Элементы начальной поперечной остойчивости. Поперечная остойчивость Посадка судна прямо и на ровный киль
Взаимным расположением груза на судне судоводитель всегда может найти наиболее выгодное значение метацентрической высоты, при которой судно будет достаточно остойчивым и меньше подвергаться качке.
Кренящим моментом называется произведение веса груза, перемещаемого поперек судна, на плечо, равное расстоянию перемещения. Если человек весом 75 кг, сидящий на банке, переместится поперек судна на 0,5 м, то кренящий момент будет равен 75*0,5 = 37,5 кг/м.
Рис 91. Диаграмма статической остойчивости
Для изменения момента, накреняющего судно па 10°, надо загрузить судно до полного водоизмещения совершенно симметрично относительно диаметральной плоскости.
Загрузку судна следует проверить по осадкам, измеряемым с обоих бортов. Креномер устанавливается строго перпендикулярно диаметральной плоскости таким образом, чтобы он показал 0°.
После этого надо перемещать грузы (например, людей) на заранее размеченные расстояния до тех пор, пока креномер не покажет 10°. Опыт для проверки следует произвести так: накренить судно на один, а затем на другой борт.
Зная крепящие моменты накреняющего судно на различные (до наибольшего возможного) углы, можно построить диаграмму статической остойчивости (рис. 91), что оценит остойчивость судна.
Остойчивость можно увеличивать за счет увеличения ширины судна, понижения ЦТ, устройства кормовых булей.
Если центр тяжести судна расположен ниже центра величины, то судно считается весьма остойчивым, так как сила поддержания при крене не изменяется по величине и направлению, но точка ее приложения смещается в сторону наклона судна (рис. 92, а).
Поэтому при крене образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом, стремящимся вернуть судно в нормальное вертикальное положение па прямой киль. Легко убедиться, что h>0, при этом метацентрическая высота равна 0. Это типично для яхт с тяжелым килем и нетипично для более крупных судов с обычным устройством корпуса.
Если центр тяжести расположен выше центра величины, то возможны три случая остойчивости, которые судоводитель должен хорошо знать.
Первый случай остойчивости.
Метацентрическая высота h>0. Если центр тяжести расположен выше центра величины, то при наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает диаметральную плоскость выше центра тяжести (рис. 92, б).
Рис. 92.
Случай остойчивого судна
В этом случае также образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом. Это типично для большинства судов обычной формы. Остойчивость в этом случае зависит от корпуса и положения центра тяжести по высоте.
При крене кренящийся борт входит в воду и создает дополнительную плавучесть, стремящуюся выровнять судно. Однако при крене судна с жидкими и сыпучими грузами, способными перемещаться в сторону крена, центр тяжести также сместится в сторону крена. Если центр тяжести при крене переместится за отвесную линию, соединяющую центр величины с метацентром, то судно опрокинется.
Второй случай неостойчивого судка при безразличном равновесии.
Метацентрическая высота h = 0. Если центр тяжести лежит выше центра величины, то при крене линия действия силы поддержания проходит через центр тяжести MG = 0 (рис. 93).
В данном случае центр величины всегда располагается на одной вертикали с центром тяжести, поэтому восстанавливающаяся пара сил отсутствует. Без воздействия внешних сил судно не может вернуться в прямое положение.
В данном случае особо опасно и совершенно недопустимо перевозить на судне жидкие и сыпучие грузы: при самой незначительной качке судно перевернется. Это свойственно шлюпкам с круглым шпангоутом.
Третий случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии.
Метацентрическая высота h<0. Центр тяжести расположен выше центра величины, а в наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает след диаметральной плоскости ниже центра тяжести (рис. 94).
Эксплуатационные качества судна
Наиболее характерными для маломерного судна эксплуатационными качествами являются: пассажировместимость , грузоподъемность, водоизмещение и скорость.
Пассажировместимость — показатель, равный числу оборудованных мест для размещения людей на судне. Пассажировместимость зависит от грузоподъемности:
п = G/100 , чел. (с багажом), или п =G/75 , чел. (без багажа)
При этом округление полученного результата производится до меньшего целого числа. На маломерном судне наличие оборудованных сидячих мест должно соответствовать установленной для данного судна пассажировместимости.
Пассажировместимость ориентировочно можно рассчитать по формуле:
N=Lнб Bнб/K , чел.,
где К - эмпирический коэффициент, принимаемый равным: для моторных и гребных лодок - 1,60; для катеров - 2,15.
Грузоподъемность — полезная нагрузка судна, включающая в себя массу людей и багажа согласно пассажировместимости. Различают дедвейт и чистую грузоподъемность.
Дедвейт - это разность между водоизмещениями в полном грузу и порожнем.
Чистая грузоподъемность - это масса только полезного груза, который может принять судно.
Для больших судов единицей изменения грузоподъемности служит тонна, для малых - кг. Грузоподъемность С можно рассчитать по формулам, а можно определить и опытным путем. Для этого на судно при водоизмещении порожнем, но со снабжением и запасом горючего, последовательно помещают груз до достижения судном ватерлинии, соответствующей минимальной высоте надводного борта. Масса помещенного груза соответствует грузоподъемности судна.
