна и предельного угла крена, при котором судно опрокидывается (θ_з — угол заката диаграммы статической остойчивости). При таком крене центр тяжести вновь оказывается расположенным на одной вертикали с ЦВ; следовательно, плечо остойчивости равно нулю.

Рис. 9. Диаграмма статической остойчивости

1 — высокобортный катер с каютой; 2 — шлюпка открытого типа; 3 — мореходная моторная яхта с балластом; 4 — плечо кренящего момента M_кр.

A (угол крена θ = 16°) — устойчивое положение судна при действии момента M_кр; и (θ = 60°) — неустойчивое положение; C (θ = 33°) — угол заливания шлюпки; D (θ = 38°) — максимум восстанавливающего момента; E (θ = 82°) — угол заката диаграммы остойчивости 1.

Однако опасный момент может наступить еще раньше, если судно имеет открытый кокпит, бортовые иллюминаторы или палубные люки, через которые вода может проникнуть внутрь судна при меньшем угле крена. Этот угол называется углом заливания.

Форма диаграммы статической остойчивости и положение ее характерных точек зависят от обводов корпуса и положения ЦТ судна. Обычно максимальное восстанавливающее плечо бывает при угле крена, соответствующем началу погружения в воду кромки палубы, когда ширина креновой ватерлинии оказывается наибольшей. Поэтому чем выше надводный борт, тем до большего угла крена судно сохраняет свою остойчивость. В момент, когда из воды выходит киль, ширина креновой ватерлинии начинает уменьшаться; соответственно уменьшается и величина метацентрического радиуса r. В то же время плечо остойчивости веса увеличивается и при крене 50—60° на большинстве малых судов восстанавливающее плечо l становится равным нулю.

Исключение составляют парусные яхты с тяжелым фальшкилем, у которых максимум остойчивости наступает при крене 90°, т. е. когда мачта уже лежит на воде. Если при этом все отверстия в палубе герметичны, то момент потери остойчивости (l = 0) наступает примерно при крене 130°, когда мачта направлена вниз под углом 40° к поверхности воды. Известно немало случаев, когда опрокинувшиеся вверх килем яхты (угол крена 180°) вновь возвращались в прямое положение.

Такое же свойство самоспрямления из опрокинутого положения может быть достигнуто на катерах с надстройками большого объема, снабженными герметичными закрытиями. При положении вверх килем ЦТ такого судна оказывается расположенным много выше ЦВ — достигается положение неустойчивого равновесия, из которого катер может быть выведен действием небольшой волны или заполнением забортной водой специальной цистерны у одного из бортов.

У катамаранов плечо остойчивости достигает максимальной величины, когда один из корпусов полностью выходит из воды — оно немного меньше половины расстояния между ДП корпусов. Такое положение достигается у большинства катамаранов при крене 8—15°. При дальнейшем увеличении крена плечо остойчивости быстро уменьшается и при крене 50—60° наступает момент неустойчивого равновесия, после чего остойчивость катамарана становится отрицательной.

С помощью диаграммы статической остойчивости конструктор и капитан могут оценивать способность судна противостоять тем или иным кренящим силам, возникающим, например, при перемещении части груза к одному из бортов, действии ветра на паруса и т. п. Кренящий момент M_кр (или его плечо, равное M_кр/D) откладывается на диаграмме в виде кривой (или прямой) в зависимости от угла крена. Точка пересечения этой кривой с диаграммой восстанавливающего момента соответствует углу крена, который получит судно. Если кривая M_кр проходит выше максимума диаграммы статической остойчивости, судно опрокинется. Если кривая M_кр пересекает кривую восстанавливающего момента, то на восходящей ветви диаграммы (точка A) его положение будет устойчивым — если при действии небольшого дополнительного кренящего момента крен судна и увеличивается, то с прекращением действия этого дополнительного момента оно возвращается в прежнее положение A. На нисходящей ветви диаграммы в точке B небольшое приращение кренящего момента вызовет значительное увеличение крена, так как восстанавливающий момент окажется меньше кренящего; судно может опрокинуться. При уменьшении же кренящего момента судно из положения B перейдет в положение A. Следовательно, положение судна, соответствующее точке B, является неустойчивым.

Динамическая остойчивость. Выше рассматривалось статическое действие кренящего момента на судно, когда силы постепенно возрастают по величине. На практике, однако, часто приходится иметь дело с динамическим действием внешних сил, при котором кренящий момент достигает своей конечной величины в короткий промежуток времени — мгновенно. Такое случается, например, при налетевшем шквале или ударе волны в наветренную скулу, прыжке человека на борт лодки с высокой набережной и т. п. В этих случаях важна не только величина кренящего момента, но и кинетическая энергия, сообщаемая судну и поглощаемая работой восстанавливающего момента. Важную роль играют высота надводного борта и угол крена, при котором возможно заливание лодки водой. Эти параметры, как и ширина, определяют остойчивость при динамическом действии внешних сил: чем выше надводный борт и чем позже вода начинает поступать в корпус, тем бо́льшая энергия кренящих сил поглощается работой восстанавливающего момента при наклонении судна.

При эксплуатации малых судов, в частности, при плавании под парусами, выполнении спасательных операций и т. п., рекомендуется предусмотреть хотя бы неширокую бортовую опалубку (120—250 мм). При внезапном крене палуба входит в воду, на что следует быстрая реакция экипажа, который своей массой откренивает лодку еще до попадания в нее воды.

Повысить остойчивость судна можно с помощью бортовых наделок — булей (см. рис. 172), надувной камеры или пенопластового привального бруса, опоясывающего борта лодки близ их верхней кромки, поплавков достаточно большого объема, закрепленных на кронштейнах к бортам, или посредством соединения двух лодок в катамаран.

Повышение остойчивости с помощью твердого балласта оказывается не всегда оправданным, особенно на моторных судах, где увеличение водоизмещения связано с дополнительными затратами мощности и горючего. На глиссирующих катерах и швертботах в качестве временного балласта может быть использована забортная вода, заполняющая самотеком специальные донные цистерны (рис. 10). На катере он нужен только на стоянке и на малом ходу, когда динамические силы поддержания имеют незначительную величину. Вода из цистерны будет удаляться через кормовой срез транца, как только он оторвется от воды. На швертботе, наоборот, балласт необходим для повышения остойчивости под парусами; при плавании под мотором или при подъеме на берег воду можно удалить из цистерны с помощью помпы. Объем подобных балластных цистерн обычно принимается равным 20—25 % водоизмещения судна.

Рис. 10. Балластная цистерна на глиссирующем катере.

1 — полость цистерны; 2 — труба вентиляции; 3 — вход воды в цистерну; 4 — второе дно.

Попутно следует упомянуть о влиянии воды в трюме судна (или других жидкостей в цистернах) на остойчивость. Эффект заключается не столько в перемещении масс жидкостей в сторону накрененного борта, сколько в наличии свободной поверхности переливающейся жидкости — ее момента инерции относительно продольной оси. Если, например, поверхность воды в трюме имеет длину l, а ширину b, то метацентрическая высота уменьшается на величину

Особенно опасна вода в трюмах плоскодонных швертботов и мотолодок, где свободная поверхность имеет большую ширину. Поэтому при плавании в штормовых условиях воду из корпуса необходимо удалять.

