Метацентр

Основная статья: Метацентр

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

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

Характеристики остойчивости

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

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

, (1)

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

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

, (2)

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

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

, (3)

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

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