Водоизмещение . Различают два вида водоизмещения - массовое (весовое) и объемное.
Массовое (весовое) водоизмещение - это масса находящегося на плаву судна, равная массе вытесненной судном воды. Единицей измерения служит тонна.
Объемное водоизмещение V - это объем подводной части судна в м3. Расчет производится через главные измерения:
V = SLВТ,
где S - коэффициент полноты водоизмещения, равный для маломерных судов 0,35 - 0,6, причем меньшее значение коэффициента присуще для небольших судов с острыми обводами. Для водоизмещающих катеров S = 0,4 - 0,55, глиссирующих S= 0,45 - 0,6, моторных лодок 5 - 0,35 - 0,5, для парусных судов этот коэффициент колеблется от 0,15 до 0,4.
Скорость.
Скорость - это расстояние, проходимое судном за единицу времени. На морских судах скорость измеряется в узлах (миля в час), а на судах внутреннего плавания - в километрах в час (км/ч). Судоводителю маломерного судна рекомендуется знать три скорости: наибольшую (максимальную), которую судно развивает при максимальной мощности двигателя; наименьшую (минимальную), при которой судно слушается руля; среднюю - наиболее экономную при сравнительно больших переходах. Скорость зависит от мощности двигателя, размеров и формы корпуса, загрузки судна и различных внешних факторов: волнения, ветра, течения и т. д.
Мореходные качества судна
Способность судна держаться на плаву, взаимодействовать с водой, не переворачиваться и не идти ко дну при затоплении характеризуется его мореходными качествами. К ним относятся: плавучесть, остойчивость и непотопляемость.
Плавучесть. Плавучесть - это способность судна держаться на поверхности воды, имея заданную осадку. Чем больше груза помещать на судно, тем глубже оно будет погружаться в воду, но не потеряет плавучести до тех пор, пока вода не начнет поступать внутрь корпуса.
В случае течи в корпусе или пробоины, а также попадания воды во время штормовой погоды внутрь судна, увеличивается его масса. Поэтому судно должно иметь запас плавучести.
Запас плавучести - это непроницаемый для воды объем корпуса судна, находящийся между грузовой ватерлинией и верхней кромкой борта. При отсутствии запаса плавучести судно затонет при попадании внутрь корпуса даже небольшого количества воды.
Необходимый для безопасного плавания судна запас плавучести обеспечивается приданием судну достаточной высоты надводного борта, а также наличия водонепроницаемых закрытий и переборок между отсеками и блоками плавучести — конструктивными элементами внутри корпуса маломерного судна в виде сплошного блока из материала (например, пенопласта), имеющего плотность меньше единицы. При отсутствии таких переборок и блоков плавучести любая пробоина подводной части корпуса приводит к полной потере запаса плавучести и гибели судна.
Запас плавучести зависит от высоты надводного борта - чем выше надводный борт, тем больше запас плавучести. Этот запас нормируется минимальной высотой надводного борта, в зависимости от величины которой для конкретного маломерного судна устанавливаются район безопасного плавания и допустимое удаление от берега. Однако злоупотреблять высотой надводного борта нельзя, так как это отражается на другом не менее важном качестве — остойчивости
Остойчивость. Остойчивость - это способность судна противостоять силам, вызывающим его наклонение, а после прекращения действия этих сил (ветер, волна, перемещение пассажиров и др.) возвращаться в первоначальное положение равновесия. Одно и то же судно может иметь хорошую остойчивость при расположении в нем груза близко к днищу и может частично или полностью потерять остойчивость, если груз или людей разместить несколько выше
Различают два вида остойчивости: поперечную и продольную. Поперечная остойчивость проявляется при крене судна, т.е. при наклонениях его на борт. Во время плавания на судно действуют две силы: тяжести и поддержания. Равнодействующая D (рис. 1, а) силы тяжести судна, направленная вниз, будет условно приложена в точке G, называемой центром тяжести (ЦТ), а равнодействующая А сил поддержания, направленная вверх, будет условно приложена в центре тяжести С погруженной в воду части судна, называемом центром величины (ЦВ). Когда судно не имеет дифферента и крена, ЦТ и ЦВ будут расположены в диаметральной плоскости судна (ДП).
Рис 1 Расположение равнодействующих сил тяжести и поддержания относительно друг друга при различных положениях судна
|
|
|
Значение ho характеризует остойчивость судна при малых наклонениях. Положение точки М в этих условиях почти не зависит от угла крена ф.
Сила D и равная ей сила поддержания А образуют пару сил с плечом /, которая создает восстанавливающий момент MB=Dl. Этот момент стремится вернуть судно в первоначальное положение. Заметим, что ЦТ при этом находится ниже точки М.
Теперь представим, что на палубу этого же судна положен дополнительный груз (рис. 1, в). В результате ЦТ расположится значительно выше, и при крене точка М окажется ниже его. Образующаяся при этом пара сил будет создавать уже не восстанавливающий, а опрокидывающий момент Мопр. Следовательно, судно будет неостойчиво и опрокинется.
