Центр величины и центр тяжести судна. Что такое остойчивость

Остойчивостью судна называют такое его свойство, благодаря которому судно при воздействии на него внешних факторов (ветер, волны и др.) и внутренних процессов (смещение грузов, перемещение жидких запасов, наличие свободных поверхностей жидкости в отсеках и т.д.) не переворачивается. Наиболее ёмким определением остойчивости судна может быть следующее: способность судна не переворачиваться при воздействии на него природных морских факторов (ветра, волнения, обледенения) в назначенном ему районе плавания, а также в сочетании с «внутренними» причинами, вызванными действиями экипажа

Эта особенность основана на природном свойстве плавающего на поверхности воды объекта - стремится вернуться в первоначальное положение после прекращения этого воздействия. Таким образом, остойчивость, с одной стороны, естественна, а, с другой, требует регламентированного контроля со стороны человека, принимающего участие в его проектировании и эксплуатации.

Остойчивость зависит от формы корпуса и положения ЦТ судна, поэтому путем правильного выбора формы корпуса припроектировании и правильного размещения грузов на судне при эксплуатации можно обеспечить достаточную остойчивость, гарантирующую предотвращение опрокидывания судна при любых условиях плавания.

Наклонения судна возможны по разным причинам: от действия набегающих волн, из-за несимметричного затопления отсеков при пробоине, от перемещения грузов, давления ветра, из-за приема или расходования грузов и пр. Различают два вида остойчивости: поперечную и продольную. С точки зрения безопасности плавания (в особенности в штормовую погоду) наиболее опасными являются поперечные наклонения. Поперечная остойчивость проявляется при крене судна, т.е. при наклонениях его на борт. Если силы, вызывающие наклонение судна, действуют медленно, то остойчивость называют статической, а если быстро, то динамической. Наклонение судна в поперечной плоскости называют креном, а в продольной плоскости -- дифферентом; углы, образующиеся при этом, обозначают соответственно O и y. Остойчивость на малых углах наклонения (10 -- 12°) называется начальной остойчивостью.

(рис.2)

Представим себе, что под действием внешних сил судно получило крен на угол 9 (рис 2). Вследствие этого объем подводной части судна сохранил свою величину, но изменил форму; по правому борту в воду вошел дополнительный объем, а по левому борту равновеликий ему объем вышел из воды. Центр величины переместился из первоначального положения С в сторону крена судна, в центр тяжести нового объема -- точку С1. При наклонном положении судна сила тяжести Р, приложенная в точке G, и сила поддержания D, приложенная в точке С, оставаясь перпендикулярными к новой ватерлинии В1Л1 образуют пару сил с плечом GK, являющимся перпендикуляром, опущенным из точки G на направление сил поддержания.

Если продолжить направление силы поддержания из точки С1 до пересечения с ее первоначальным направлением из точки С, то на малых углах крена, соответствующих условиямначальной остойчивости, эти два направления пересекутся в точке М, называемой поперечным метацентром.

Взаимное положение точек М и G позволяет установить следующий признак, характеризующий поперечную остойчивость: (Рис.3)

• А) Если, метацентр расположен выше центра тяжести, то восстанавливающий момент положителен и стремится вернуть судно в исходное положение, т. е. при накренении судно будет остойчиво.
• Б) Если точка М находится ниже точки G, то при отрицательном значении h0 момент отрицателен и будет стремиться увеличивать крен, т. е. в этом случае судно неостойчивое.
• В) Когда точки М и G совпадают, силы Р и D действуют по одной вертикальной прямой, пары сил не возникает, и восстанавливающий момент равен нулю: тогда судно надо считать неостойчивым, так как оно не стремится вернуться в первоначальное положение равновесия (рис. 3).

Рис.3

Внешними признаками отрицательной начальной остойчивости корабля являются:

• -- плавание корабля с креном при отсутствии кренящих моментов;
• -- стремление корабля перевалиться на противоположный борт при спрямлении;
• -- переваливание с борта на борт при циркуляции, при этом крен остается и при выходе корабля на прямой курс;
• -- большое количество воды в трюмах, на платформах и палубах.

Остойчивость, которая проявляется при продольных наклонениях судна, т.е. при дифференте, называется продольной.

При продольном наклонении судна па угол ш вокруг поперечной оси Ц.В. переместится из точки С в точку C1 и сила поддержания, направление которой нормально к действующей ватерлинии, будет действовать под углом ш к первоначальному направлению. Линии действия первоначального и нового направления сил поддержания пересекаются в точке. Точка пересечения, линии действия сил поддержания при бесконечно малом наклонении в продольной плоскости называется продольным метацентром М. мореходный остойчивость ходкость корабль

Продольный момент инерции площади ватерлинии IF значительно большепоперечного момента инерции IX . Поэтому продольный метацентрический радиус R всегда значительно больше поперечного r. Ориентировочно считают, что продольный метацентрический радиус R приблизительно равен длине судна. Поскольку величина продольного метацентрического радиуса R во много раз больше поперечного r, продольная метацентрическая высота H любого судна во много раз больше поперечной h. поэтому, если у судна обеспечена поперечная остойчивость, то продольная остойчивость обеспечена заведомо.

Факторы, влияющие на остойчивость судна, которые имеют сильное влияние на остойчивость судна.

К таким факторам, которые необходимо учитывать при эксплуатации маломерного судна, следует отнести:

• 1. На остойчивость судна наиболее ощутимо влияет его ширина: чем больше она по отношению к его длине, высоте борта и осадке, тем выше остойчивость. У более широкого судна больше восстанавливающий момент.
• 2. 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.
• 3. Остойчивость ухудшается при наличии на судне топливных баков с зеркалом поверхности от борта до борта, поэтому эти баки должны иметь перегородки, установленные параллельно диаметральной плоскости судна, или быть сужены в своей верхней части.
• 4. 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 со штатных мест.
• 5. При сильном ветре и волнении действие кренящего момента (особенно динамического) 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.

Избыточная остойчивость вызывает стремительную качку и повышает опасность возникновения резонанса. Поэтому регистром установлены ограничения не только нижнего, но и верхнего предела остойчивости.

Для увеличения остойчивости судна (увеличения восстанавливающего момента на единицу угла крена) необходимо увеличить метацент- рическую высоту h путем соответствующего размещения на судне грузов и запасов (более тяжелые грузы внизу, а легкие наверху). С этой же целью (особенно при плавании в балласте -- без груза) прибегают к заполнению водой балластных танков.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Начальная остойчивость судна

1. Общее понятие об остойчивости

Остойчивостью называется способность судна противодействовать силам, отклоняющим его от положения равновесия, и возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения действия этих сил.

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 И = 0, Ш = 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.

2. Равнообъемные наклонения судна. Теорема Эйлера

Остойчивость судна изучается при так называемых равнообъемных наклонениях, при которых величина подводного объема остается неизменной, а меняется лишь форма подводной части судна.

Введем основные определения, связанные с наклонениями судна:

Ось наклонения - линия пересечения плоскостей двух ватерлиний;

Плоскость наклонения - перпендикулярная оси наклонения плоскость, проходящая через ЦВ, соответствующий исходному положению равновесия судна.;

Угол наклонения - угол поворота судна около оси наклонения (угол между плоскостями ватерлиний), измеряемый в плоскости наклонения;

Равнообъемные ватерлинии - ватерлинии, отсекающие при наклонениях судна равные по величине клиновидные объемы, один из которых при наклонении судна входит в воду, а другой выходит из воды.

Рис. 1. К рассмотрению теоремы Эйлера

При известной исходной ватерлинии для построения равнообъемной ей ватерлинии используется теорема Эйлера. Согласно этой теореме при бесконечно малом наклонении судна плоскости равнообъемных ватерлиний пересекаются по прямой, проходящей через их общий геометрический центр (центр тяжести), или ось бесконечно малого равнообъемного наклонения проходит через геометрический центр площади исходной ватерлинии.

Теорема Эйлера может быть применена и для конечных малых наклонений с той малой погрешностью, чем меньше угол наклонения.

Предполагается, что достаточная для практики точность обеспечивается при наклонениях И 1012 0 и Ш 23 0 . В пределах этих углов и рассматривается начальная остойчивость судна.

Как известно, при плавании судна без крена и с дифферентом близким к нулю, ордината геометрического центра площади ватерлинии y f = 0, а абсциса x f 0. Потому в данном случае можно считать, что ось поперечного малого равнообъемного наклонения лежит в ДП, а ось продольного малого равнообъемного наклонения перпендикулярна ДП и смещена от пл. мидель - шпангоута на расстояние x f (рис. 1).

Величина x f является функцией осадки судна d. Зависимость x f (d) представлена на кривых элементов теоретического чертежа.

При наклонении судна в произвольной плоскости ось равнообъемных наклонений также будет проходить через геометрический центр (центр тяжести) площади ватерлинии.

3. Метацентры и метацентрические радиусы

Предположим, что судно из исходного положения без крена и дифферента совершает поперечные или продольные равнообъемные наклонения. При этом плоскостью продольных наклонений будет вертикальная плоскость, которая совпадает с ДП, а плоскость поперечных наклонений - вертикальная плоскость, которая совпадает с плоскостью шпангоута, проходящего через ЦВ.