Свободную поверхность жидкостей в топливных цистернах разделяют продольными отбойными переборками на несколько узких частей. В переборках делают отверстия для перетекания жидкости.

Нормирование и проверка остойчивости прогулочно-туристских судов. Опасный крен малого судна может быть вызван перемещением экипажа к одному борту, а также воздействием различных внешних сил. Как правило, прогулочно-туристские суда эксплуатируются на мелководных прибрежных участках морей и на водохранилищах с ограниченной глубиной. В этих районах волна отличается опасной крутизной и ломающимся гребнем. В положении бортом к волне размахи качки лодки могут попасть в нежелательный резонанс с периодом волны, при недостаточной остойчивости судно может опрокинуться.

Малым судам приходится противостоять и таким опасным для поперечной остойчивости нагрузкам, как рывки буксирного троса при буксировке лодки другим судном; динамическое действие упора гребного винта подвесного мотора при резкой перекладке руля; подъем в лодку через борт человека; шквал при плавании под парусом и т. п. Все это заставляет предъявлять весьма жесткие требования к остойчивости малых судов.

Минимальным значением поперечной метацентрической высоты, обеспечивающим безопасное плавание лодки или катера в самых легких условиях — на внутренней закрытой акватории, считается 0,25 м. Однако и эта цифра становится критической, когда речь идет о совсем легких гребных лодках. Ведь всегда возможен случай, когда один или два пассажира встанут во весь рост и центр тяжести лодки повысится на 0,2—0,3 м. Для судов же, выходящих на открытую воду, рекомендуется обеспечить метацентрическую высоту не ниже 0,5 м; если катер рассчитывается на плавание при волне до 3 баллов, метацентрическая высота должна быть не менее 0,7 м.

Точные замеры метацентрической высоты связаны с достаточно трудоемким опытом кренования судна, который для лодок длиной 4—5 м не всегда дает точные результаты и не может достаточно полно характеризовать остойчивость. В практике контроля и испытаний малых судов проводят более наглядный и простой эксперимент, предусмотренный ГОСТ 19356—74 ¹. Для испытаний на лодку устанавливают подвесной мотор и заполненный горючим бензобак, на сиденья грузят балласт, равный по массе паспортной грузоподъемности, причем таким образом, чтобы 60 % ее располагались у борта с центром тяжести на расстоянии 0,2 м от планширя по ширине и 0,3 м над сиденьем по высоте. Остальные 40 % полезной грузоподъемности должны быть размещены в диаметральной плоскости судна. При такой загрузке планширь со стороны накрененного борта не должен входить в воду.

По правилам «Дет Норске Веритас» проводят аналогичные испытания, но при этом дополнительно проверяют остойчивость лодки порожнем, т. е. без подвесного мотора и съемного оборудования, обычно не закрепляемого в лодке. На высоте планширя и на расстоянии 0,5 B_нб от ДП закрепляют кренящий груз массой n · 20 кг, где n — полная пассажировместимость судна. При этом лодка не должна заливаться водой через борт и крен не должен превышать 30°.

Метацентрическая высота - критерий остойчивости судна: формула

Определение метацентрической высоты можно сформулировать следующим образом. Что это? Это - расстояние между центром тяжести и метацентром корабля. Само по себе определение не очень понятное, а потому стоит добавить, что очень часто эту высоту выражают через остойчивость судна. Это происходит потому, что метацентр является основным критерием определения этой самой остойчивости.

Общие понятия

Как ранее было сказано, метацентрическая высота - это возвышение центра тяжести над метацентром самого корабля. Тут важно знать о том, что чем больше значение данной характеристики, тем большей будет изначальная остойчивость судна. Если же по каким-либо причинам эта высота отклоняется в сторону отрицательного значения, это говорит о том, что судно не сможет плавать без крена. Что это значит? Допускать отрицательных значений метацентрической высоты ни в коем случае нельзя. Хотя... Получить точный ответ на вопрос о том, перевернется ли судно, имеющее отрицательное значение этой высоты, точно нельзя. Так как теория остойчивости распространяется лишь на наклонения кораблей, которые не превышают 10 градусов.

Правила и силы

Важно отметить, что существуют правила Классификационных Сообществ, которые следят за технической эксплуатацией судов. В данных документах описано, что эксплуатировать можно лишь те корабли, метацентрическая высота которых составляет не менее 0,2 метра. Чтобы понять, как будет вести себя тело с нулевой высотой, можно представить себе бочонок, плавающий в воде. Этот параметр данного тела будет равен 0, а его передвижение будет происходить вдоль продольной оси каждый раз, когда на него будет воздействовать любая внешняя сила, к примеру, волна или ветер.

Еще одна основа, которая позволяет кораблю плавать, - это сила тяжести. А также Архимедова сила. Естественно, сила тяжести будет тянуть корабль вниз, то есть на дно. Числовое значение этой характеристики равняется его весу, а прикладывается она к центру тяжести корабля. Архимедова сила, или, как ее еще называют, сила плавучести, выталкивает морское судно из воды. Сила воздействия этого эффекта равняется водоизмещению корабля, которое приложено в центре подводного объема.

Работа сил

При "прямом" положении судна получается так, что эти две силы уравновешивают друг друга и находятся в одной вертикальной плоскости. Из-за этого корабль и способен перемещаться по воде. В том случае, если возникает крен судна, центр подводного объема ЦВ смещается в сторону наклона корабля. Смещение происходит из-за того, что меняется форма подводной части корпуса. Кроме того, при смещении ЦВ в одну из сторон возникает восстанавливающий момент, который будет противодействовать крену морского судна. При возникновении наклона ЦВ как бы начинает осуществлять поворот вокруг точки, которую условно называют метацентром m.

Расстояние от этой условной точки метоцентра m до центра тяжести судна ЦТ и будет являться его высотой. К примеру, для обычной гребной шлюпки числовое значение метацентрической высоты, которое будет являться достаточным для того, чтобы люди могли безопасно сесть и встать, равняется 0,3 м. В принципе, ничего сложного.

Как обеспечить остойчивость

Зная все то, что было описано выше, возникает явный вопрос о том, как же оценить безопасность лодки, парусной яхты, корабля и т. д.? Как понять, насколько велики шансы у корабля вернуться из положения "килем вверх" в нормальное, прямое состояние?

Для того чтобы добиться этого, необходимо улучшать остойчивость судна. Для этого существует несколько проверенных методов. Достаточно высокую остойчивость можно обеспечить за счет того, что на борту корабля будет размещен неподвижный балласт. Однако здесь нужно учитывать, что центр тяжести судна будет понижаться при дополнительной нагрузке. У кораблестроителей, моряков и всех, кто знаком с морским делом, есть такое правило: каждый килограмм груза, расположенный под ватерлинией, будет повышать остойчивость корабля, а вот каждый килограмм над этой линией будет ухудшать положение судна.