На поперечную остойчивость судна большое влияние оказывает ширина корпуса: чем шире корпус, тем остойчивее судно, и, наоборот, чем корпус уже и выше, тем остойчивость буде хуже.
Для маломерных скоростных судов (особенно при движении на большой скорости во время волнения) далеко не всегда решенной проблемой является и сохранение продольной остойчивости.
У килевых маломерных судов начальная метацентрическая высота равна, как правило, 0,3 - 0,6 м. Остойчивость судна зависит от от загрузки судна, перемещения грузов, пассажиров и от других причин. Чем больше метацентрическая высота, тем больше восстанавливающий момент и остойчивее судно, однако при большой остойчивости судно имеет резкую качку. Улучшает остойчивость низкое расположение двигателя, топливного бака, сидений и соответствующее размещение грузов и людей.
При шквальном ветре, сильном ударе волны о борт и в некоторых других случаях крен судна увеличивается быстро и возникает динамический кренящий момент. В этом случае крен судна будет увеличиваться и после достижения равенства кренящего и восстанавливающего моментов. Это происходит из-за действия силы инерции. Обычно такой крен в два раза больше крена от статического действия такого же кренящего момента. Поэтому плавание в штормовую погоду, особенно маломерных судов, очень опасно.
Продольная остойчивость действует при наклонениях судна на нос или корму, т.е. при килевой качке. Эту остойчивость судоводителю следует учитывать при движении на больших скоростях во время волнения, т.к. "зарывшись" носом в воду катер или мотолодка может не восстановить своего первоначального положения и затонуть, а иногда и перевернуться.
Факторы, влияющие на остойчивость судна:
а) На остойчивость судна наиболее ощутимо влияет его ширина: чем больше она по отношению к его длине, высоте борта и осадке, тем выше остойчивость.
б) Остойчивость небольшого судна повышается, если изменить форму погруженной части корпуса при больших углах крена. На этом утверждении, например, основано действие бортовых булей и пенопластового привального бруса, которые при погружении в воду создают дополнительный - восстанавливающий момент.
в) Остойчивость ухудшается при наличии на судне топливных баков с зеркалом поверхности от борта до борта, поэтому эти баки должны иметь внутренние перегородки
г) На остойчивость наиболее сильно влияет размещение на судне пассажиров и грузов, их следует располагать как можно ниже. Нельзя допускать на судне малых размеров во время его движения сидение людей на борту и их произвольное перемещение. Грузы должны быть надежно закреплены, чтобы исключить их неожиданное смещение с мест укладки д) При сильном ветре и волнении действие кренящего момента очень опасно для судна, поэтому с ухудшением погодных условий необходимо отвести судно в укрытие и переждать непогоду. Если этого сделать невозможно из-за значительного расстояния до берега, то в штормовых условиях нужно стараться держать судно "носом на ветер", выбросив плавучий якорь и работая двигателем на малом ходу.
Непотопляемость. Непотопляемость - это способность судна после затопления части судна сохранять плавучесть.
Непотопляемость обеспечивается конструктивно - делением корпуса на водонепроницаемые отсеки, оборудованием судна блоками плавучести и водоотливными средствами.
Незатапливаемые объемы корпуса чаще всего представляют собой блоки из пенопласта. Необходимое его количество и расположение рассчитываются для обеспечения аварийного запаса плавучести и поддержания аварийного судна в положении "на ровном киле".
Безусловно, что в условиях сильного волнения далеко не каждая получившая пробоину моторная лодка и катер обеспечат выполнение этих требований.
Маневренные качества маломерного судна
К основным маневренным качествам судна относятся: управляемость, циркуляция, ходкость и инерция
Управляемость. Управляемость - это способность судна удерживать на ходу заданное направление движения при неизменном положении руля (устойчивость на курсе) и изменять на ходу направление своего движения под действием руля (поворотливость).
Устойчивостью на курсе называется свойство судна сохранять прямолинейное направление движения. Если же судно при прямом положении руля отклоняется от курса, то такое явление принято называть рыскливостью судна.
Если же судно при прямом положении руля отклоняется от курса, то такое явление принято называть рыскливостью судна.
Причины, вызывающие рыскливость, могут быть постоянными и временными. К постоянным относятся причины, связанные с конструктивными особенностями судна: тупые носовые обводы корпуса, несоответствие длины судна его ширине, недостаточная площадь пера руля, влияние вращения гребного винта
Временная рыскливость может быть вызвана неправильной загрузкой судна, ветром, мелководьем, неровным течением и т п.
Понятие "устойчивость на курсе" и "поворотливость" являются противоречимыми, однако эти качества присущи практически всем судам и характеризуют их управляемость.
На управляемость влияет много факторов и причин, главными из которых являются действие руля, работа винта и их взаимодействие.
Поворотливость — свойство судна изменять направление движения под действием руля. Это качество в первую очередь зависит от правильного соотношения длины и ширины корпуса, формы его обводов, а также от площади пера руля.