Поперечные наклонения

В прямом положении судна ЦВ находится в ДП (точка С) и линия действия силы плавучести гV также лежит в ДП (рис. 2). При поперечном наклонении судна на угол И изменяется форма погруженного объема, ЦВ перемещается в сторону наклонения из точки С в точку С И и линия действия силы плавучести будет наклонена к ДП под углом И.

Точка пересечения линий действия силы плавучести при бесконечно малом поперечном равнообъемном наклонении судна называется поперечным метацентром (точка m на рис. 2). Радиус кривизны траектории ЦВ r (возвышение поперечного метацентра над ЦВ) называется поперечным метацентрическим радиусом.

В общем случае траектория ЦВ является сложной пространственной кривой и каждому углу наклонения соответствует свое положение метацентра (рис. 3). Однако для малых равнообъемных наклонений с известным приближением можно принять, что траектория

ЦВ лежит в плоскости наклонения и является дугой окружности с центром в точке m. Таким образом, можно считать, что в процессе малого поперечного равнообъемного наклонения судна из прямого положения поперечный метацентр лежит в ДП и своего положения не меняет (r = const).

Рис. 2. Перемещение ЦВ при малых наклонениях

Рис. 3. Перемещение ЦВ при больших наклонениях

Рис. 4. К выводу выражения для поперечного метацентрического радиуса

Выражение для поперечного метацентрического радиуса r получим из условия, что ось малого поперечного равнообъемного наклонения судна лежит в ДП и что при таком наклонении клиновидный объем v как бы переносится с борта, вышедшего из воды, на борт, вошедший в воду (рис. 4).

Согласно известной теореме механики при перемещении тела, принадлежащей системе тел, центр тяжести всей системы перемешается в том же направлении параллельно перемещению тела, причем эти перемещения обратно пропорциональны силам тяжести тела и системы соответственно. Эту теорему можно распространить и на объемы однородных тел. Обозначим:

С С И - перемещение ЦВ (геометрического центра объема V),

b - перемещение геометрического центра клиновидного объема v. Тогда в соответствии с теоремой

откуда: С С И =

Для элемента длины судна dx, полагая, что клиновидный объем имеет в плоскости шпангоута форму треугольника, получим:

или при малом угле

Если by, тогда:

dv b = y 3 И dx.

Интегрируя, получим:

v b = И y 3 dx, или:

где J x = ydx - момент инерции площади ватерлинии относительно продольной центральной оси.

Тогда выражение для перемещения ЦВ будет иметь вид:

Как видно из рис. 5, при малом угле И

С С И r И

Сопоставляя выражения, найдем, что поперечный метацентрический радиус:

r =

Аппликата поперечного метацентра:

z m = z c + r = z c +

Продольные наклонения

Рис. 6. К выводу выражения для продольного метацентрического радиуса

По аналогии с поперечными наклонениями точка пересечения линий действия силы плавучести при бесконечно малом продольном равнообъемном наклонении судна называется продольным метацентром (точка М на рис. 6). Возвышение продольного метацентра над ЦВ называется продольным метацентрическим радиусом. Величина продольного радиуса определяется выражением:

R = ,

где J yf - момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной центральной оси.

Аппликата продольного метацентра:

z м = z c + R = z c +

Так как площадь ватерлинии вытянута в продольном направлении, то J yf намного превышает J x и соответственно R значительно больше r. Величина R составляет 1 2 длины судна.

Метацентрические радиусы и аппликаты метацентров являются, как это будет ясно из последующего рассмотрения, важными характеристиками остойчивости судна. Значения их определяются при расчете элементов погруженного объема и для судна, плавающего без крена и дифферента, представляются кривыми J x (d), J yf (d), r(d), R(d) на чертеже кривых элементов теоретического чертежа.

4. Условие начальной остойчивости судна

Метацентрические высоты

Найдем условие, при соблюдении которого судно, плавающее в состоянии равновесия без крена и дифферента, будет обладать начальной остойчивостью. Полагаем, что грузы при наклонении судна не смещаются и ЦТ судна остается в точке, соответствующей исходному положению.

При наклонениях судна сила тяжести Р и силы плавучести гV образуют пару, момент которой определенным образом воздействует на судно. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения ЦТ и метацентра.

Рис. 6. Первый случай остойчивости судна

Возможны три характерных случая состояния судна для которых воздействие на него момента сил Р и гV качественно различно. Рассмотрим их на примере поперечных наклонений.

1-й случай (рис. 6) - метацентр располагается выше ЦТ, т.е. z m > z g . В данном случае возможно различное расположение центра величины относительно центра тяжести.

I. В начальном положении центр величины (точка С 0), располагается ниже центра тяжести (точка G) (рис. 6, а), но при наклонении центр величины смещается в сторону наклонения настолько сильно, что метацентр (точка m) располагается выше центра тяжести судна. Момент сил Р и гV стремится вернуть судно в исходное положение равновесия, и поэтому оно остойчиво. Подобное расположение точек m, G и С 0 встречается на большинстве судов.

II. В начальном положении центр величины (точка С 0), располагается выше центра тяжести (точка G) (рис. 6, б). При наклонении судна возникающий момент сил Р и гV выпрямляет судно, и поэтому оно остойчиво. В данном случае, независимо от размеров смещения центра величины при наклонении, пара сил всегда стремится выпрямить судно. Это объясняется тем, что точка G лежит ниже точки С 0 . Такое низкое положение центра тяжести обеспечивающая безусловную остойчивость на судах трудно осуществить конструктивно. Такое расположение центра тяжести можно встретить в частности, на парусных яхтах.

Рис. 7. Второй и третий случай остойчивости судна

2-й случай (рис. 7, а) - метацентр располагается ниже ЦТ, т.е. z m < z g . В этом случае при наклонении судна момент сил Р и гV стремится еще больше отклонить судно от исходного положения равновесия, которое, следовательно, является неустойчивым. В этом случае наклонения судно имеет отрицательный восстанавливающий момент, т.е. оно не остойчиво.

3-й случай (рис. 7, б) - метацентр совпадает с ЦТ, т.е. z m = z g . В этом случае при наклонении судна силы Р и гV продолжают действовать по одной вертикали, момент их равен нулю - судно и в новом положении будет находиться в состоянии равновесия. В механике - этот случай безразличного равновесия.

С точки зрения теории судна в соответствии с определением остойчивости судна судно в 1-м случае остойчиво, а во 2 и 3-м - не остойчиво.

Итак, условием начальной остойчивости судна является расположение метацентра выше ЦТ. Судно обладает поперечной остойчивостью, если

и продольной остойчивостью, если

Отсюда становится ясным физический смысл метацентра. Эта точка является пределом, до которого можно поднимать центр тяжести не лишая судно положительной начальной остойчивости.

Расстояние между метацентром и ЦТ судна при Ш = И = 0 называют начальной метацентрической высотой или просто метацентрической высотой. Поперечной и продольной плоскости наклонения судна отвечают соответственно поперечная h и продольная H метацентрические высоты. Очевидно, что

h = z m - z g и H = z м - z g , или

h = z c + r - z g и H = z c + R - z g ,

h = r - б и H = R - б,

где б = z g - z c - возвышение ЦТ над ЦВ.

Как видно h и H различаются только метацентрическими радиусами, т.к. б является одной и той же величиной.

Поэтому H значительно больше h.

б = (1%) R, поэтому на практике считают, что H = R.

5. Метацентрические формулы остойчивости и их практическое применение

Как было рассмотрено, при наклонении судна, действует пара сил, момент которой характеризует степень остойчивости.

При малых равнообъемных наклонениях судна в поперечной плоскости (рис. 8) (ЦВ перемещается в плоскости наклонения), поперечный восстанавливающий момент может быть представлен выражением

m И = P = гV ,

где плечо момента = l И называют плечом поперечной остойчивости.

Из прямоугольного треугольника mGK находим, что

l И = h sinИ, тогда:

m И = P h sinИ = гV h sinИ

Или учитывая малые значения И и принимая sinИИ 0 /57,3, получим метацентрическую формулу поперечной остойчивости:

m И = гV h И 0 /57,3

Рассматривая по аналогии наклонения судна в продольной плоскости (рис. 8), нетрудно получить метацентрическую формулу продольной остойчивости:

М Ш = P l Ш = гV Н sin Ш = гV Н Ш 0 /57,3,

где М Ш - продольный восстанавливающий момент, а l Ш - плечо продольной остойчивости.

Рис. 8. Поперечное наклонение судна

На практике используют коэффициент остойчивости, являющийся произведением водоизмещения на метацентрическую высоту.

Коэффициент поперечной остойчивости

К И = гV h = Р h

Коэффициент продольной остойчивости

К Ш = гV Н = Р Н

С учетом коэффициентов остойчивости метацентрические формулы примут вид

m И = К И И 0 /57,3,

М Ш = К Ш Ш 0 /57,3

Метацентрические формулы остойчивости, дающие простую зависимость восстанавливающего момента от силы тяжести и угла наклонения судна, позволяют решать ряд практических задач возникающих в судовых условиях.

Рис. 9. Продольное наклонение судна

В частности, по этим формулам можно определить угол крена или угол дифферента, который получит судно от воздействия заданного кренящего или дифферентующего момента, при известной массе и метацентрической высоте. Наклонение судна под воздействием m кр (М диф) приводит к появлению обратного по знаку восстанавливающего момента m И (М Ш) возрастающего по величине с нарастанием угла крена (дифферента). Нарастание угла крена (дифферента) будет происходить до тех пор, пока восстанавливающий момент не станет равным по величине кренящему моменту (дифферентующему моменту), т.е. до выполнения условия:

m И = m кр и М Ш = М диф.