Восстановление судна

Для того чтобы увеличить вес, к примеру, яхты, ее оборудуют такой вещью, как неподвижный балластный киль. Но, здесь важно отметить, что он может быть размещен лишь на классическом типе яхты. Любой другой вид с таким килем окажется слишком тяжелым. Классические яхты - это абсолютная остойчивость речного судна, как ее называют. Все дело в том, что эта категория кораблей может выпрямиться практически после любого крена. Угол крена, который необходим для того, чтобы судно не восстановилось, - 155 градусов. Это параметр такой яхты, как Contessa 32. Если говорить другими словами, речное судно этого класса сможет восстановиться в прямое положение даже после того, как опрокинется килем вверх.

Тут важно понимать, что крупные суда имеют большую остойчивость формы изначально из-за своих габаритов. Еще один важнейший момент - это то, что забортная вода не должна попасть вовнутрь корабля при крене через какие-либо люки или отверстия. Если это случится, жидкость, оказавшаяся на борту, способна свести на нет всю остойчивость. Это произойдет из-за того, что вес попавшей воды сделает корабль тяжелее. Метацентрическая высота будет нарушена из-за смещения центра тяжести. И судно начнет тонуть.

Суда с надстройкой

Есть такой тип кораблей, которые обладают водонепроницаемой надстройкой. Естественно, вода не сможет попасть внутрь такого корабля, а это значит, что остойчивость останется на том же уровне даже при большом крене. Этот принцип стал основополагающим при изобретении спасательных шлюпок-неваляшек. Существуют спасательные плоты и шлюпки, которые считаются практически неопрокидываемыми из-за их конструкции. Такие категории кораблей способны восстановиться даже после того, как они полностью перевернулись.

Можно взять, к примеру, парусную яхту, которая обладает одним хитрым способом повышения остойчивости судна. Метод называется открениванием. А его суть заключается в том, что при наклоне будет перемещаться вес экипажа, балласта или качающегося киля по всей ширине судна. На сегодняшний день используется много различных типов перемещаемого балласта. А также существует один новейший, который заключается в наличии подводных управляемых крыльев.

Экспериментальная высота

Далее. Для того чтобы экспериментально вычислить метацентрическую высоту судна, можно перемещать большой груз по кораблю. Перемещение груза должно происходить на определенное расстояние Q от того места, где оно находилось изначально. Также при передвижении объекта нужно измерять малый угол вращения, который обозначается, как af. Числовое значение этой характеристики будет соответствовать углу наклона корабля.

Вот так будет выглядеть поперечная метацентрическая высота в формуле:

h₀ =0,525(В/Т)2, м

В - это ширина судна, которая должна измеряться в метрах, а Т - это период качки, определяющийся в секундах.

Именно такой способ вычислений, а также экспериментальный способ определения стали основными положениями, которые позволили принять высоту метацентра корабля за основной критерий его остойчивости.

Парусные суда

В настоящее время парусные суда являются одними из самых опасных в плане эксплуатации, а также самыми требовательными к остойчивости. Все дело в том, что при ветре парус такого судна будет постоянно подвергаться сильному воздействию воздуха, что в таких условиях будет являться основным моментом, создающим возможность для крена. Именно из-за наличия паруса суда с большими и длинными мачтами и, как следствие, большими парусами, нуждаются в наличии дополнительного тяжелого неподвижного балласта, который сильно снизит центр тяжести судна, создавая тем самым большее значение метацентрической высоты.

Очень важно отметить: довольно часто допускают такую ошибку, как оценка остойчивости корабля только по его метацентру. Конечно, эта высота будет являться основным критерием. Однако нельзя игнорировать те преимущества, которые имеются на всей диаграмме статической остойчивости. Туда входит не только высота метацентра.

Случаи неостойчивости

Существует три случая неостойчивости судна. Рассмотрим их подробнее.

Первый случай возникает в той ситуации, если высота h>0. Это возникает по причине того, что центр тяжести располагается выше, чем центр величины. При соблюдении этих условий и наклоне корабля в любую из сторон линия действия силы поддержания будет пересекать диаметральную плоскость выше, чем находится центр тяжести.

Второй случай неостойчивости произойдет тогда, когда метацентрическая высота будет равна нулю. В этом случае, практически, как и в предыдущем, центр тяжести окажется выше, чем центр величины. А при наклоне корабля случится так, что линия ЦТ будет проходить вдоль линии величины. В таком случае центр величины всегда будет расположен в одной вертикали с центром тяжести. При таком расположении сил восстанавливающая пара, которая выравнивает корабль, будет просто отсутствовать. Без воздействия каких-либо внешних сил судно не сможет вернуться в свое исходное, прямое положение.

Третий случай возникает, если h<0. В данном случае ЦТ будет находиться выше, чем центр величины, а в наклонном положении линия действия силы поддержания будет пресекать след диаметральной плоскости ниже ЦТ. В таком случае при малейшем наклоне будет образовываться отрицательная пара сил, воздействующая на судно и приводящая к его опрокидыванию.

Поперечная остойчивость - это... Что такое Поперечная остойчивость?

Осто́йчивость — способность плавучего средства противостоять внешним силам, вызывающим его крен или дифферент и возвращаться в состояние равновесия по окончании возмущающего воздействия. Также — раздел теории корабля, изучающий остойчивость.

Равновесием считается положение с допустимыми величинами углов крена и дифферента (в частном случае, близкими к нулю). Отклоненное от него плавсредство стремится вернуться к равновесию. То есть остойчивость проявляется только тогда, когда имеется выведение из равновесия.

Остойчивость — одно из важнейших мореходных качеств плавучего средства. Применительно к судам используется уточняющая характеристика остойчивость судна.^[1]Запасом остойчивости называется степень защищённости плавучего средства от опрокидывания.

Внешнее воздействие может быть обусловлено ударом волны, порывом ветра, сменой курса и т. п.

Виды остойчивости

• В зависимости от плоскости наклонения различают поперечную остойчивость при крене и продольную остойчивость при дифференте. Применительно к надводным кораблям (судам), из-за удлинённости формы корпуса судна его продольная остойчивость значительно выше поперечной, поэтому для безопасности плавания наиболее важно обеспечить надлежащую поперечную остойчивость.

• В зависимости от величины наклонения различают остойчивость на малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения.

• В зависимости от характера действующих сил различают статическую и динамическую остойчивость.

Статическая остойчивость - рассматривается при действии статических сил, то есть приложенная сила не изменяется по величине.

Динамическая остойчивость - рассматривается при действии изменяющихся (т.е. динамических) сил, например ветра, волнения моря, подвижки груза и т.п.

Начальная поперечная остойчивость

Начальная поперечная остойчивость. Система сил, действующих на судно

При крене остойчивость рассматривается как начальная при углах до 10-15°. В этих пределах восстанавливающее усилие пропорционально углу крена и может быть определено при помощи простых линейных зависимостей.