Особенности управляемости судна при переходе с переднего хода на задний
При проведении швартовых операций или необходимости срочно остановить судно (опасность столкновения, предотвращение посадки на мель, оказание помощи человеку за бортом и др.) приходится переходить с переднего хода на задний. В этих случаях судоводитель должен учитывать, что в первые секунды при перемене работы винта правого вращения с переднего хода на задний, корма стремительно покатится влево, при винте левого вращения - вправо.
Причины, влияющие на управляемость
Кроме руля и вращающегося винта на устойчивость и поворотливость судна влияют и другие причины, а также целый ряд конструктивных особенностей судна: отношения главных размерений, формы обводов корпуса, параметров руля и винта. Управляемость зависит и от условий плавания: характера загрузки судна, гидрометеорологических факторов.
Циркуляция Если во время движения судна переложить руль в какую-либо сторону, то судно начнет поворачиваться и опишет на воде кривую линию. Эта кривая, описываемая центром тяжести судна при обороте, называется линией циркуляции (рис. 2), а расстояние между диаметральной плоскостью судна на прямом курсе и его диаметральной плоскостью после поворота на обратный курс (180) — тактическим диаметром циркуляции. Чем меньше тактический диаметр циркуляции, тем лучшей считается поворотливость судна. Эта кривая близка к окружности, а ее диаметр служит мерой поворотливости судна
|
|
Измеряется диаметр циркуляции обычно в метрах. Для маломерных моторных судов размер тактического диаметра циркуляции в большинстве случаев равен 2—3 длинам судна. Каждому водителю необходимо знать диаметр циркуляции судна, которым ему приходится управлять, так как от этого во многом зависит правильное и безопасное маневрирование. Скорость судна на циркуляции уменьшается до 30%. Никогда не следует забывать, что при движении по кривой на судно действует центробежная сила (рис. 3), направленная от центра кривизны во внешнюю сторону и приложенная к центру тяжести судна. |
|
Рис 2 Циркуляция /—линия циркуляции, 2 — тактический диаметр циркуляции, 3 — диаметр установившейся циркуляции |
Возникающему от центробежной силы дрейфу судна препятствует сила сопротивления воды — боковое сопротивление, точка приложения которой расположена ниже центра тяжести. В результате возникает пара сил, создающая крен на борт, противоположный направлению поворота. Крен увеличивается с повышением центра тяжести судна над центром бокового сопротивления и с уменьшением метацентрической высоты. |
Увеличение скорости при повороте и.уменьшение диаметра циркуляции значительно увеличивают крен, что может привести к опрокидыванию судна. Поэтому никогда не делайте резких поворотов при движении судна на большой скорости.
В отличие от обычных водоизмещающих судов суда с глиссирующими обводами на циркуляции получают крен во внутреннюю сторону (рис. 4). Происходит это от дополнительной подъемной силы, возникающей на корпусе при боковом смещении в связи с глиссирующими обводами. Одновременно с этим происходит скольжение под действием центробежной силы во внешнюю сторону, отчего у глиссирующих судов по сравнению с водоизмещающими судами циркуляция несколько больше.
Кроме диаметра циркуляции следует знать и ее время, т.е. время, за которое судно делает поворот на 360°.
Названные элементы циркуляции зависят от водоизмещения судна и характера размещения груза по его длине, а также от скорости хода. На малой скорости диаметр циркуляции меньше.
Ходкость. Ходкость - это способность судна двигаться с определенной скоростью при заданной мощности двигателя, преодолевая при этом силы сопротивления движению.
Движение судна возможно только при наличии определенной силы, которая способна преодолеть сопротивление воды - упор. При постоянной скорости величина упора равна величине сопротивления воды. Скорость хода судна и упор связаны следующей зависимостью:
R . V= ho- N. где: V - скорость судна; К - сопротивление воды; N - мощность двигателя; ho -КПД=0,5.
Это уравнение показывает, что с увеличением скорости возрастает и сопротивление воды. Однако эта зависимость имеет различный физический смысл и характер для водоизмещающих судов и глиссирующих.
Так например, при скорости водоизмещающего судна до величины равной V = 2 ÖL, км/ч (L - длина судна, м), сопротивление воды К складывается из сопротивления трения воды об обшивку корпуса и сопротивления формы, которое создается завихрениями воды. Когда скорость этого судна превышает указанную величину, начинают образовываться волны и к двум сопротивлениям добавляется третье - волновое. Волновое сопротивление резко возрастает с увеличением скорости.
Для глиссирующих судов характер сопротивления воды такой же как и для водоизмещающих да величины скорости V = 8 ÖL км/ч. Однако, при дальнейшем увеличении скорости судно получает значительный дифферент на корму и его нос поднимается. Этот режим движения носит название переходной (от водоизмещающего к глиссирующему). Характерным признаком начала глиссирования служит самопроизвольное увеличение скорости судна. Это явление вызвано тем, что после подъема носовой части общее сопротивление воды судну снижается, оно как бы "подвсплывает" и наращивает скорость при неизменной мощности.
При глиссировании возникает еще один вид сопротивления воды - брызговое, а волновое сопротивление и сопротивление формы резко снижаются и их величины практически сводятся к нулю.