После этого судно будет плавать с углами крена (дифферента):

И 0 = 57,3 m кр /гV h,

Ш 0 = 57,3 М диф /гV Н

Полагая в данных формулах И = 1 0 и Ш = 1 0 , найдем величины момента кренящего судно на один градус, и момента, дифферентующего судно на один градус:

m 1 0 = гV h = 0,0175 гV h,

М 1 0 = гV Н= 0,0175 гV Н

В ряде случаев используется также величина момента дифферентующего судно на один сантиметр m Д. При малом значении угла Ш, когда tg Ш Ш, Ш = (d н - d к)/L = D f / L.

С учетом этого выражения метацентрическая формула для продольного восстанавливающего момента запишется в виде:

М Ш = М диф = гV Н D f / L.

Полагая в формуле D f = 1 см = 0,01 м, получим:

m Д = 0,01 гV Н/ L.

При известных значениях m 1 0 ,М 1 0 и m Д, угол крена, угол дифферента и дифферент от воздействия на судно заданного кренящего или дифферентующего момента могут быть определены по простым зависимостям:

И 0 = m кр. / m 1 0 ; Ш 0 = М диф / М 1 0 ; D f = М диф / 100 m Д

В приведенных выше рассуждениях предполагалось, что судно в исходном положении (до воздействия m кр или М диф) плавало прямо и на ровный киль. Если же в исходном положении судна крен и дифферент отличались от нуля, то найденные значения И 0 , Ш 0 и D f следует рассматривать как добавочные (дИ 0 , дШ 0 , дD f).

С помощью метацентрических формул остойчивости можно определить также, какой необходимый кренящий или дифферентующий момент надо приложить судну, чтобы создать заданный угол крена или угол дифферента (с целью заделки пробоины в бортовой обшивке, окраски или осмотра гребных винтов). Для судна, плавающего в исходном положении без крена и дифферента:

m кр = гV h И 0 /57,3 = m 1 0 И 0 ;

М диф = гV Н Ш 0 /57,3 = М 1 0 Ш 0

или М диф = 100 D f m Д

Практически метацентрическими формулами остойчивости допустимо пользоваться при малых углах наклонения (И < 10 0 12 0 и Ш < 5 0) но при условии, что при этих углах не входит в воду верхняя палуба или не выходит из воды скула судна. Они справедливы также при условии, что восстанавливающие моменты m И и М Ш противоположны по знаку моментам m кр и М диф, т.е., что судно обладает положительной начальной остойчивостью.

6 . Остойчивость формы и остойчивость нагрузки

Рассмотрение этого вопроса позволяет установить природу остойчивости, выяснить физические причины возникновения восстанавливающего момента при наклонениях судна. В соответствии с метацентрическими формулами остойчивости (углы И и Ш выражены в радианах):

m И = гV h И = гV (r - б) И = гV r И - гV б И;

М Ш = гV Н Ш = гV (R - б) Ш = гV R Ш - гV б Ш

Таким образом, восстанавливающие моменты m И, М Ш и плечи статической остойчивости l И, l Ш представляют собой алгебраическую сумму их составляющих:

m И = m ф + m н; М Ш = М ф + М н;

l И = l ф И + l н И; l Ш = l ф Ш + l н Ш,

где моменты

m ф = гV r И;

М ф = гV R Ш,

принято называть моментами остойчивости формы, моменты

m н = - гV б И;

М н = - гV б Ш,

моментами остойчивости нагрузки, а плечи

l ф И = m ф / гV;

l ф Ш = М ф / гV,

поперечными и продольными плечами остойчивости формы, плечи

l н И = - m н / гV;

l н Ш = - М н / гV,

поперечными и продольными плечами остойчивости нагрузки.

б = z g - z c ,

где J x и J yf - момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной и продольной центральной оси соответственно, то моменты формы и нагрузки можно представить в виде:

m ф = г J x И,

М ф = г J yf Ш;

m н = - гV (z g - z c) И,

М н = - гV(z g - z c) Ш

По своей физической природе момент остойчивости формы всегда действует в сторону, противоположную наклонению судна, и, следовательно, всегда обеспечивает остойчивость. Он вычисляется через момент инерции площади ватерлинии относительно оси наклонения. Именно остойчивость формы предопределяет значительно большую продольную остойчивость по сравнению с поперечной т.к. J yf » J x .

Момент остойчивости нагрузки из-за положения ЦТ выше ЦВ б = (z g - z c) > 0, всегда уменьшает остойчивость судна и по существу она обеспечивается только остойчивостью формы.

Можно предположить, что в случае отсутствия ватерлинии, например, у подводной лодки в подводном положении, момент формы отсутствует (J x = 0). В подводном положении подводная лодка за счет балластировки специальных цистерн, имеет положение ЦТ ниже ЦВ, в результате ее остойчивость обеспечивается остойчивостью нагрузки.

7 . Определение мер начальной остойчивости судна

Посадка судна прямо и на ровный киль

В случаях, когда судно плавает с незначительными углами крена и дифферент, меры начальной остойчивости могут быть определены с помощью метацентрических диаграмм.

При заданной массе судна, определение мер начальной остойчивости сводится к определению аппликат метацентров (или метацентрических радиусов и аппликаты ЦВ) и аппликаты ЦТ.

Рис. 10. Метацентрическая диаграмма

Аппликата ЦВ z c и метацентрические радиусы r, R являются характеристиками погруженного объема судна и зависят от осадки. Эти зависимости представлены на метацентрической диаграмме входящей в состав кривых элементов теоретического чертежа. По метацентрической диаграмме (рис. 10) можно не только определить z c и r, но при известной аппликате ЦТ, найти поперечную метацентрическую высоту судна.

На рис. 10 представлена последовательность расчета поперечной метацентрической высоты судна при приеме груза. Зная массу принятого груза m и аппликату его центра тяжести z, можно определить новую аппликату ЦТ судна z g 1 по формуле:

z g 1 = z g + (z- z g),

где z g - аппликата ЦТ судна до приема груза.

Посадка судна с дифферентом

При плавании судна с дифферентом в воду входят более полные участки корпуса, что приводит к увеличению площади ватерлинии (остойчивости формы) и соответственно поперечной метацентрической высоты. У промысловых судов кормовые обводы полнее носовых, поэтому следует ожидать при дифференте на корму увеличение, а при дифференте на нос уменьшение поперечной остойчивости судна.

Рис. 11. Диаграмма Фирсова - Гундобина

Для вычисления поперечной метацентрической высоты судна с учетом дифферента используют диаграммы Фирсова - Гундобина, начальной остойчивости КТИРПиХ и интерполяционные кривые.

Диаграмма Фирсова - Гундобина (рис. 11), отличается от диаграммы Фирсова тем, что содержит кривые z m и z c , значения которых определяются по известным осадкам судна носом и кормой.

Диаграмма начальной остойчивости КТИРПиХ (рис. 12) позволяет определить аппликату метацентра судна z m по известной массе Д и абсциссе его центра тяжести x g .

По диаграмме интерполяционных кривых (рис. 13) можно при известных осадках судна носом и кормой найти поперечный метацентрический радиус r и аппликату центра величины судна z c .

Диаграммы, показанные на рис. 11-13, позволяют найти z m при любой посадке судна, в том числе и на ровный киль. Следовательно, они дают возможность проанализировать влияние дифферента на начальную поперечную остойчивость судна.

Рис. 12. Диаграмма начальной остойчивости траулера типа “Карелия“

остойчивость судно метацентр груз

Рис. 13. Диаграмма для определения z c и r

8 . Влияние перемещения грузов на посадку и остойчивость судна

Для определения посадки и остойчивости судна при произвольном перемещении грузов, необходимо рассмотреть раздельно вертикальное, поперечное горизонтальное и продольное горизонтальное перемещение.

Необходимо помнить, что вначале следует выполнить расчеты, связанные с изменением остойчивости (вертикальное перемещение, подъем груза)

Вертикальное перемещение груза

Из точки 1 с точку 2 не создает момента, способного наклонить судно, и следовательно, его посадка не меняется (если только остойчивость судна при этом остается положительной). Такое перемещение приводит только к изменению по высоте положения центра тяжести судна. Можно сделать вывод, что данное перемещение приводит к изменению остойчивости нагрузки при неизменной остойчивости формы. Перемещение центра тяжести определяется по известной теореме теоретической механики:

дz g = (z 2 - z 1),

где m - масса перемещаемого груза,

Д - масса судна,

z 1 и z 2 - аппликаты ЦТ груза до и после перемещения.

Приращение метацентрических высот составит:

дh = дН = - дz g = - (z 2 - z 1)

Судно после перемещения груза будет иметь поперечную метацентрическую высоту:

Вертикальное перемещение груза не приводит к значительному изменению продольной метацентрической высоты, ввиду малости дН по сравнению с величиной Н.