При этом делается допущение, что отклонения от положения равновесия вызываются внешними силами, которые не изменяют ни вес судна, ни положение его центра тяжести (ЦТ).^[2] Тогда погруженный объем не изменяется но величине, но изменяется по форме. Равнообъемным наклонениям соответствуют равнообъемные ватерлинии, отсекающие равные по величине погруженные объемы корпуса. Линия пересечения плоскостей ватерлиний называется осью наклонения, которая при равнообъемных наклонениях проходит через центр тяжести площади ватерлинии. При поперечных наклонениях она лежит в диаметральной плоскости.

Центр тяжести G при таком наклонении не меняет своего положения, а центр величины (ЦВ) С как центр тяжести погруженного объема перемещается по некоторой кривой СС₁ в сторону наклонения и занимает новое положение C₁. Перемещение центра величины происходит вследствие изменения формы погруженного объема: с левого борта он уменьшился, а с правого борта увеличился. Сила плавучести γV, приложенная в центре величины, направлена по нормали к траектории его перемещения.

Метацентр

При малых наклонениях в поперечной плоскости линии действия сил плавучести пересекаются в одной точке m, которая называется метацентром (в данном случае — поперечным метацентром). Поперечный метацентр можно еще определить как центр кривизны кривой, по которой перемещается центр величины при наклонениях в поперечной плоскости. В общем случае наклонения (на большой угол и в любой плоскости) центр величины описывает некоторую сложную кривую, и метацентр занимает различные положения. При малых углах наклонения в поперечной плоскости можно считать, что центр величины перемещается по дуге окружности, а поперечный метацентр занимает постоянное место в диаметральной плоскости.

Радиус кривизны траектории, по которой перемещается центр величины при поперечных наклонениях называется поперечным метацентрическим радиусом r. Другими словами — это расстояние между поперечным метацентром и центром величины r = mС.

Характеристики остойчивости

В результате смещения ЦВ при наклонении линии действия силы веса и силы плавучести смещаются и образуют пару сил. Если плечо пары положительно, возникающий момент m_в действует в сторону восстановления равновесия, то есть спрямляет. Тогда говорят, что судно остойчиво. Если ЦТ расположен слишком высоко, момент может быть нулевым или отрицательным, и способствовать опрокидыванию — в этом случае судно неостойчиво.

Возвышение над основной плоскостью поперечного метацентра (z_m), центра величины (z_c), а также величина поперечного метацентрического радиуса r в значительной степени определяют остойчивость судна и зависят от величины его объемного водоизмещения, формы корпуса и посадки. Зависимость величины поперечного метацентрического радиуса от формы корпуса (величины площади ватерлинии и ее формы) и объёмного водоизмещения выглядит как:

, (1)

где I_x — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр её тяжести, м⁴; V — объёмное водоизмещение (погруженный объём), м³.

Из рассмотрения трёх возможных вариантов воздействия сил Р и γV на при наклонениях можно сделать вывод, что для обеспечения остойчивого положения равновесия судна необходимо, чтобы метацентр находился выше центра тяжести. Поэтому возвышение поперечного метацентра над центром тяжести выделяется в особую величину и называется поперечной метацентрической высотой h. Величина h может быть выражена как:

, (2)

где z_m и z_g высоты метацентра и центра тяжести над основной плоскостью, соответственно.

Величина восстанавливающего момента зависит от веса судна и плеча поперечной остойчивости. Из треугольника GmZ плечо остойчивости может быть выражено через поперечную метацентрическую высоту GZ = m_G sinθ = h sinθ. Тогда восстанавливающий момент будет определяться по формуле:

, (3)

которая называется метацентрической формулой поперечной остойчивости. При малых углах крена, когда можно считать, что sinθ = θ в радианах, восстанавливающий момент определяется по линейной метацентрической формуле: m_θ = Ph θ.

Таким образом, величина восстанавливающего момента, определяющего сопротивление судна отклонениям, определяется, в свою очередь, величиной поперечной метацентрической высоты.

Остойчивость формы и остойчивость веса

Подставляя в метацентрическую формулу поперечной остойчивости h = r - а, и заменяя r его значением по формуле (1), а также Р = γV получаем:

m_θ = P(r—a) sinθ = Pr sinθ - Pа sinθ

и окончательно

, (4)

Первый член в выражении (4) в основном определяется величиной и формой площади ватерлинии и называется поэтому моментом остойчивости формы: m_ф = γ I_x sin θ. Момент остойчивости формы всегда является положительной величиной и стремится вернуть наклоненное судно в исходное положение.

Второй член в формуле (4) зависит от веса P и возвышения центра тяжести над центром величины a и называется моментом остойчивости веса m_в = − Pa sin θ. Момент остойчивости веса в случае высокого расположения центра тяжести (z_g > z_с) является величиной отрицательной, и действует в сторону наклонения.

Физическая сущность момента остойчивости формы и момента остойчивости веса раскрывается при помощи чертежа, на котором показана система сил, действующих на наклоненное судно. С накрененного борта в воду входит дополнительный объем v₁, придающий дополнительную «выталкивающую» силу плавучести. С противоположного борта из воды выходит объем v₂, стремящийся погрузить этот борт. Оба они работают на спрямление.

Погруженный объем V₁, отвечающий посадке по ватерлинию B₁Л₁, представляется в виде алгебраической суммы трех объемов

V_l = V + v₁ – v₂,

где: V — погруженный объем при исходной посадке по ватерлинию ВЛ;

v₁ — вошедший в воду, а v₂ — вышедший из воды клиновидные объёмы;

В соответствии с этим и силу плавучести γV₁ можно заменить тремя составляющими силами γV, γv₁, γv₂, приложенными в центрах величины объемов V, v₁, v₂. Вследствие равнообъёмности наклонений эти три силы совместно с силой тяжести Р образуют две пары Р - γV и γv₁ - γv₂, которые эквивалентны паре Р - γV₁ . Восстанавливающий момент равен сумме моментов этих двух пар

m_θ = m (γv₁, γv₂) + m (γV, P).

Момент сил плавучести клиновидных объемов v₁ и v₂ является моментом остойчивости формы. Чем шире корпус в районе ватерлинии, тем больше клиновидные объемы и их плечи при наклонениях в поперечной плоскости, тем больше момент остойчивости формы. Величина момента остойчивости формы определяется в основном моментом инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x. А момент инерции I_x пропорционален квадрату ширины площади ватерлинии.

Момент пары сил Р и γV является моментом остойчивости веса. Он обусловлен несовпадением точек приложения сил тяжести и плавучести (G и С) в исходном положении равновесия, вследствие чего при наклонениях линии действия этих сил расходятся, и силы Р и γV образуют пару.

Меры начальной остойчивости

Для практики недостаточно простой качественной оценки — остойчиво судно или неостойчиво, так как степень остойчивости может быть различной, в зависимости от размеров, нагрузки и величины наклонения. Величины, дающие возможность количественно оценить начальную остойчивость, называются мерами начальной остойчивости.

Использование восстанавливающего момента в качестве меры начальной остойчивости неудобно, так как он зависит от угла наклонения. При бесконечно малых углах крена восстанавливающий мо­мент m_θ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.