Таким образом на ходкость судна влияют четыре вида сопротивления:
сопротивление трения - зависит от площади смоченной поверхности судна, от качества ее обработки и степени обрастания (водорослями, моллюсками и т.п.);
сопротивление формы - зависит от обтекаемости корпуса судна, которая в свою очередь тем лучше, чем острее кормовая оконечность и чем больше длина судна по сравнению с шириной;
волновое сопротивление - зависит от формы носовой оконечности и длины судна, чем длиннее судно, тем меньше волнообразование;
брызговое сопротивление - зависит от отношения ширины корпуса к его длине.
Вывод: 1. Наименьшее сопротивление воды испытывают водоизмещающие суда с узким корпусом, круглоскулыми обводами и заостренными носовыми и кормовыми оконечностями.
2. У глиссирующих судов, при отсутствии волнения, широкий плоскодонный корпус с транцевой кормой обеспечивает наименьшее сопротивление воды при наибольшей гидродинамической подъемной силе.
Более мореходные глиссирующие суда с килеватым или полукилеватым корпусом. Повышение скорости этих судов достигается продольными реданами и скуловыми брызгоотбойниками.
Инерция. Очень важным маневренным качеством судна является его инерция. Ее обычно принято оценивать длинами тормозного пути, выбега и пути разгона, а также их продолжительностью. Расстояние, которое проходит судно за промежуток времени от момента переключения двигателя с полного хода вперед на задний ход до момента окончательной остановки судна, называется тормозным путем. Это расстояние обычно выражается в метрах, реже — в длинах судна. Расстояние, проходимое судном за промежуток времени от момента остановки двигателя, работающего на передний ход, до полной остановки судна под действием силы сопротивления воды, называется выбегом. Расстояние, которое проходит судно с момента включения двигателя на передний ход до момента приобретения полной скорости при заданном режиме работы двигателя, называется путем разгона. Точное знание водителем указанных выше качеств своего судна в большой степени обеспечивает безопасность маневрирования в узкостях и на рейдах со стесненными условиями плавания. Помните! Моторные суда не имеют тормозов, поэтому для погашения инерции им зачастую требуется значительно больше расстояния и времени, чем, скажем, автомобилю
Остойчивостью называется способность судна, наклоненного действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться к состоянию равновесия после прекращения действия этих сил.
Наклонения судна могут происходить под действием таких внешних сил, как перемещение, прием или расходование грузов, давление ветра, действие волн, натяжение буксирного троса и пр.
Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, измеряемых углами дифферента, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, поэтому опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает. Но изучение ее необходимо для определения дифферента судна при воздействии внешних сил. Остойчивость, которую судно имеет при поперечных наклонениях, измеряемых углами крена 6, называют поперечной.
Поперечная остойчивость является важнейшей характеристикой судна, определяющей его мореходные качества и степень безопасности плавания. При изучении поперечной остойчивости различают начальную остойчивость (при малых наклонениях судна) и остойчивость на больших углах крена. Начальная остойчивость. При крене судна на малый угол под действием какой-либо из названных внешних сил происходит перемещение ЦВ за счет перемещения подводного объема (рис. 149). Величина образующегося при этом восстанавливающего момента зависит от величины плеча l = GK между силами
веса и поддержания наклоненного судна. Как видно из рисунка, восстанавливающий момент Мв = Dl = Dh sin θ, где h - возвышение точки М над ЦТ судна G , называемое поперечной метацентрической высотой судна . Точка М носит название поперечного метацентра судна.
Рис. 149. Действие сил при крене судна
Метацентрическая высота является важнейшей характеристики остойчивости. Она определяется выражением
h = z c + r - z g ,
где z c - возвышение ЦВ над ОЛ; r - поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; z g - возвышение ЦТ судна над ОЛ.
Значение z g определяют при расчете нагрузки масс. Приближенно можно
принять (для судна с полным грузом) z g = (0,654-0,68) Н , где Н - высота борта на миделе.
Значение z c и r определяют по теоретическому чертежу или (для прикидочных расчетов) по приближенным формулам, например:
где В - ширина судна, м; Т - осадка, м; α - коэффициент полноты ватерлинии; δ - коэффициент общей полноты; К - коэффициент, зависящий от формы ватерлинии и ее полноты и изменяющийся в пределах 0,086 - 0,089.
Из приведенных формул видно, что поперечная остойчивость судна повышается с увеличением В и α; с уменьшением Т и δ; с возвышением ЦВ z c ; с
понижением ЦТ z g . Таким образом, более остойчивы широкие суда, а также суда с низким расположением ЦТ. При понижении ЦТ, т. е. при расположении более тяжелых грузов - механизмов и оборудования - как можно ниже и при
облегчении высокорасположенных конструкций (надстроек, мачт, труб, которые с этой целью иногда изготовляют из легких сплавов) метацентрическая высота увеличивается. И наоборот, при приеме тяжелых грузов на палубу, обледенении надводной части корпуса, надстроек, мачт и т. п., во время плавания судна в зимних условиях остойчивость судна уменьшается.