Рис. 14. Вертикальное перемещение груза

Рис. 15. Поперечное горизонтальное перемещение груза

Подвешенные грузы

Появляются на судне в результате подъема груза из трюма на палубу, приемом улова, выборкой сетей с помощью грузовых стрел и т.п. Влияние на остойчивость судна подвешенный груз (рис. 16) оказывает аналогично вертикально перемещенного, только изменение остойчивости происходит мгновенно в момент отрыва его от опоры. При подъеме груза, когда натяжение в шкентеле станет равным весу груза, происходит перемещение центра тяжести груза из точки 1 в точку подвеса (точку 2) и дальнейший подъем не будет оказывать влияние на остойчивость судна. Оценить изменение метацентрической высоты можно по формуле

где l = (z 2 - z 1) - первоначальная длина подвеса груза.

На небольших судах, в условиях пониженной остойчивости, подъем груза судовыми стрелами может представлять значительную опасность.

Поперечное горизонтальное перемещение груза

Поперечное горизонтальное перемещение грузамассой m (рис. 17) приводит к изменению крена судна в результате возникающего момента m кр с плечом (y 2 - y 1)cosИ.

m кр = m (y 2 - y 1) cosИ = m l y cosИ,

где y 1 и y 2 - ординаты положения ЦТ груза до и после перемещения.

Учитывая равенство кренящего m кр и восстанавливающего моментов m И, используя метацентрическую формулу остойчивости, получим:

Дh sinИ = m l y cosИ, откуда

tgИ = m l y /Дh.

Учитывая, что углы крена небольшие, можно считать, что tgИ = И = И 0 /57,3, и формула примет вид

И 0 = 57,3 m l y /Дh.

Если до перемещения груза судно имело крен, то в данной формуле угол следует рассматривать как приращение дИ 0

Рис. 17.

Продольное горизонтальное перемещение груза

Продольное горизонтальное перемещение груза(рис. 18) приводит к изменению дифферента судна и поперечной метацентрической высоты. По аналогии с предыдущим случаем при М Ш = М диф, получим:

tg Ш = m l х /ДН, или

Ш 0 = 57,3 m l х /ДН.

На практике продольные наклонения чаще оценивают величиной дифферента

D f = Ш 0 L /57,3, тогда

D f = m l х L /ДН,

где L - длина судна.

Используя момент дифференцирующий судно на 1 см (входящий в состав грузовой шкалы и КЭТЧ)

m Д = 0,01 гV Н/ L (кН м/см) ;

m Д = 0,01 ДН/ L = 0,01 ДR / L (т м/см),

так как Н R получим

D f = m l х / m Д (см).

Изменение осадок при продольном перемещении груза:

дd н = (0,5L - x f) Df/ L,

дd к = - (0,5L + x f) Df/ L.

Тогда новые осадки судна будут:

d н = d + дd н = d + (0,5L - x f) Df/ L,

d к = d + дd к = d - (0,5L + x f) Df/ L;

где x f - абсцисса оси продольных наклонений.

Влияние дифферента на метацентрическую высоту судна подробно рассмотрено в 7.2.

9 . Влияние приема малого груза на посадку и остойчивость судна

Изменение посадки судна при приеме груза рассматривалось в 4.4. Определим изменение поперечной метацентрической высоты дh при приеме малого груза массой m (рис. 19), центр тяжести которого располагается на одной вертикали с ЦТ площади ватерлинии в точке с аппликатой z.

В результате увеличения осадки объемное водоизмещение судна увеличится на дV = m /с и возникнет дополнительная сила плавучести г дV, приложенная в ЦТ слоя между ватерлиниями WL и W 1 L 1 .

Рис. 19. Прием на судно малого груза

Считая судно прямобортным, аппликата ЦТ дополнительного объема плавучести будет равна d + дd /2, где приращение осадки определим по известным формулам дd = m/ сS или дd = m / q см.

При наклонении судна на угол И, сила веса груза р и равная ей сила плавучести г дV составляют пару сил с плечом (d + дd /2 -z)sinИ. Момент этой пары дm И = р (d + дd /2 - z) sin И увеличивает первоначальный восстанавливающий момент судна m И = гV h sin И, поэтому восстанавливающий момент после приема груза становится равным

m И 1 = m И + дm И, или

(гV + г дV)(h + дh) sin И = гV h sin И + г дV(d + дd /2 - z) sin И,

перейдя к массовым значениям, получим

(Д + m)(h + дh) sin И = Д h sin И + m (d + дd /2 - z) sin И.

Из уравнения найдем приращение метацентрической высоты дh:

Для общего случая приема или снятия малого груза формула примет вид:

где + (-)подставляется при приеме (снятии)груза.

Из формулы видно, что

дh < 0 при z > (d дd /2 - h) и

дh > 0 при z < (d дd /2 - h), а

дh = 0 при z = (d дd /2 - h).

Уравнение z = (d дd /2 - h) является уравнением нейтральной (предельной) плоскости.

Нейтральная плоскость, является плоскостью, прием на которую груза не изменяет остойчивость судна. Прием груза выше нейтральной плоскости уменьшает остойчивость судна, ниже нейтральной плоскости увеличивает ее.

10 . Влияние жидкого груза на остойчивость судна

На судне имеется значительное количество жидких грузов в виде запасов топлива, воды и масла. Если жидкий груз заполняет цистерну целиком, его влияние на остойчивость судна аналогично эквивалентному твердому грузу массой

m ж = с ж v ж.

На судне, практически всегда имеются цистерны, не заполненные целиком, т.е. жидкость имеет в них свободную поверхность. Свободные поверхности на судне также, могут появляться в результате тушения пожаров и повреждения корпуса. Свободные поверхности оказывают сильное отрицательное влияние, как на начальную остойчивость, так и на остойчивость судна при больших наклонениях. При наклонениях судна жидкий груз, имеющий свободную поверхность, перетекает в сторону наклонения, создавая при этом дополнительный момент, кренящий судно. Появившийся момент можно рассматривать как отрицательную поправку к восстанавливающему моменту судна.

Рис. 20. Влияние на начальную остойчивость свободной поверхности жидкого груза

Влияние свободной поверхности

Влияние свободной поверхности(рис. 20)будем рассматривать при посадке судна прямо и на ровный киль. Предположим, что в одной из цистерн судна имеется жидкий груз с объемом v ж, имеющий свободную поверхность. При наклонении судна на малый угол И, свободная поверхность жидкости также наклонится, а центр тяжести жидкости q переместится в новое положение q 1 . Вследствие малости угла И можно считать, что данное перемещение происходит по дуге окружности радиуса r 0 c центром в точке m 0 , в которой пересекаются линии действия веса жидкости до и после наклонения судна. По аналоги с метацентрическим радиусом

r 0 = i x /v ж,

где i x - собственный момент инерции свободной поверхности жидкости относительно продольной оси (параллельной координатной оси ОХ). Нетрудно видеть, что рассматриваемый случай оказывает влияние на остойчивость такое же, как и подвешенный, где l = r 0 , а m = с ж v ж.

Рис. 21. Кривые безразмерного коэффициента k

Используя формулу для подвешенного груза, получим формулу влияния на остойчивость свободной поверхности жидкости:

Как видно из формулы, именно i x оказывает влияние на остойчивость.

Момент инерции свободной поверхности вычисляется по формуле

где l и b - длина и ширина поверхности, а k - безразмерный коэффициент, учитывающий форму свободной поверхности.

В данной формуле следует обратить внимание на последний множитель - b 3 , что ширина поверхности в большей мере, чем длина, оказывает влияние на i x и следовательно на дh. Таким образом, особо опасаться необходимо свободных поверхностей в широких отсеках.

Определим, насколько уменьшится потеря остойчивости в прямоугольной цистерне после установки n продольных переборок на равных расстояниях друг от друга

i x n = (n +1) k l 3 = k l b 3 /(n +1) 2 .

Отношение поправок к метацентрической высоте до установки и после установки переборок составит

дh / дh n = i x / i x n = (n +1) 2 .

Как видно из формул, установка одной переборки уменьшает влияние свободной поверхности на остойчивость в 4 раза, двух - в 9 раз и т.д.

Коэффициент k можно определить по кривой на рис. 21, на котором верхняя кривая соответствует несимметричной трапеции, нижняя симметричной. Для проведения практических расчетов коэффициент k, независимо от формы площади поверхности, целесообразно принимать как для прямоугольных поверхностей k = 1/12.

В судовых условиях влияние жидких грузов учитывается при помощи таблиц, приведенных в ”Информации об остойчивости судна”.

Таблица 1

Поправка на влияние свободных поверхностей жидких грузов на остойчивость судна типа БМТР “Маяковский”

В таблицах даны поправки к метацентрической высоте судна дh для совокупности цистерн, которые по условиям эксплуатации могут оказаться частично заполненными (табл. 1) к коэффициенту поперечной остойчивости дm h = дh = с ж i x для каждой цистерны в отдельности (табл. 2). Цистерны, имеющие поправки к метацентрической высоте меньше 1 см, в расчетах не учитывают.

В зависимости от вида поправок метацентрическую высоту судна с учетом влияния жидких грузов в частично заполненных цистернах находят по формулам

h = z m - z g - дh;

h = z m - z g - дm h /

Как видно, свободные поверхности как бы повышают центр тяжести судна или снижают его поперечный метацентр на величину

дz g = дz m = дh = дm h /

Проявление свободной поверхности жидкого груза также влияет и на продольную остойчивость судна. Поправка к продольной метацентрической высоте будет определяться формулой

дН = - с ж i у /,

где i у - собственный момент инерции свободной поверхности жидкости относительно поперечной оси (параллельной координатной оси ОУ). Однако ввиду значительной величины продольной метацентрической высоты Н, поправкой дН обычно пренебрегают.