В связи с этим за меру начальной остойчивости принимается не сам восстанавливающий момент, а его первая производная по углу наклонения. Эта производная характеризует интенсивность нарастания восстанавливающего момента при наклонениях и называется коэффициентом остойчивости. При наклонениях в поперечной плоскости коэффициент поперечной остойчивости равен первой производной от восстанавливающего момента

, и при крене равном нулю K_θ = Ph.

Коэффициент остойчивости дает абсолютную оценку остойчивости, т. е. непосредственно показывает то сопротивление, которое оказывает судно отклоняющим его от положения равновесия силам. Зависимость коэффициента остойчивости от веса судна ограничивает его использование, поскольку чем больше водоизмещение, тем больше коэффициент остойчивости. Для оценки степени совершенства судна с точки зрения его начальной остойчивости используется отно­сительная мера остойчивости — метацентрическая высота, которую можно рассматривать как коэффициент остойчивости, приходящийся на тонну водоизмещения:

Благодаря своему простому геометрическому смыслу метацентрическая высота наиболее часто используется в качестве меры начальной остойчивости, хотя следует иметь в виду, что коэффициент остойчивости дает наиболее полную оценку этого мореходного качества.

Начальная продольная остойчивость

Продольная остойчивость определяется теми же зависимостями, что и поперечная.

Под воздействием внешнего дифферентующего момента M_диф судно, плавающее в положении равновесия на ровный киль (ватерлиния ВЛ), наклоняется в продольной плоскости на угол Ψ, (ватерлиния B₁Л₁). Перемещение центра величины вследствие изменения формы погруженного объема обеспечивает появление продольного восстанавливающего момента

M_ψ = P·GK,

где GK — плечо продольной остойчивости. Точка М является продольным метацентром, возвышение продольного метацентра над центром тяжести — продольной метацентрической высотой Н, а расстояние между продольным метацентром и центром величины — продольным метацентрическим радиусом R.

Продольный восстанавливающий момент при малых углах дифферента определяется по формулам: M_φ = PH·sin ψ, M_ψ = РН·ψ, которые называются метацентрическими формулами продольной остойчивости. Эти зависимости для продольного восстанавливающего момента справедливы при yглах дифферента до 0,5÷1,0°, поэтому продольная остойчивость рассматривается как начальная только в этих пределах.

Продольный метацентрический радиус определяется по формуле:

, (5)

где: I_yf — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через ее центр тяжести F, м⁴, а метацентрическая формула продольной остойчивости в развернутом виде получается так же, как формула (4),

М_ψ = γ I_yf·sin ψ — Pa sin·ψ , (6)

Таким образом, продольный момент остойчивости формы М_ψ = γ I_yf· sin ψ, а момент остойчивости веса М_в = — Pa· sin ψ.

Сравнивая моменты остойчивости формы и веса при поперечных и продольных наклонениях по формулам (4) и (6), видим, что остойчивость веса в обоих случаях одинакова (при условии θ = ψ), но остойчивость формы сильно отличается. Продольный момент остойчивости формы значительно больше поперечного, поскольку I_yf примерно на два порядка больше I_x. Действительно, момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x пропорционален квадрату ширины этой площади, а момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси I_yf — квадрату длины той же площади.

Если величина поперечной метацентрической высоты составляет десятые доли метра, то продольная метацентрическая высота лежит в пределах H = (0,8 ÷ 1,5) L, где L — длина по ватерлинии, м.

Доля моментов остойчивости формы и веса в обеспечении поперечной и продольной остойчивости неодинакова. При поперечных наклонениях, момент остойчивости веса составляет значительную долю от момента остойчивости формы. Поэтому поперечный вocстанавливающий момент составляет ≈ 30% от момента остойчивости формы. При продольных наклонениях момент остойчивости веса составляет всего лишь 0,5÷1,0% от момента остойчивости формы, то есть продольный восстанавливающий момент практически равен моменту остойчивости формы.

Коэффициент продольной остойчивости Кψ определяется по формуле:

При наклонениях в любых других плоскостях, отличных от поперечной и продольной, величины метацентрических радиусов и метацентрических высот (а, следовательно, и остойчивость) имеют промежуточные значения между максимальным и минимальным, соответствующим продольным и поперечным наклонениям.

Диаграмма остойчивости

Диаграмма остойчивости (нормальная).
Θ — угол наклонения; GZ — плечо статического восстанавливающего момента; B — текущий угол; A — работа восстанавливающего момента; C — угол заката

Диаграмма остойчивости (с заглублением)

Диаграммой остойчивости называется зависимость восстанавливающего усилия от угла наклонения. Иногда называется диаграммой Рида, в честь инженера, который ввел ее в обиход. Для поперечной остойчивости (для которой и была исходно составлена Ридом) координатами будут угол крена Θ и плечо восстанавливающего момента GZ. Можно заменить плечо на сам момент M, от этого вид диаграммы не меняется.

Обычно на диаграмме изображается крен на один борт (правый), при котором углы и моменты считаются положительными. Если продолжить ее на другой борт, крен и восстанавливающий (спрямляющий) момент меняют знак. То есть диаграмма симметрична относительно начальной точки.

Основные элементы диаграммы остойчивости

Начальная точка O, она же обычно точка равновесия. В этот момент крен Θ = 0, спрямляющий момент отсутствует GZ = 0. Если почему-либо начальная остойчивость отрицательна, точка равновесия может не совпадать с началом координат. Тогда GZ = 0 при Θ = Θ₁.

Точка максимума. Представляет угол, при котором спрямляющий момент максимален GZ_max. До этого угла дальнейшее наклонение вызывает рост момента. После достижения максимума наклонение сопровождается падением момента, до достижения третьей характерной точки:

Точка заката C. Представляет угол, при котором спрямляющий момент падает до нуля GZ = 0. Соответствует точке опрокидывания судна, поскольку спрямляющих сил больше нет. Для обычных водоизмещающих судов угол заката (статический) лежит в районе 65÷75°. Для килевых яхт — в районе 120÷125°.

Кривизна. Характеризует скорость нарастания спрямляющего момента. Первой производной является работа. Касательная к кривой остойчивости в точке O характеризует начальную метацентрическую высоту. Ордината ее, отложенная при угле Θ = 1 рад равна метацентрической высоте h.

Площадь под кривой для текущего угла B представляет работу A восстанавливающего момента и является мерой динамической остойчивости.

Виды диаграммы остойчивости

• Нормальная. Характерна для большинства водоизмещающих судов с нормальной метацентрической высотой, например сухогрузов.
• S-образная (с перегибом). Характерна для судов с уменьшенной метацентрической высотой, например, высокобортных пассажирских.
• С заглублением. Не характерна для большинства судов. Возникает в случае, когда начальная остойчивость отрицательна. Судно при этом плавает в равновесии не на ровный киль, а с креном Θ₁, соответствующим точке пересечения кривой и оси Θ. Например, такая диаграмма бывает у лесовозов, идущих вперегруз или судов, имеющих свободные поверхности в танках.

Факторы, влияющие на изменение остойчивости

Перемещение грузов

Перемещение груза р в произвольном направлении из точки g1 (x1, y1, z1) в точку g2 (x2, y2, z2) можно заменить тремя последовательными перемещениями параллельно осям координатной системы oxyz на расстояние x2 - x1, y2 - y1, z2 - z1. Эти перемещения называются соответственно горизонтально-продольным, горизонтально-поперечным и вертикальным.