Опыт кренования . На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют (используя метацентрическую формулу остойчивости) опытным путем - кренованием судна, которое производят на угол 1,5-2 переносом с борта на борт заранее взвешенного груза. Схема опыта кренования показана на рис. 150.
Рис. 150. Схема опыта кренования.
1 - рейка с делениями; 2 - грузик и крылатка; 3 - ванна с водой или маслом; 4 - нить веска; 5 - переносной крепящий груз
Кренящий момент М кр вызывается переносом груза Р на расстояние у : М кр = Ру . По метацентрической формуле остойчивости h = М KP /D θ (sin θ заменен величиной θ ввиду малости угла крена θ). Но θ = d/l , поэтому h = Pyl/Dd.
Значения всех величин, входящих в эту формулу, определяют в процессе опыта кренования. Водоизмещение находят расчетным путем по осадкам, замеренным по маркам углубления.
На небольших судах перенос груза (чугунных чушек, мешков с песком и т. п.) иногда заменяют перебежками людей общей массой около 0,2-0,5 % водоизмещения порожнего судна. Угол крена θ замеряют весками, опущенными в масляные ванны. В последнее время вески заменяют специальными приборами, позволяющими точно замерять угол крена во время опыта кренования (с учетом происходящего при переносе груза раскачивания судна), - так называемыми инклинографами.
По найденной с помощью опыта кренования начальной метацентрической высоте рассчитывают по приведенным выше формулам положение ЦТ построенного судна.
Ниже приведены примерные значения поперечной метацентрической высоты для разных типов судов с полным грузом:
Большие пассажирские суда …………………………… 0,3-1,5
Средние и малые пассажирские суда. . . ……………… 0,6-0,8
Большие сухогрузные суда …………………………….. 0,7-1,0
Средние ………………………………………………….. 0,5-0,8
Большие наливные суда ………………………………… 2,0-4,0
Средние …………………………………………………... 0,7-1,6
Речные пассажирские суда …………………………….... 3,0-5,0
Баржи ……………………………………………………… 2,0-10,0
Ледоколы ……… ………………………………………… 1,5-4,0
Буксиры …………………………………………………… 0,5-0,8
Рыбопромысловые суда …………………………………. 0,7-1,0
Остойчивость на больших углах крена . По мере увеличения угла крена судна восстанавливающий момент сначала растет (рис. 151, а-в), затем уменьшается, становится равным нулю и уже не препятствует, а, наоборот, способствует дальнейшему наклонению судна (рис. 151, г).
Рис. 151. Действие сил при накренении судна на большие углы
Так как водоизмещение D для данного состояния нагрузки остается постоянным, то восстанавливающий момент М в изменяется пропорционально изменению плеча l поперечной остойчивости. Это изменение плеча остойчивости в зависимости от угла крена 8 можно рассчитывать и изображать графически, в виде диаграммы статической остойчивости (рис. 152), которую строят для наиболее характерных и опасных относительно остойчивости случаев нагрузки судна.
Диаграмма статической остойчивости является важным документом, характеризующим остойчивость судна. С ее помощью можно, зная величину действующего на судно кренящего момента, например, от давления ветра, определяемого по шкале Бофорта (табл. 8), или от переноса на борт груза, от принятых несимметрично ДП водяного балласта или запасов топлива и т. п., - найти величину образующегося угла крена в том случае, если этот угол велик (более 10°). Малый угол крена вычисляют без построения диаграммы по приведенной выше метацентрической формуле.
Рис. 152. Диаграмма статической остойчивости
По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту судна, которая равна отрезку между горизонтальной осью и точкой пересечения касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат с вертикалью, проведенной при угле крена, равном одному радиану (57,3°). Естественно, чем круче в начале координат кривая, тем больше начальная метацентрическая высота.
Особенно полезна диаграмма статической остойчивости тогда, когда надо узнать угол крена судна от действия внезапно приложенной силы - при так называемом динамическом действии силы.
Если на судно действует какая-либо статически, т. е. плавно, без рывков, приложенная сила, то образуемый ею кренящий момент создает угол крена, который определяют по диаграмме статической остойчивости (построенной в форме кривой изменения восстанавливающих моментов D (от угла крена) в точке пересечения с кривой горизонтальной прямой, проведенной параллельно горизонтальной оси на расстоянии, равном значению кренящего момента (рис. 153, а). В этой точке (точка А ) кренящий момент от действия статической
Характеристика ветра и морского волнения
силы равен восстанавливающему моменту, возникающему при накренении судна и стремящемуся возвратить накрененное судно в исходное, прямое, положение. Угол крена, при котором кренящий и восстанавливающий моменты равны, и является искомым углом крена от статически приложенной силы.
Если же кренящая сила действует на судно динамически, т. е. внезапно (порыв ветра, рывок буксирного троса и т. п.), то вызываемый ею угол крена определяют по диаграмме статической остойчивости иным образом.