Рассматриваемое изменение остойчивости от свободной поверхности жидкости происходит при наличии ее объема от 5 95% объема цистерны. В таких случаях говорят, что свободная поверхность приводит к действенной потере остойчивости.

Таблица 2

Поправка на влияние свободных поверхностей жидких грузов на остойчивость судна т/х «Александр Сафонцев»

Рис. 22. Случай недейственной потери остойчивости

Если в цистерне имеется лишь очень тонкий слой жидкости, или цистерна заполнена почти доверху, то ширина свободной поверхности при наклонении судна начинает резко уменьшаться (рис. 22). Соответственно резкое уменьшение будет претерпевать и момент инерции свободной поверхности, а, следовательно, и поправка к метацентрической высоте. Т.е. наблюдается недейственное потеря остойчивости, которую практически можно не учитывать.

Для уменьшения отрицательного влияния на остойчивость судна переливающихся жидких грузов на нем могут, предусматриваются следующие конструктивные и организационные мероприятия:

Установка в цистернах продольных или поперечных переборок, что позволяет резко уменьшить собственные моменты инерции i х и i у;

Установка в цистернах продольных или поперечных диафрагм-переборок, имеющих в нижней и верхней части небольшие отверстия. При резких наклонениях судна (например, при качки) диафрагма выполняет роль переборки, так как жидкость протекает через отверстия достаточно медленно. С конструктивной точки зрения диафрагмы более удобны, чем непроницаемые переборки, так как при установки последних значительно усложняются системы заполнения, осушения и вентиляции цистерн. Однако при длительных наклонениях судна диафрагмы, будучи проницаемыми, не могут уменьшить влияние переливающейся жидкости на остойчивость;

При приеме жидких грузов обеспечивать полное заполнение цистерн без образования свободных поверхностей жидкости;

При расходовании жидких грузов обеспечивать полное осушение цистерн; «мертвые запасы» жидких грузов должны быть минимальными;

Обеспечивать сухость трюмов в отсеках судна, где может скапливаться жидкость с большой площадью свободной поверхности;

Неукоснительно выполнять инструкцию по приему и расходовании жидких грузов на судне.

Не выполнение экипажем судна перечисленных организационных мероприятий, может привести к значительной потере остойчивости судна и явиться причиной аварии.

11 . Опытное определение метацентрической высоты и положения центра тяжести судна

При проектировании судна производится расчет его начальной остойчивости для типовых случаев нагрузки. Фактическая остойчивость построенного судна отличается от расчетной за счет погрешностей расчета и отклонений от проекта, допущенных при постройке. Поэтому на судах производят опытное определение начальной остойчивости - кренование, с последующим расчетом положения ЦТ судна.

Кренованию должны подвергаться:

Суда серийной постройки (первое, а затем каждое пятое судно серии);

Каждое новое судно несерийной постройки;

Каждое судно после восстановительного ремонта;

Суда после большого ремонта, переоборудования или модернизации при изменении водоизмещения более чем на 2%;

Суда после укладки постоянного твердого балласта, если изменение центра тяжести нельзя достаточно точно определить расчетным путем;

Суда, остойчивость которых неизвестна или должна быть проверена.

Кренование проводиться в присутствии инспектора Регистра в соответствии со специальной “Инструкцией по кренованию судов Регистра”.

Сущность кренования заключается в следующем. Кренование производится на основании равенства m кр = m И, определяющего положение равновесия судна с креном И 0 . Кренящий момент создается перемещением грузов (кренбалласта) по ширине судна на расстояние l y ; в пределах малых наклонений судна:

m кр = m l y .

Тогда из равенства m l y = сV h И 0 /57,3

находят, что h = 57,3 m l y /сVИ 0 .

Возвышение ЦТ судна над основной плоскостью z g и абсцисса ЦТ x g определяются из выражений:

z g = z c + r - h; и x g = x c .

Величины z c , r и x c в случае отсутствия или малости дифферента определяются с помощью кривых элементов теоретического чертежа по значению водоизмещения V. При наличии дифферента эти величины должны определяться специальным расчетом. Водоизмещение V находится по масштабу Бонжана на основании замера осадок судна носом и кормой по маркам углубления. Плотность забортной воды определяется с помощью ареометра.

Массой кренбалласта m и плечом переноса l y задаются, величину угла крена И 0 замеряют.

Перед кренованием нагрузка судна должна быть максимально близкой к его водоизмещению порожнем (98 104%). Метацентрическая высота судна должна быть не менее 0,2 м. Для достижения этого допускается прием балласта.

Предметы снабжения и запасные части должны находиться на своих штатных местах, грузы должны быть закреплены, а цистерны для воды, топлива, масла - осушены. Балластные цистерны в случае их заполнения должны быть запрессованы.

Кренбалласт укладывается на открытой палубе судна на обоих бортах на специальных стеллажах несколькими рядами относительно ДП. Масса переносимого поперек судна кренбалласта должна обеспечивать угол крена около 3 0 .

Для замера углов крена подготавливают специальные вески (длиной не менее 3 метров) или инклинографы. Использования для замера углов судовых кренометров недопустимо, так как они дают значительную погрешность.

Кренование проводится в тихую погоду при крене судна не более 0,5 0 . Глубина акватории должна исключать касание грунта или нахождение части корпуса в илистом грунте. Судно должно иметь возможность свободно накреняться, для чего следует предусмотреть слабину швартовов и исключить касание судна стенки или корпуса другого судна.

Опыт заключается в выполняемых по команде переносах кренбалласта с борта на борт и замерах угла крена перед началом и после переноса.

Определение начальной остойчивости по периоду бортовой качки производится на основе известной «капитанской» формулы:

где ф И - период собственных бортовых колебаний судна;

С И - инерционный коэффициент;

В - ширина судна.

Определение периода бортовой качки судна рекомендуется производить при каждом опыте кренования, а для судов водоизмещением менее 300 т его определение является обязательным. Средством для определения ф И является инклинограф или секундомеры (не менее трех наблюдающих).

Раскачивание судна осуществляется согласованными перебежками экипажа с борта на борт в такт колебаниям судна до наклонения судна на 5 8 0 . Капитанская формула позволяет при любом состоянии нагрузки судна приближенно определить метацентрическую высоту при нахождении его на волнении. При этом надо помнить, что для одного и того же судна величина инерционного коэффициента С И не одинакова, она зависит от его загрузки и размещения грузов. Как правило, инерционный коэффициент у порожнего судна больше, чем у загруженного.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Остойчивость как способность судна противостоять внешним кренящим моментам без аварийных последствий. Классификация остойчивости, способы водоизмещения. Измерение остойчивости восстанавливающим моментом. Основные формулы остойчивости, углы крена.

презентация , добавлен 16.04.2011


Понятие об остойчивости и дифферентовке судна. Расчет поведения судна, находящегося в рейсе, во время затопления условной пробоины, относящейся к отсеку первой, второй и третьей категории. Мероприятия по спрямлению судна контрзатоплением и восстановлению.

дипломная работа , добавлен 02.03.2012


Предложения об остойчивости и непотопляемости судна. Разделение его нагрузки на укрупнённые статьи. Порядок приёма и расходования основных грузов и запасов с применением упрощенной таблицы нагрузки, графика безопасной загрузки и номограмм остойчивости.

презентация , добавлен 16.04.2011


Расчет продолжительности рейса судна, запасов, водоизмещения и остойчивости перед загрузкой. Размещение судовых запасов, груза и водяного балласта. Определение параметров посадки и погрузки судна после загрузки. Статическая и динамическая остойчивость.

курсовая работа , добавлен 20.12.2013


Составление грузового плана и рассчет остойчивости судна в соответствии с данными Информации об остойчивости. Контроль посадки и остойчивости по результатам расходования запасов топлива и воды. Балластировка судна и предотвращение водотечности обшивки.

реферат , добавлен 09.02.2009


Расчет влияния перемещения груза из точки А в точку В. Перемещение груза в поперечной плоскости и по горизонтали поперек судна. Расчет изменения диаграммы статической остойчивости. Влияние подвешенных грузов на устойчивость на больших углах крена.

презентация , добавлен 18.04.2011


Выбор возможного варианта размещения грузов. Оценка весового водоизмещения и координат судна. Оценка элементов погруженного объема судна. Расчет метацентрических высот судна. Расчет и построение диаграммы статической и динамической остойчивости.

контрольная работа , добавлен 03.04.2014


Вероятность опрокидывания судна. Расчётная ситуация "Критерий погоды" в Требованиях Российского Морского Регистра судоходства. Определение опрокидывающего момента и вероятности выживания судна. Требования к посадке и остойчивости повреждённого судна.

презентация , добавлен 16.04.2011


Определение ходового времени и судовых запасов на рейс. Параметры водоизмещения при начальной посадке судна. Распределение запасов и груза. Расчет посадки и начальной остойчивости судна по методу приема малого груза. Проверка продольной прочности корпуса.

контрольная работа , добавлен 19.11.2012


Технические параметры универсального судна. Характеристика грузов, их распределение по грузовым помещениям. Требования, предъявляемые к грузовому плану. Определение расчетного водоизмещения и времени рейса. Проверка прочности и расчет остойчивости судна.

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).