При вертикальном перемещении груза происходит перемещение силы р по линии её действия. Равновесие судна при этом не нарушается, посадка не меняется, т.е. величина и форма погруженного объема остаются неизменными. Поэтому центр величины, поперечный и продольный метацентры не меняют своего положения. Центр тяжести перемещается вверх из точки G в точку G₁ на расстояние δZ_g, прямо пропорциональное весу перемещенного груза р и величине перемещения z2 - z1 и обратно пропорциональное весу судна:

Продольная и поперечная метацентрическне высоты изменяются на одну и ту же величину:

δh = δH = - δZ_g

Величина приращения поперечного н продольного коэффициентов остойчивости также одинакова:

δК_θ = P·δh и δК_ψ = P·δH, или

δК_θ = δК_ψ = - р (z2 - z1)

Метацентрические высоты и коэффициенты остойчивости после перемещения груза принимают значения:

h₁ = h + δh;

H₁ = Н + δH;

К_θ1 = К_θ + δК_θ;

К_ψ1 = К_ψ + δ_Кψ ,

причем перемещение вниз соответствует положительным приращениям, а вверх — отрицательным. То есть при перемещении груза вверх остойчивость уменьшается, а при перемещении вниз — увеличивается. Поскольку поперечные и продольные приращения одинаковы, а метацентрические высоты различны, влияния вертикальных перемещений на поперечную и продольную остойчивость сильно различаются. Для продольной остойчивости δH составляет лишь малую долю Н. Для поперечной возможны ситуации, когда h ≈ δh , то есть полная потеря (или восстановление) остойчивости.

При горизонтально-поперечном перемещении груза из точки А в точку В судно кренится от прямого положения равновесия (ватерлиния ВЛ) на угол θ (ватерлиния B₁Л₁). Такое перемещение груза можно представить так, будто груз в точке В снят (сила р направлена в противоположную сторону — вверх), а в точке E принят.

Наклонению препятствует восстанавливающий момент m_θ = Ph·sinθ. Судно будет находиться в равновесии тогда, когда кренящий и спрямляющий моменты сравняются:

m_кр = m_θ, то есть

Ph·sinθ = p l_y cosθ,

где l_y = BE. Отсюда определяется угол крена равновесного положения:

Перемещение груза вызывает сдвиг центра тяжести судна в сторону перемещения груза на расстояние GG₁ = p l_y / P. Центр величины при наклонении перемещается в сторону наклонения до тех пор, пока не окажется на одной вертикали с центром тяжести, т.е. пока не будет выполнено второе условие равновесия.

Поперечная метацентрическая высота после переноса груза определяется из треугольника GmG₁:

При малых углах крена cosθ ≈ 1; h₁ ≈ h, то есть начальная поперечная остойчивость при горизонтально-поперечном перемещении груза практически не изменяется.

Формулы для определения посадки и остойчивости в случае горизонтально-продольного перемещения груза выводятся аналогично предыдущим. Из равенства дифферентующего момента от перемещения груза М_диф = p (x1 – x2) cosψ и восстанавливающего момента М_ψ = PH sinψ определяется угол дифферента, который получает судно после перемещения груза:

Начальная продольная остойчивость от горизонтально-продольного перемещения груза также практически не меняется.

Прием и снятие грузов

Прием или снятие грузов изменяет как нагрузку судна (вес и координаты центра тяжести), так и его погруженный объем (его величину, форму, координаты центра величины).

Приём груза в произвольное место можно представить как приём этого груза без изменения крена и дифферента, а затем перенос его в назначенное место. Условием неизменности крена и дифферента приема груза р является расположение его центра тяжести на одной вертикали с центром величины дополнительно входящего в воду объёма δV, который равен p/γ, где γ — удельный вес воды. При приеме относительно малого груза можно считать, что для исключения крена и дифферента он должен быть помещен на одну вертикаль с центром тяжести F исходной площади ватерлинии.

Влияние перемещений груза на остойчивость и посадку рассмотрено выше. Для определения метацентрических высот после приёма груза необходимо найти координаты центра тяжести z_g1, и метацентров z_c1 + r₁ и z_c1 + R₁. Новое положение центра тяжести находится из условия равенства статических моментов сил тяжести относительно основной плоскости.

В общем случае приёма или снятия нескольких грузов новое положение центра тяжести определяется по формуле

z_g1 = (Pz_g ± ∑p_iz_pi) /P₁,

где: p_i — вес принятого или снятого отдельно груза, при этом принимаемый груз берется со знаком плюс, а снимаемый — со знаком минус; z_pi — аппликата центра тяжести принятого или снятого груза.

Диаграмма плавучести и начальной остойчивости

При приеме относительно небольших грузов (менее 10 % водоизмещения) на надводный корабль (судно) считается, что форма и площадь действующей ватерлинии не меняются, а погруженный объем линейно зависит от осадки — то есть принимается гипотеза прямобортности. Тогда коэффициенты остойчивости выражаются как:

δK_θ = р (Т + δТ/2 - zp + dI_x/dV)

δK_ψ = р (Т + δТ/2 - zp + dI_yf/dV)

В более сложных случаях используется диаграмма плавучести и начальной остойчивости, с которой снимают значения погруженного объема, метацентрического радиуса, координат ЦТ и ЦВ в зависимости от осадки. Ее использование характерно для определения остойчивости погружаемых аппаратов, например подводных лодок.

Свободные поверхности

Все рассмотренные выше случаи предполагают, что центр тяжести судна неподвижен, то есть нет грузов, которые перемещаются при наклонении. Но когда такие грузы есть, их влияние на остойчивость значительно больше остальных.

Типичным случаем являются жидкие грузы (топливо, масло, балластная и котельная вода) в цистернах, заполненных частично, то есть имеющих свободные поверхности. Такие грузы способны переливаться при наклонениях. Если жидкий груз заполняет цистерну полностью, он эквивалентен твердому закрепленному грузу.

Влияние свободной поверхности на остойчивость

Если жидкость заполняет цистерну не полностью, т.е. имеет свободную поверхность, занимающую всегда горизонтальное положение, то при наклонении судна на угол θ жидкость переливается в сторону наклонения. Свободная поверхность примет такой же угол относительно КВЛ.

Уровни жидкого груза отсекают равные по величине объёмы цистерн, т.е. они подобны равнообъёмным ватерлиниям. Поэтому момент, вызываемый переливанием жидкого груза при крене δm_θ, можно представить аналогично моменту остойчивости формы m_ф, только δm_θ противоположно m_ф по знаку:

δm_θ = - γ_ж i_xθ,

где i_x — момент инерции площади свободной поверхности жидкого груза относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, γ_ж — удельный вес жидкого груза

Тогда восстанавливающий момент при наличии жидкого груза со свободной поверхностью:

m_θ1 = m_θ + δm_θ = Phθ − γ_ж i_xθ = P(h − γ_ж i_x /γV)θ = Ph₁ θ,

где h — поперечная метацентрическая высота в отсутствие переливания, h₁ = h − γ_ж i_x /γV — фактическая поперечная метацентрическая высота.