Рис. 153. Определение угла крена от действия статически (а ) и динамически (б ) приложенной силы
Горизонтальную линию кренящего момента, например от действия ветра при шквале, продолжают вправо от точки А (рис. 153, б) до тех пор, пока отсекаемая ею площадь ABC внутри диаграммы не станет равной площади AOD вне ее; при этом угол крена (точка Е) соответствующий положению прямой ВС , является искомым углом крена от действия динамически приложенной силы. Физически это соответствует углу крена, при котором работа кренящего момента (графически изображаемая площадью прямоугольника ODCE ) оказывается равной работе восстанавливающего момента (площадь фигуры ОБЕ ).
Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, чтобы сравняться с площадью фигуры, ограниченной кренящим моментом вне ее, то судно опрокинется. Поэтому одной из главных характеристик диаграммы, свидетельствующих об остойчивости судна, является ее площадь, ограничиваемая кривой и горизонтальной осью. На рис. 154 показаны кривые плеч статической остойчивости двух судов: с большой начальной остойчивостью, но с малой площадью диаграммы (1 ) и с меньшей начальной метацентрической высотой, но с большей площадью диаграммы (2). Последнее судно способно выдержать более сильный ветер, оно более остойчиво. Обычно площадь диаграммы больше у судна с высоким надводным бортом и меньше - с низким.
Рис. 154. Кривые статической остойчивости судна с высоким (1) и с низким (2) надводным бортом
Остойчивость морских судов должна отвечать Нормам остойчивости Регистра СССР, предусматривающим в качестве основного критерия (называемого «критерием погоды») условие: опрокидывающий момент М опр , т. е. минимальный динамически приложенный момент, который при одновременном воздействии бортовой качки и наихудшей загрузке вызывает опрокидывание судна, не должен быть меньше динамически приложенного к судну кренящего момента М кр от давления ветра, т. е. К = М опр /М кр ≥ l,00.
При этом значение опрокидывающего момента находят по диаграмме статической остойчивости по особой схеме, а сопоставляемое с ним значение (в кН∙м) кренящего момента (рис. 155) по формуле М кр = 0,001P в S п z n , где Р в -давление ветра, МПа или кгс/м 2 (определяется по шкале Бофорта в столбце «при шквале» или по таблице Регистра СССР); S n - площадь парусности (площадь боковой проекции надводной части судна), м 2 ; z n - возвышение центра парусности над ватерлинией, м.
При изучении диаграммы статической остойчивости представляет интерес угол, при котором кривая пересекает горизонтальную ось - так называемый угол заката. По Правилам Регистра у морских судов этот угол не должен быть меньше 60°. Эти же Правила требуют, чтобы максимальные значения восстанавливающих моментов на диаграмме достигались при угле крена не менее 30°, а максимальное плечо остойчивости было бы не менее 0,25 м у судов длиной до 80 м и не менее 0,20 м - у судов длиной более 105 м.
Рис. 155. К определению кренящего момента от действия силы ветра
при шквале (площадь парусности заштрихована)
Влияние жидких грузов на остойчивость . Имеющиеся в цистернах жидкие грузы при неполном заполнении цистерн в случае наклонения судна перемещаются в сторону наклонения. Из-за этого в ту же сторону перемещается ЦТ судна (из точки G 0 в точку G) , что приводит к уменьшению плеча восстанавливающего момента. На рис. 156 показано, как плечо остойчивости l 0 при учете смещения жидкого груза уменьшается до l. При этом, чем шире цистерна или отсек, имеющие свободную поверхность жидкости, тем значительнее, перемещение ЦТ и, следовательно, больше уменьшение поперечной остойчивости. Поэтому для уменьшения влияния жидких грузов стремятся уменьшить ширину цистерны, а во время эксплуатации - ограничить число цистерн, в которых образуются свободные уровни, т. е. расходовать запасы не сразу из нескольких цистерн, а поочередно.
Влияние сыпучих грузов на остойчивость. К сыпучим грузам относят зерно всех видов, уголь, цемент, руду, рудные концентраты и др.
Свободная поверхность жидких грузов всегда остается горизонтальной.
В отличие от них сыпучие грузы характеризуются углом естественного откоса, т. е. наибольшим углом между поверхностью груза и горизонтальной плоскостью, при котором груз еще находится в покое и при превышении которого начинается пересыпание. У большинства сыпучих грузов этот угол находится в пределах 25-35°.
Сыпучие грузы, погруженные на судно, характеризуются также пористостью, или скважистостью, т. е. соотношением объемов, занятых непосредственно частицами груза, и пустот между ними. Эта характеристика, зависящая как от свойств самого груза, так и от способа его погрузки в трюм, определяет степень его усадки (уплотнения) во время транспортировки.
Рис. 156. К определению влияния свободной поверхности жидкого груза
на остойчивость
При перевозке сыпучих грузов (особенно зерна) в результате образования пустот по мере их усадки от тряски и вибрации корпуса во время рейса, при резких или больших наклонениях судна под действием шквала (превышающих угол естественного откоса) они пересыпаются на один борт и уже не возвращаются полностью к исходному положению после выпрямления судна.