Существуют понятия остойчивости следующих видов: статической и динамической, при малых наклонениях судна и при больших наклонениях.

Статическая остойчивость –остойчивость судна при постепенном, плавном наклонении судна, когда силами инерции и сопротивления воды можно пренебречь.

Законы начальной остойчивости сохраняют свою справедливость только до определенного угла крена. Величина этого угла зависит от типа судна и состояния его нагрузки. У судов с малой начальной остойчивостью(пассажирские и лесовозы) предельный угол крена составляет 10-12 градусов, у танкеров и сухогрузных до 25-30 градусов. Расположение ЦТ (центра тяжести) и ЦВ (центра величины)-являются основными факторами влияющими на остойчивость при крене судна.

Основные элементы остойчивости : водоизмещение ∆ , плечо восстанавливающего момента (плечо статической остойчивости)- lcт, начальный метацентрический радиус- r ,

поперечная метацентрическая высота- h ,угол крена- Ơ , Момент восстанавливающий- Мв

Момент кренящий- Мкр, коэффициент остойчивости -К, возвышение центра тяжести Zg,

возвышение центра величины -Zc, Критерий погоды-K, ДСО (диаграмма статической остойчивости), ДДО (диаграмма динамической остойчивости).

ДСО –дает полную характеристику остойчивости судна : поперечную метацентрическую высоту, плечо статической остойчивости, предельный угол ДСО, угол заката ДСО.

ДСО позволяет решать следующие задачи:

• величина кренящего момента от смещения груза и опрокидывающего момента;
• создание необходимого обнажения борта для ремонта корпуса, забортной арматуры;
• определение наибольшей величины статически приложенного кренящего момента, который может выдержать судно не опрокидываясь, и крена, который оно при этом получит;
• определение угла крена судна от мгновенно приложенного кренящего момента при отсутствии начального крена;
• определение угла крена от внезапно приложенного кренящего момента при наличии начального крена по направлению действия кренящего момента;
• определение угла крена от внезапно приложенного кренящего момента при наличии начального крена в направлении, противоположном действию кренящего момента.
• Определение угла крена при перемещении груза по палубе;
• Определение статического опрокидывающего момента и угла статического опрокидывания;
• Определение динамического опрокидывающего момента и угла динамического опрокидывания;
• Определение необходимого кренящего момента для спрямления судна;
• Определение веса груза при перемещении которого судно потеряет остойчивость;
• Что сделать для улучшения остойчивости судна.

Нормировании остойчивости по требованию Регистра судоходства России и Украины:

1. максимальное плечо статической остойчивости ДСО более или = 0,25 м. при максимальной длине судна менее или = 80 м. и более или =0,20 м. при длине судна более или = 105 м. ;
2. угол максимума диаграммы более или = 30 градусов;
3. угол заката ДСО более или = 60 град. и 55 град., при учете обледенения

4. критерий погоды – К более или =1, а при плавании в Северной Атлантике-1.5

5. исправленная поперечная метацентрическая высота для всех вариантов загрузки

должна быть всегда положительной, а для рыболовных судов не менее-0,05 м.

Характеристики бортовой качки судна зависят от метацентрической высоты. Чем больше метацентрическая высота тем качка более резкая, интенсивная, что отрицательно влияет на крепление груза и его целостность, а в целом на безопасность всего судна.

Ориентировочно значение оптимальной метацентрической высоты для различных судов в метрах:

• грузопассажирские большого тоннажа 0,0-1,2 м., среднего тоннажа 0,6-0,8 м.
• сухогрузные большого тоннажа 0,3-1,5м., среднего тоннажа 0,3-1,0 м.
• большие танкеры 1.5-2.5 м.

Для сухогрузных судов среднего тоннажа на основании натурных наблюдений определены четыре зоны остойчивости:

А- зона валкости или недостаточной остойчивости-h|B =0.0-0.02 –при поворотах таких судов на полном ходу возникает крен до 15-18 град.

Б- зона оптимальной остойчивости h|B=).02-0.05 – на волнении суда испытывают плавную качку, условия обитаемости для экипажа хорошие, поперечные инерционные силы не превышают 10% силы тяжести палубного груза.

В- зона дискомфорта или повышенной остойчивости h|B=0.05-0.10-резкая качка, условия работы и отдыха экипажа плохие, поперечные инерционные силы достигают 15-20 % силы тяжести палубного груза.

Г-зона чрезмерной остойчивости или разрушения h|B более 0.10-поперечные инерционные силы на качке могут достигнуть 50% силы тяжести палубного груза, при этом крепление груза нарушается, разрушаются палубные детали такелажа (рымы, обушки), фальшборт судна, что влечет к потери груза и гибели судна.

В Информации об остойчивости судна обычно даются полные расчеты остойчивости без обледенения:

• 100% судовых запасов без груза
• 50% судовых запасов и 50% груза, из них может быть палубный груз
• 50% запасов и 100% груза
• 25% судовых запасов, без груза, груз на палубе
• 10% судовых запасов, 95 % груза.

С учетом обледенения- то же + с балластом в танках.

Кроме расчета остойчивости для типовых случаев нагрузки с обледенением и без обледенения Информация об остойчивости позволяет вести полный расчет остойчивости судна для нетиповых случаев нагрузки. При этом необходимо:

• Иметь точную картину расположения груза по грузовым помещениям в тоннах;
• Данные в тоннах по танкам судовых запасов: тяжелое топливо, дизтопливо, масло, вода;
• Составить таблицу весов по данной загрузке судна, рассчитать моменты ЦТ судна

относительно вертикальной и горизонтальной оси и аппликаты по вертикали и горизонтали-

• Рассчитать суммы весов (общее водоизмещение судна),значение продольного момента ЦТ судна (с учетом знаков + и -), вертикального статического момента
• Определить аппликату и абсциссу ЦТ судна, как соответствующие моменты деленные на настоящее полное водоизмещение судна в тоннах
• По количеству запасов в % и груза в % по справочным таблицам (предельной кривой) грубо оценить остойчиво судно или нет и есть ли необходимость принимать в судовые междудонные танки дополнительно балласт забортной воды.
• Определить посадку судна по кривым дифферента (см. таблицы в Информации об остойчивости)
• Определить начальную поперечную метацентрическую высоту, как разницу между аппликатой центра величины - и аппликатой центра тяжести, выбрать из таблиц (приложение Информации об остойчивости – далее «Информация») поправку на свободную поверхность к поперечной метацентрической величине- определить исправленную поперечную метацентрическую величину.
• С рассчитанными значениями водоизмещения судна для данного рейса и исправленной метацентрической высотой войти в диаграмму плеч кривых статической остойчивости (прилагается в «Информации») и через 10 градусов построить ДСО плеч статической остойчивости от угла крена при данном водоизмещении (диаграмма Рида)
• С диаграммы ДСО снять все основные данные по требованиям Регистра судоходства Украины, России.
• Определить величину условной расчетной амплитуды бортовой качки для данного случая загрузки, пользуясь рекомендациями в справочных данных.Увеличить эту амплитуду на 2-5 градусов за счет давления ветра (берется в расчет давление ветра силой 6-7 баллов). С учетом всех действующих факторов одновременно эта амплитуда может достигать значений-15-50 градусов.
• Продолжить ДСО в сторону отрицательных значений абсциссы и отложить влево от нуля координат величину расчетной амплитуды качки, затем восстановить из точки на отрицательном значении оси абсцисс перпендикуляр. На глаз провести горизонтальную линию параллельную оси абсцисс так. Чтобы площадь слева от оси абсцисс и справа на ДСО были равны. (см. пример)-определяем плечо опрокидывающего момента.
• Снять с ДСО при этом плечо опрокидывающего момента и рассчитываем опрокидывающий момент, как произведение водоизмещения и плеча опрокидывающего момента.
• По величине средней осадки (рассчитаны ранее) выбрать значение кренящего момента из дополнительных таблиц (Информации)
• Рассчитать критерий погоды –К, если он удовлетворяет требованиям Регистра - судоходства Украины, включая все остальные 4 критерия, то расчет остойчивости на этом заканчивается, но по требования Кодекса остойчивости судов всех типов ИМО от -1999 года, требуется дополнительно иметь еще два критерия остойчивости, которые можно определить только из ДДО (диаграммы динамической остойчивости).При плавании судна в условиях обледенения, рассчитать критерий погоды для этих условий.
• Построение ДДО – диаграммы динамической остойчивости проще выполнить на основании диаграммы ДСО, пользуясь схемой табл. 8 (стр. 61- Л.Р.Аксютин «Грузовой план судна»-Одесса-1999 г.или стр.22-24 «Контроль остойчивости морских судов»-Одесса-2003 г.)-для расчета плеч динамической остойчивости. Если по диаграмме предельных моментов в Информации об остойчивости –судно остойчиво по нашим расчетам, то проводить расчет ДДО- не обязательно.

По требованиям Кодекса остойчивости ИМО-1999 г.(Резолюция ИМО А.749 (18) от июня 1999 года)

· минимальная поперечная метацентрическая высота GM o -0.15 м. для пассажирских судов, а для рыболовных- более или равно 0,35 ;

· плечо статической остойчивости не менее- 0.20 м.;

· мамксимум ДСО при максимальном плече статической остойчивости- более или равно 25 градусов;

· плечо динамической остойчивости при угле крена более или плюс 30 град –не менее -0.055 m-rad.; (метра)

· плечо динамической остойчивости при 40 градусов (или угле заливания) не менее- 0.09 m-rad.;(метра)

· разность плеч динамической остойчивости при 30 и 40 градусов –не менее 0.03 m-rad.(метра)

· критерий погоды более или = единице (1)-для судов более или = 24 м.