Влияние переливающегося груза дает поправку к поперечной метацентрической высоте δ h = - γ_ж i_x /γV

Плотности воды и жидкого груза относительно стабильны, то есть основное влияние на поправку оказывает форма свободной поверхности, точнее ее момент инерции. А значит, на поперечную остойчивость в основном влияет ширина, а на продольную длина свободной поверхности.

Физический смысл отрицательного значения поправки в том, что наличие свободных поверхностей всегда уменьшает остойчивость. Поэтому принимаются организационные и конструктивные меры для их уменьшения:

1. полная запрессовка цистерн, чтобы не допускать свободных поверхностей
2. если это невозможно, заполнение под горловину, или наоборот, только на дне. В этом случае любое наклонение резко уменьшает площадь свободной поверхности.
3. контроль числа цистерн, имеющих свободные поверхности
4. разбивка цистерн внутренними переборками, затрудняющими переливание

Динамическая остойчивость

Динамическая остойчивость судна

В отличие от статического, динамическое воздействие сил и моментов сообщает судну значительные угловые скорости и ускорения. Поэтому их влияние рассматривается в энергиях, точнее в виде работы сил и моментов, а не в самих усилиях. При этом используется теорема кинетической энергии, согласно которой приращение кинетической энергии наклонения судна равно работе действующих на него сил.

Когда к судну прикладывается кренящий момент m_кр, постоянный по величине, оно получает положительное ускорение, с которым начинает крениться. По мере наклонения возрастает восстанавливающий момент, но вначале, до угла θ_cт, при котором m_кр = m_θ, он будет меньше кренящего. По достижении угла статического равновесия θ_cт, кинетическая энергия вращательного движения будет максимальной. Поэтому судно не останется в положении равновесия, а за счет кинетической энергии будет крениться дальше, но замедленно, поскольку восстанавливающий момент больше кренящего. Накопленная ранее кинетическая энергия погашается избыточной работой восстанавливающего момента. Как только величина этой работы будет достаточной для полного погашения кинетической энергии, угловая скорость станет равной нулю и судно перестанет крениться.

Наибольший угол наклонения, которое получает судно от динамического момента, называется динамическим углом крена θ_дин. В отличие от него угол крена, с которым судно будет плавать под действием того же момента (по условию m_кр = m_θ), называется статическим углом крена θ_ст.

Если обратиться к диаграмме статической остойчивости, работа выражается площадью под кривой восстанавливающего момента m_в. Соответственно, динамический угол крена θ_дин можно определить из равенства площадей OAB и BCD, соответствующих избыточной работе восстанавливающего момента. Аналитически та же работа вычисляется как:

,

на интервале от 0 до θ_дин.

Достигнув динамического угла крена θ_дин, судно не приходит в равновесие, а под действием избыточного восстанавливающего момента начинает ускоренно спрямляться. При отсутствии сопротивления воды судно вошло бы в незатухающие колебания около положения равновесия при крене θ_ст с амплитудой от 0 до θ_дин. Но практически, от сопротивления воды колебания быстро затухают и оно остается плавать со статическим углом крена θ_ст.

Динамическое воздействие кренящего момента всегда опаснее статического, так как приводит к более значительным наклонениям. В пределах прямолинейной части диаграммы статической остойчивости, динамический угол крена примерно в два раза больше статического: θ_дин ≈ 2 θ_ст.

См. также

Примечания

1. ↑ По традиции сохраняется несогласованность терминов: предметом теории корабля является судно.
2. ↑ В системе координат, привязанной к самому судну; иначе говоря, допускают что нет подвижки груза.

Литература

Wikimedia Foundation. 2010.

Мореходные качества судна — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Морехо́дные ка́чества су́дна (корабля́) — качества судна (корабля), которые определяют его способность безопасно совершать плавание при любом состоянии моря и любой погоде, а также сохраняя живучесть в случае повреждения. Мореходные качества являются предметом изучения науки под названием «теория корабля».

• Мореходность — совокупность качеств, определяющих способность ходить и использовать механизмы и оборудование до определённых условий моря: высоты волны и силы ветра. Мореходность корабля определяется, в первую очередь, характером его качки. Включает в себя:
  • Всхожесть на волну — способность преодолевать волну (особенно штормовую) без опасных последствий (например без зарывания). Зависит от обводов и высоты борта в носовой части.
  • Заливаемость — количество воды, принимаемой на палубу и надстройки при определенном состоянии моря.
  • Забрызгиваемость — количество брызг, принимаемых на палубу и надстройки при определенном состоянии моря.
  • Ветрозащищённость — условия эксплуатации судна и работы экипажа при заданной силе ветра.
• Остойчивость — способность судна, отклоненного внешними силами от положения равновесия и предоставленного самому себе, вновь возвращаться к положению равновесия^[1]. Речное судно должно обладать максимально возможной начальной остойчивостью, чтобы бортовое давление ветра, или внезапно собравшиеся на одном борту пассажиры, не могли привести к затоплению нижних палуб и открытых иллюминаторов. Остойчивость морского судна существенно влияет на величину размаха и резкость качки, уменьшение которых достигается только при снижении начальной остойчивости^[2].
• Плавучесть — способность судна ходить при заданной нагрузке, имея заданную осадку. Мерой плавучести служит водоизмещение. Объём водонепроницаемых отсеков выше ватерлинии называют запасом плавучести. По сути, это объём воды, который может принять судно сверх расчётной нагрузки до полной потери плавучести. На запас плавучести влияют высота надводного борта, наличие водонепроницаемых надстроек и целостность корпуса и надстроек.

Запас плавучести отрицательно сказывается на возможности удержания курса, ходкости и мореходности судна в штормовых условиях плавания в целом, так как излишний надводный объём подвергается прямому силовому воздействию штормовых волн, что приводит к усилению всех видов качки, и, как следствие, потере хода и частой зарываемости носовой палубы судна под встречные волны. Возможна гидродинамическая компенсация внешних сил со стороны интенсивных трохоидальных гребней волн штормовой природы открытого моря, что обеспечивается построением специальной формы корпуса, и обычно характеризуется заужением оконечностей судна, завалом внутрь форштевня и бортов в средней части корпуса, устройством узкой крейсерской кормы.^[1]