Количество пересыпавшегося таким образом груза (зерна) постепенно увеличивается и вызывает крен, который может привести к опрокидыванию судна. Во избежание этого принимают специальные меры - укладывают поверх насыпанного в трюм зерна мешки с зерном (мешкование груза) или устанавливают в трюмах дополнительные временные продольные переборки - шифтинг-бордсы (см. рис. 154). При невыполнении этих мероприятий происходят серьезные аварии и даже гибель судов. Статистика показывает, что более половины судов, погибших из-за опрокидывания, перевозили сыпучие грузы.
Особая опасность возникает при перевозке рудных концентратов, которые при изменении их влажности во время рейса, на пример при оттаивании или отпотевании, приобретают высокую подвижность и легко смещаются к борту. Это еще мало изученное свойство рудных концентратов стало причиной ряда тяжелых аварий судов.
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 М КР (например, давления ветра) получит крен на угол θ (угол между исходной WL 0 и действующей WL 1 ватерлиниями), то, вследствие изменения формы подводной части судна, центр величины С переместится в точку С 1 (рис. 5). Сила поддержания yV будет приложена в точке C 1 и направлена перпендикулярно к действующей ватерлинии WL 1 . 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 М КР . Момент этой пары сил называется восстанавливающим моментом М В. Величина его зависит от плеча l=GK между силами веса и поддержания наклоненного судна: M В = Pl =Ph sin θ , где h - возвышение точки М над ЦТ судна G, называемое поперечной метацентрической высотой судна.
Рис. 5. Действие сил при крене 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 М В = Рhθ.
Метацентрическую высоту можно определить из выражения h = r + z c - z g , где z c - возвышение ЦВ над ОЛ; r - поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; z g - 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 (рис. 6).
Рис. 6. Диаграмма статической остойчивости.
Так как водоизмещение для данного состояния нагрузки постоянно, то восстанавливающий момент изменяется только вследствие изменения плеча поперечной остойчивости l ст . По расчетам поперечной остойчивости на больших углах крена строят диаграмму статической остойчивости , представляющую собой график, выражающий зависимость l ст 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. М КР = М В (рис. 7).
Рис. 7. Определение угла крена от действия статически (а) и динамически (б) приложенной силы.
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=M опр мин / М дн max ≥ 1» где M опр мин - минимальный опрокидывающий момент (минимальный динамически приложенный кренящий момент с учетом качки), под действием которого судно еще не потеряет остойчивость; М дн max - динамически приложенный кренящий момент от давления ветра при наихудшем в отношении остойчивости варианте загрузки.
В соответствии с требованиями Регистра максимальное плечо диаграммы статической остойчивости l max 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.
Остойчивостью называется способность судна противодействовать силам, отклоняющим его от положения равновесия, и возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения действия этих сил.
Полученные в главе 4 «Плавучесть» условия равновесия судна не являются достаточными для того, чтобы оно постоянно плавало в заданном положении относительно поверхности воды. Необходимо еще, чтобы равновесие судна было устойчивым. Свойство, которое в механике именуется устойчивостью равновесия, в теории судна принято называть остойчивостью. Таким образом, плавучесть обеспечивает условия положения равновесия судна с заданной посадкой, а остойчивость – сохранение этого положения.
Остойчивость судна меняется с увеличением угла наклонения и при некотором его значении полностью утрачивается. Поэтому представляется целесообразным исследование остойчивости судна на малых (теоретически бесконечно малых) отклонениях от положения равновесия с Θ = 0, Ψ = 0, а затем уже определять характеристики его остойчивости, их допустимые пределы при больших наклонениях.
Принято различать остойчивость судна при малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения .
При рассмотрении малых наклонений имеется возможность принять ряд допущений, позволяющих изучить начальную остойчивость судна в рамках линейной теории и получить простые математические зависимости ее характеристик. Остойчивость судна на больших углах наклонения изучается по уточненной нелинейной теории. Естественно, что свойство остойчивости судна единое и принятое разделение носит чисто методический характер.
При изучении остойчивости судна рассматривают его наклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях – поперечной и продольной. При наклонениях судна в поперечной плоскости, определяемых углами крена, изучают его поперечную остойчивость ; при наклонениях в продольной плоскости, определяемых углами дифферента, изучают его продольную остойчивость .
Если наклонение судна происходит без значительных угловых ускорений (перекачивание жидких грузов, медленное поступление воды в отсек), то остойчивость называют статической .
В ряде случаев наклоняющие судно силы действуют внезапно, вызывая значительные угловые ускорения (шквал ветра, накат волны и т.п.). В таких случаях рассматривают динамическую остойчивость.
Остойчивость - очень важное мореходное свойство судна; вместе с плавучестью оно обеспечивает плавание судна в заданном положении относительно поверхности воды, необходимом для обеспечения хода и маневра. Уменьшение остойчивости судна может вызвать аварийный крен и дифферент, а полная потеря остойчивости - его опрокидывание.
Чтобы не допустить опасного уменьшения остойчивости судна все члены экипажа обязаны:
всегда иметь четкое представление об остойчивости судна;
знать причины, уменьшающие остойчивость;
знать и уметь применять все средства и меры по поддержанию и восстановлению остойчивости.