· дополнительный угол крена от действия постоянного ветра для пассажирских судов не более 10 градусов, для всех остальных судов не более 16 градусов или 80% от угла, при котором кромка палубы входит в воду, в зависимости от того какой угол минимальный.

15 июня 1999 года Комитет безопасности мореплавания ИМО выпустил циркуляр 920-Руководство по загрузки и остойчивости (Model loading and stability Manual), который рекомендует всем государствам, имеющим флот, обеспечивать все суда специальным Руководством по расчету загрузки и остойчивости судна, в котором дать виды оптимальной загрузки и расчеты остойчивости судна, привести все символы и сокращении приводимые при этом., как проводить контроль остойчивости, посадки судна и его продольной прочности. В данном Руководстве приводятся все сокращения и единицы измерения при вышеупомянутых расчетах, таблицы расчета остойчивости и изгибающих моментов.

В море проверка поперечной метацентрической высоты судна ведется по приближенной формуле учитывающей ширину судна-В(м), период качки- То(сек) и С- коэффициент от 0.6- до 0,88 в зависимости от типа судна и его загрузки-h= (CB/To) 2 c точностью 85-90 % .(h-м).

Для выполнения РГЗ по предмету «Перевозка особорежимных и опасных грузов» можно воспользоваться методичкой автора «Расчет грузового плана судна» издания СевНТУ.

Конкретное задание для расчета грузового плана получить у преподавателя. Оригинал

Информации об остойчивости судна находится у преподавателя. Для выполнения расчетов

по данному судну необходимо студенту сделать копии расчетных таблиц и графиков из «Информации». Использование других «Информаций об остойчивости судна» во время морской производственной практики для своего, конкретного судна и перевозимого груза допускается к защите РГЗ.

§ 12. Мореходные качества судов. Часть 1

Изучением этих качеств с применением математического анализа занимается специальная научная дисциплина - теория судна .

Если математическое решение вопроса невозможно, то прибегают к опыту, чтобы найти необходимую зависимость и проверить выводы теории на практике. Только после всестороннего изучения и проверки на опыте всех мореходных качеств судна приступают к его созданию.

Мореходные качества в предмете «Теория судна» изучаются в двух разделах: статике и динамике судна . Статика изучает законы равновесия плавающего судна и связанные с этим качества: плавучесть, остойчивость и непотопляемость. Динамика изучает судно в движении и рассматривает такие его качества, как управляемость, качку и ходкость.

Познакомимся с мореходными качествами судна.

Плавучестью судна называется его способность держаться на воде по определенную осадку, неся предназначенные грузы в соответствии с назначением судна.

На плавающее судно всегда действуют две силы: а) с одной стороны, силы веса , равные сумме веса самого судна и всех грузов на нем (вычисленные в тоннах); равнодействующая сил веса приложена в центре тяжести судна (ЦТ) в точке G и всегда направлена по вертикали вниз; б) с другой стороны, силы поддержания , ил и силы плавучести (выраженные в тоннах), т. е. давление воды на погруженную часть корпуса, определяемое произведением объема погруженной части корпуса на объемный вес воды, в которой судно плавает. Если эти силы выразить равнодействующей, приложенной в центре тяжести подводного объема судна в точке С, называемой центром величины (ЦВ), то эта равнодействующая при всех положениях плавающего судна всегда будет направлена по вертикали вверх (рис. 10).

Объемным водоизмещением называется объем погруженной части корпуса, выраженный в кубических метрах. Объемное водоизмещение служит мерой плавучести, а вес вытесняемой им воды называется весовым водоизмещением D) и выражается в тоннах.

По закону Архимеда вес плавающего тела равен весу объема жидкости, вытесненной этим телом,

Где у - объемный вес забортной воды, т/м 3 , принимаемый в расчетах равным 1,000 для пресной воды и 1,025 - для морской воды.

Рис. 10. Силы, действующие на плавающее судно, и точки приложения равнодействующих этих сил.

Р = D; x g = х c .

Вследствие симметрии судна относительно ДП очевидно, что точки G и С должны лежать в этой плоскости, тогда

Y g = y c = 0.

Обычно центр тяжести надводных судов G лежит выше центра величины С, в таком случае

Иногда объем подводной части корпуса удобнее выразить через главные размерения судна и коэффициент общей полноты, т. е.

Тогда весовое водоизмещение может быть представлено в виде

Если обозначить через V n полный объем корпуса до верхней палубы, при условии водонепроницаемости закрытия всех бортовых отверстий, то получим

Разность V n - V, представляющая некоторый объем водонепроницаемого корпуса выше грузовой ватерлинии, носит название запаса плавучести. При аварийном попадании воды внутрь корпуса судна увеличится его осадка, но судно останется на плаву, благодаря запасу плавучести. Таким образом, запас плавучести будет тем больше, чем больше высота надводного непроницаемого борта. Следовательно, запас плавучести является важной характеристикой судна, обеспечивающей его непотопляемость. Он выражается в процентах от нормального водоизмещения и имеет следующие минимальные значения: для речных судов 10-15%, для танкеров 10-25 %, для сухогрузных судов 30-50%, для ледоколов 80-90%, а для пассажирских судов 80-100%.

Рис. 11. Строевая по шпангоутам

Учитывая, что момент равнодействующей силы равен сумме моментов составляющих сил относительно той же плоскости, после суммирования по всему судну весов и статических моментов, определяют координаты центра тяжести судна G. Объемное водоизмещение, а также координаты центра величины С по длине от миделя х c и по высоте от основной линии z c определяют по теоретическому чертежу методом трапеции в табличной форме.

Для этой же цели пользуются вспомогательными кривыми, так называемыми строевыми, вычерченными также по данным теоретического чертежа.

Различают две кривые: строевую по шпангоутам и строевую по ватерлиниям.

Строевая по шпангоутам (рис. 11) характеризует распределение объема подводной части корпуса по длине судна. Она строится следующим способом. Пользуясь методом приближенных вычислений, определяют по теоретическому чертежу площади погруженной части каждого шпангоута (w). По оси абсцисс откладывают в выбранном масштабе длину судна и на нее наносят положение шпангоутов теоретического чертежа. На ординатах, восстановленных из этих точек, откладывают в определенном масштабе соответствующие площади вычисленных шпангоутов.

Концы ординат соединяют плавной кривой, которая и является строевой по шпангоутам.

Рис. 12. Строевая по ватерлиниям.

Рис. 13. Кривая грузового размера.

1) площади каждой из строевых выражают в соответствующем масштабе объемное водоизмещение судна;

2) абсцисса центра тяжести площади строевой по шпангоутам, измеренная в масштабе длины судна, равна абсциссе центра величины судна х c ;

3) ордината центра тяжести площади строевой по ватерлиниям, измеренная в масштабе осадок, равна ординате центра величины судна z c . Грузовой размер представляет собой кривую (рис. 13), характеризующую объемное водоизмещение судна V в зависимости от его осадки Т. По этой кривой можно определить водоизмещение судна в зависимости от его осадки или решить обратную задачу.

Эта кривая строится в системе прямоугольных координат на основании предварительно вычисленных объемных водоизмещении по каждую ватерлинию теоретического чертежа. На оси ординат в выбранном масштабе откладывают осадки судна по каж- дую из ватерлиний и через них проводят горизонтали, на которых, также в определенном масштабе, откладывают значение водоизмещения, полученное для соответствующих ватерлиний. Концы полученных отрезков соединяют плавной кривой, которая и называется грузовым размером.

Пользуясь грузовым размером, можно определить изменение средней осадки от приема или расходования груза или по заданному водоизмещению определить осадку судна и т. п.

Остойчивостью называется способность судна противостоять, силам, вызвавшим его наклонение, и после прекращения действия этих сил возвращаться в первоначальное положение.

Наклонения судна возможны по разным причинам: от действия набегающих волн, из-за несимметричного затопления отсеков при пробоине, от перемещения грузов, давления ветра, из-за приема или расходования грузов и пр.

Наклонение судна в поперечной плоскости называют креном , а в продольной плоскости - дифферентом ; углы, образующиеся при этом, обозначают соответственно O и y,

Различают начальную остойчивость , т. е. остойчивость при малых углах крена, при которых кромка верхней палубы начинает входить в воду (но не более 15° для высокобортных надводных судов), и остойчивость при больших наклонениях .

Представим себе, что под действием внешних сил судно получило крен на угол 9 (рис. 14). Вследствие этого объем подводной части судна сохранил свою величину, но изменил форму; по правому борту в воду вошел дополнительный объем, а по левому борту равновеликий ему объем вышел из воды. Центр величины переместился из первоначального положения С в сторону крена судна, в центр тяжести нового объема - точку С 1 . При наклонном положении судна сила тяжести Р, приложенная в точке G, и сила поддержания D, приложенная в точке С, оставаясь перпендикулярными к новой ватерлинии В 1 Л 1 образуют пару сил с плечом GK, являющимся перпендикуляром, опущенным из точки G на направление сил поддержания.