• Ходкость — способность судна поддерживать скорость хода и манёвренность на заданных курсах относительно морского волнения и ветра, при условии удовлетворительной обитаемости для экипажа и пассажиров, сохранности грузов и должной работоспособности всех бортовых устройств и механизмов. Зависит от мощности главных механических двигателей или эффективности парусного вооружения. Как показатель эффективности морского судна связывается уровнем сохранения хода в реальных штормовых и ледовых условиях плавания, что обусловливается возможностью использования полной мощности главных машин или эффективной площади парусного вооружения в условиях интенсивного волнения и шквальных ветров.^[3][2]
• Качка — регулярные поступательные (вертикальная, поперечная и поступательная) и вращательные (бортовая, килевая и рыскание) колебания корпуса судна под внешним силовым воздействием со стороны морского волнения и зыби.^[1] Снижение мореходности судна связано с развитием бортовой и килевой качки, грозящих смещением грузов, разрушением внутрикорпусных связей и срывом тяжёлых механизмов с фундаментов вследствие ускорений и ударных нагрузок в штормовом плавании. Суммарное действие килевой и вертикальной качки способно привести в состояние невесомости тяжёлые грузы в носовых трюмах, что при удвоении (2•g) ускорения в обратной фазе штормового колебания корпуса будет угрожать опасными деформациями и нарушением герметичности обшивки корпуса.
• Непотопляемость — способность корабля оставаться на плаву и не опрокидываться в условиях, когда один или несколько его отсеков затоплены водой. Непотопляемость обеспечивается запасом плавучести, остойчивостью, целостностью корпуса и надстроек, наличием и состоянием водонепроницаемых переборок и палуб (платформ), разделяющих корпус корабля на отсеки, наличием средств борьбы с повреждениями, а также субъективными факторами (готовностью и умением команды вести борьбу за живучесть судна).^[1]
• Управляемость — способность судна изменять или сохранять курс, по мере необходимости^[3]. Управляемость является комплексным мореходным качеством и, в числе прочего, включает в себя вопросы:
  • Поворотливость — способность судна изменять направление своего движения при отклонении руля на какой-либо угол. Поворотливость характеризуется скоростью изменения курса и диаметром циркуляции.
  • Устойчивость на курсе (курсовая устойчивость) — способность судна сохранять неизменным направление своего движения без внешнего вмешательства.
  • Управляемость при ветре — может оказаться, что в условиях сильного ветра управляемость судна недостаточна.
  • Управляемость на мелководье — в условиях мелководья ухудшаются как поворотливость так и курсовая устойчивость судна.
  • Позиционирование судна в заданной точке — способность судна сохранять позицию без применения маршевой двигательной системы.
  • Движение судна при действии подруливающего устройства.
  • Активное торможение (реверс) судна — торможение судна за счёт работы маршевой двигательной установки в режиме «полный назад», а также скорость такого торможения и тормозной путь судна.

Факторы, влияющие на мореходные качества[править | править код]

Мореходные качества существенно зависят от соотношения условий плавания (например высота, длина и период волн, скорость ветра) и линейных размеров и веса судна, а также от его архитектуры, формы обводов, нагрузки и других параметров.

При конструировании судна задачи обеспечения различных мореходных качеств могут противоречить друг другу. Достижение хороших мореходных качеств является сложной конструкторской задачей и зависит в большей степени от опыта и интуиции конструктора.

Мореходные качества судна, и особенно боевого корабля, не следует путать ни с техническими требованиями, ни с тактико-техническими элементами.^[4] Те и другие диктуются назначением и ожидаемым способом применения. Они являются предметом отдельных дисциплин.

1. ↑ ^{1 2 3 4} Войткунский, Я. И. Справочник по теории корабля. Т. 2. Статика судов. Качка судов. Л., Судостроение, 1986.
2. ↑ ^{1 2} Храмушин, В. Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Владивосток: Дальнаука, 2003. — 171 с., 98 ил., 4 табл., библ. 86. — Рус.
3. ↑ ^{1 2} Войткунский, Я. И. Справочник по теории корабля. Т. 1. Гидродинамика. Сопротивление воды движению судов. Судовые движители. Л., Судостроение, 1986.
4. ↑ Тактика ВМФ. Учебник для слушателей военно-учебных заведений. Бессонов В. Ф. и др., ред. М., Воениздат, 1997.

• Гофман А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Л., Судостроение, 1988
• Бекенский Б. В. Практические расчёты мореходных качеств судна. — М.: Транспорт, 1974. — 264 с.
• Жуков Ю. Д. Мореходные качества корабля. — Николаев: Издательство Наваль, 2007. — 144 с. — ISBN 978-966-336-096-6.
• Невский Н. А. Военно-морской флот. — М.: Воениздат, 1959. — 328 с.

Поперечная остойчивость морских судов

Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент,который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра,волнения и по другим причинам.

Кренящий (дифферентующий) и восстанавливающий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны.

Различают поперечную остойчивость, соответствующую наклонению судна в поперечной плоскости (крен судна), и продольную остойчивость (дифферент судна).

Продольная остойчивость морских судов заведомо обеспечена и ее нарушение практически невозможно, в то время как размещение и перемещение грузов приводит к изменениям поперечной остойчивости.

При наклонении судна его центр величины (ЦВ) будет перемещаться по некоторой кривой, называемой траекторией ЦВ. При малом наклонении судна (не более 12°) допускают, что траектория ЦВ совпадает с плоской кривой, которую можно считать дугой радиуса r с центром в точке m.

Радиус r называют поперечным метацентрическим радиусом судна, а его центр m - начальным метацентром судна.

Метацентр - центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна. Если наклонение происходит в поперечной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклонении в продольной плоскости (дифферент) - продольным, или большим.

Соответственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R метацентрические радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.

Расстояние между начальным метацентром т и центром тяжести судна G называют начальной метацентрической высотой (или просто метацентрической высотой) и обозначают буквой h. Начальная метацентрическая высота является измерителем остойчивости судна.

h = zc + r - zg; h = zm ~ zc; h = r - a,

где а - возвышение центра тяжести (ЦТ) над ЦВ.

Метацентрическая высота (м.в.) - расстояние между метацентром и центром тяжести судна. М.в. является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента.
При возрастании м.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости суд- на необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если м.в. отрицательна, т.е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, образуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость), что не допускается.

Элементы начальной поперечной остойчивости:

OG – возвышение центра тяжести над килем; OM – возвышение метацентра над килем;

GM - метацентрическая высота; CM – метацентрический радиус;

m – метацентр; G – центр тяжести; С – центр величины

Возможны три случая расположения метацентра m относительно центра тяжести судна G:

метацентр m расположен выше ЦТ судна G (h > 0). При малом наклонении силы тяжести и силы плавучести создают пару сил, момент которой стремится вернуть судно в первоначальное равновесное положение;

ЦТ судна G расположен выше метацентра m (h < 0). В этом случае момент пары сил веса и плавучести будет стремиться увеличить крен судна, что ведет к его опрокидыванию;

ЦТ судна G и метацентр m совпадают (h = 0). Судно будет вести себя неустойчиво, так как отсутствует плечо пары сил.

Физический смысл метацентра заключается в том, что эта точка служит пределом, до которого можно поднимать центр тяжести судна, не лишая судно положительной начальной остойчивости.

Смотрите также

• 
  Снапшот что это такое
• 
  Кластер что это такое в школе
• 
  Материнский капитал что это такое
• 
  Что такое смирение как правильно понимать это чувство
• 
  Кодировка от курения что это такое
• 
  Кислородный отбеливатель что это такое
• 
  Импульс что это такое
• 
  Гастропанель что это такое
• 
  Болезнь бехтерева что это такое как лечить у женщин
• 
  Атрофия коры головного мозга что это такое
• 
  Дмпп что это такое у детей