Если продолжить направление силы поддержания из точки С 1 до пересечения с ее первоначальным направлением из точки С, то на малых углах крена, соответствующих условиям начальной остойчивости, эти два направления пересекутся в точке М, называемой поперечным метацентром .

Расстояние между метацентром и центром величины МС называется поперечным мета центрическим радиусом , обозначаемым р, а расстояние между точкой М и центром тяжести судна G - поперечной метацентрической высотой h 0 . На основании данных рис. 14 можно составить тождество

H 0 = p + z c - z g .

В прямоугольном треугольнике GMR угол у вершины М будет равен углу 0. По его гипотенузе и противолежащему углу можно определить катет GK, являющийся плечо м восстанавливающей судно пары GK=h 0 sin 8, а восстанавливающий момент будет равен Мвосст = DGK. Подставляя значения плеча, получим выражение

Мвосст = Dh 0 * sin 0,

Рис. 14. Силы, действующие при крене судна.

Метацентрическую высоту для характерных случаев нагрузки вычисляют в процессе проектирования судна, и она служит ме- рой остойчивости. Значение поперечной метацентрической высоты для основных типов судов лежит в пределах 0,5-1,2 м и лишь у ледоколов достигает 4,0 м.

Для увеличения поперечной остойчивости судна необходимо снижать его центр тяжести. Это чрезвычайно важный фактор всегда надо помнить, особенно при эксплуатации судна, и вести строгий учет за расходованием топлива и воды, хранящихся в междудонных цистернах.

Продольная метацентрическая высота H 0 рассчитывается аналогично поперечной, но так как ее величина, выражается в десятках или даже в сотнях метров, всегда весьма велика - от одной до полутора длин судна, то после проверочного расчета продольную остойчивость судна практически не рассчитывают, ее величина интересна только в случае определения осадки судна носом или кормой при продольных перемещениях грузов или при затоплении отсеков по длине судна.

Рис. 15. Поперечная остойчивость судна в зависимости от расположения грузов: а - положительная остойчивость; б - положение равновесия - судно неостойчиво; в - отрицательная остойчивость.

Все полученные ранее выводы, как уже упоминалось, практически справедливы при начальной остойчивости, т. е. при крене на малые углы.

При расчетах поперечной остойчивости на больших углах крена (продольные наклонения на практике не бывают большими) определяют переменные положения центра величины, метацентра, поперечного метацентрического радиуса и плеча восстанавливающего момента GK для различных углов крена судна. Такой расчет делают начиная от прямого положения через 5- 10° до того угла крена, когда восстанавливающее плечо превращается в нуль и судно приобретает отрицательную остойчивость.

По данным этого расчета для наглядного представления об остойчивости судна на больших углах крена строят диаграмму статической остойчивости (ее также называют диаграммой Рида), показывающую зависимость плеча статической остойчивости (GK) или восстанавливающего момента Мвосcт от угла крена 8 (рис. 16). На этой диаграмме по оси абсцисс откладывают углы крена, а по оси ординат - значение восстанавливающих моментов или плечи восстанавливающей пары, так как при равнообъемных наклонениях, при которых водоизмещение судна D остается постоянным, восстанавливающие моменты пропорциональны плечам остойчивости.

Рис. 16. Диаграмма статической остойчивости.

1) на всех углах, при которых кривая расположена над осью абсцисс, восстанавливающие плечи и моменты имеют положительное значение, и судно имеет положительную остойчивость. При тех углах крена, когда кривая расположена под осью абсцисс, судно будет неостойчивым;

2) максимум диаграммы определяет предельный угол крена 0 мах и предельный кренящий момент при статическом наклонении судна;

3) угол 8, при котором нисходящая ветвь кривой пересекает ось абсцисс, называется углом заката диаграммы . При этом угле крена восстанавливающее плечо становится равным нулю;

4) если на оси абсцисс отложить угол, равный 1 радиану (57,3°), и из этой точки восставить перпендикуляр до пересечения с касательной, проведенной к кривой из начала координат, то этот перпендикуляр в масштабе диаграммы будет равен начальной метацентрической высоте h 0 .

Большое влияние на остойчивость оказывают подвижные, т. е. незакрепленные, а также жидкие и сыпучие грузы, имеющие свободную (открытую) поверхность. При наклонении судна эти грузы начинают перемещаться в сторону крена и, как следствие, центр тяжести всего судна уже не будет находиться в неподвижной точке G, а начнет тоже перемещаться в ту же сторону, вызывая уменьшение плеча поперечной остойчивости, что равносильно уменьшению метацентрической высоты со всеми вытекающими из этого последствиями. Для предотвращения таких случаев все грузы на судах должны быть закреплены, а жидкие или сыпучие должны быть погружены в емкости, исключающие всякое переливание или пересыпание грузов.

При медленном действии сил, создающих кренящий момент, судно, наклоняясь, остановится тогда, когда кренящий и восстанавливающий моменты сравняются. При внезапном действии внешних сил, таких, как порыв ветра, натяжение буксира на борт, качка, бортовой залп из орудий и т. п., судно, наклоняясь, приобретает угловую скорость и даже с прекращением действия этих сил будет продолжать крениться по инерции на дополнительный угол до тех пор, пока не израсходуется вся его кинетическая энергия (живая сила) вращательного движения судна и его угловая скорость не превратится в нуль. Такое наклонение судна под действием внезапно приложенных сил называется динамическим наклонением . Если при статическом кренящем моменте судно плавает, имея лишь некоторый крен 0 СТ, то в случае динамического действия того же кренящего момента оно может опрокинуться.

При анализе динамической остойчивости для каждого водоизмещения судна строят диаграммы динамической остойчивости , ординаты которых представляют в определенном масштабе площади, образованные кривой моментов статической остойчивости для соответствующих углов крена, т. е. выражают работу восстанавливающей пары при наклонении судна на угол 0, выраженный в радианах. При вращательном движении, как известно, работа равна произведению момента на угол поворота, выраженный в радианах,

Т 1 = М kp 0.

По этой диаграмме все вопросы, связанные с определением динамической остойчивости, можно решить следующим образом (рис. 17).

Угол крена при динамически приложенном кренящем моменте можно найти, нанеся на диаграмму в том же масштабе график работы кренящей пары; абсцисса точки пересечения этих двух графиков дает искомый угол 0 ДИН.

Если в частном случае крепящий момент имеет постоянное значение, т. е. М кр = const, то работа будет выражаться

Т 2 = М kp 0.

А график будет иметь вид прямой, проходящей через начало координат.

Для того, чтобы построить эту прямую на диаграмме динамической остойчивости, необходимо отложить по оси абсцисс угол, равный радиану, и провести из полученной точки ординату. Отложив на ней в масштабе ординат величину М кр в виде отрезка Nn (рис. 17), надо провести прямую ON, которая является искомым графиком работы кренящей пары.

Рис. 17. Определение угла крена и предельного динамического наклонения по диаграмме динамической остойчивости.

С увеличением момента М кр секущая ON может занять предельное положение, обратившись во внешнюю касательную ОТ, проведенную из начала координат к диаграмме динамической остойчивости. Таким образом, абсцисса точки касания будет искодинмах мым предельным углом динамических наклонений 0 Ордината этой касательной, соответствующая радиану, выражает предельный кренящий момент при динамических наклонениях М крмах.

При плавании судно часто подвергается динамическому воздействию внешних сил. Поэтому умение определить динамический кренящий момент при решении вопроса об остойчивости судна имеет большое практическое значение.

Изучение причин гибели судов приводит к выводу, что в основном суда гибнут из-за потери остойчивости. Для ограничения потери остойчивости в соответствии с различными условиями плавания, Регистром Союза ССР разработаны Нормы остойчивости судов транспортного и промыслового флота. В этих нормах основным показателем является способность судна сохранять положительную остойчивость при совместном действии на него бортовой качки и ветра. Судно отвечает основному требованию Норм остойчивости, если при наихудшем варианте загрузки его М КР остается меньше M ОПР.

При этом минимальный опрокидывающий момент судна определяется по диаграммам статической или динамической остойчивости с учетом влияния свободной поверхности жидких грузов, бортовой качки и элементов расчета парусности судна для различных случаев нагрузки судна.

Нормами предусматривается целый ряд требований к остойчивости, например: M КР

Непотопляемостью судна называется его способность сохранять плавучесть и остойчивость после затопления части внутренних помещений водой, поступившей из-за борта.

Непотопляемость судна обеспечивается запасом плавучести и сохранением положительной остойчивости при частично затопленных помещениях.

Если судно получило пробоину в наружном корпусе, то количество воды Q, вливающееся через нее, характеризуется выражением

G - 9,81 м/сек²

Н - отстояние центра пробоины от ватерлинии, м.

Даже при незначительной пробоине количество воды, поступающее внутрь корпуса, будет так велико, что справиться с нею отливные насосы не в состоянии. Поэтому водоотливные средства ставят на судне исходя из расчета только удаления воды, поступающей уже после заделки пробоины или через неплотности в соединениях.

Чтобы предотвратить распространение по судну воды, вливающейся в пробоину, предусматривают конструктивные мероприятия: корпус делят на отдельные отсеки водонепроницаемыми переборками и палубами . При таком делении в случае получения пробоины затопится один или несколько ограниченных отсеков, отчего увеличится осадка судна и соответственно уменьшится высота надводного борта и запас плавучести судна.

Вперед
Оглавление
Назад