Вопрос №37 Управляемость. Силы и моменты, действующие на судно при криволинейном движении.

Управляемость судна характеризуется двумя качествами: поворотливостью и устойчивостью

на курсе. Поворотливостью называют способность судна изменять направление движения. Под

устойчивостью на курсе, напротив, понимают способность судна сохранять заданное направление

движения.

Устойчивость судна на курсе тем лучше, чем оно длиннее и чем больше площадь нагруженной

части ДП. Морская практика связывает степень устойчивости на курсе с тем, как часто и на какой

угол приходится перекладывать руль для удержания судна на курсе. Судно считается устойчивым

на курсе, если при состоянии моря и ветра не более 3 – 5 баллов для удержания его на заданном

курсе необходимо перекладывать руль не чаще 4 – 5 раз в минуту и при том не более 2 – 3 градусов

на каждый борт.

Вопрос №38 Периоды и параметры циркуляции судна.

Допустим, что судно совершает установившееся прямолинейное движение, причем направление скорости судна совпадает с диаметральной плоскостью. Пусть в некоторый момент на этом судне произведена перекладка руля на заданный угол. В результате судно начинает совершать движение по криволинейной траектории. Криволинейная траектория, которую описывает центр тяжести судна при перекладке руля на некоторый угол и последующем удержании его в этом положении, называется циркуляцией. Различают три периода циркуляции: маневренный, эволюционный и период установившейся циркуляции. Маневренный период циркуляции определяется началом и концом перекладки руля, т.е. по времени совпадает с продолжительностью перекладки руля. В этот период судно продолжает двигаться практически прямолинейно. Эволюционный период циркуляции начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда элементы движения примут установившийся характер, т.е. перестанут изменяться во времени. Период установившейся циркуляции начинается с момента окончания эволюционного периода и длится все время, пока руль судна находится в переложенном положении. Траектория криволинейного движения центра тяжести судна, т.е. его циркуляция характеризуется следующими элементами: Диаметр установившейся циркуляции Дц - диаметр окружности, описываемой судном в установившийся период циркуляции, который начинается после поворота судна на 90-180°; Тактический диаметp циркуляции Дт - кратчайшее расстояние между положением диаметральной плоскоскости судна в начале поворота и после изменения первоначального курса на 180°; В ыдвиг l₁ расстояние, на которое смещается центр тяжести судна в направлении первоначального курса от точки начала циркуляции до точки, соответствующей изменению курса судна на 90°; Прямое смещение l₂ - расстояние от первоначального курса судна до точки положения центра тяжести в момент поворота судна на 90°; Обратное cмещение l₃ - наибольшее расстояние, на которое смещается центр тяжести судна от линии первоначального курса в сторону противоположную повороту. Значение элементов циркуляции, выражаемых в долях диаметра циркуляции Д_ц, лежат в относительно узких пределах и для судов различных типов изменяются следующим образом:

Д_т = (0,9 ± 1,2) × Д_ц; l₁ = (0,6 ± 1,3) × Д_ц; l₂ = (0,25 ± 0,5) × Д_ц; l₃ = (0 ± 0,1) × Д_ц.

Для морских транспортных судов Д_т составляет 4-6 длин судна. Кроме указанных элементов к характеристикам циркуляции относят: - период установившейся циркуляции Т - время поворота судна на 360°; - угловую скорость вращения судна на установившейся циркуляции ω = 2π / Т. Если на судне, идущем прямым курсом, внезапно переложить руль, то в первый момент после начала перекладки на судно действуют следующие силы: поперечная составляющая Р_у сил, действующих на руль; поперечная составляющая R_y сил, действующих на погруженную часть корпуса судна; поперечная составляющая центробежных сил инерции судна F_ц. Линия действия этой силы направлена в сторону поворота судна.

Все указанные силы располагаются в различных плоскостях по высоте. Таким образом, в первый момент после перекладки руля суммарный момент всех приведенных сил вызывает небольшой крен судна на тот борт, на который переложен руль. В результате такого накренения судна и действия поперечной составляющей Р_у на руле возникает дрейф судна и обратное смещение l₃ - смещение судна в сторону, противоположную повороту. Траектория циркуляции искажается. Обратное смещение не превышает половины ширины судна, но при маневрировании в стесненных условиях учитывать его нужно, так как оно выносит судно за внешнюю сторону циркуляции. По мере изменения кривизны траектории центробежная сила уменьшается, а затем меняет знак, т.е. изменяет направление действия на противоположное. Одновременно происходит нарастание момента от силы R_y вследствие увеличения угла дрейфа и уменьшение момента от силы Р_y из-за снижения скорости судна. В результате изменения характера действия указанных сил, и моментов, судно сначала выпрямляется, а затем начинает крениться в сторону, обратную направлению перекладки руля. Причем угол крена оказывается тем больше, чем больше скорость судна на циркуляции, угол перекладки руля и чем меньше метацентрическая высота судна. В результате такого крена и действия поперечной составляющей P_у на руле диаметральная плоскость судна на циркуляции не совпадает с касательной к криволинейной траектории движения центра тяжести, т.е. образуется угол дрейфа - b₀. Нос судна смещается внутрь кривой циркуляции, а корма заносится во внешнюю сторону. С увеличением скорости судна угол дрейфа увеличивается. Из-за наличия угла дрейфа судно на циркуляции занимает полосу воды больше ширины судна. Это необходимо учитывать при маневрировании в узкости. Во время поворота вследствие тормозящего действия руля и появления угла дрейфа возрастает сопротивление воды движению судна, что приводит к уменьшению скорости. Потеря скорости на циркуляции в некоторых случаях может достигать 50 %.

ВОПРОС №39

Диаграмма управляемости.

ВОПРОС №40

Параметры качки судна и волнения

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Основными характеристиками качки служат амплитуда, период и частота колебаний.

Амплитуда качки — наибольшее отклонение судна от положения равновесия. Удвоенное значение амплитуды обычно называется размахом.

Частота колебаний а — число полных колебаний за промежуток времени, равный 2л сек.

Период колебаний т — время полного колебания. Период и частота колебаний при качке связаны соотношением:

(1-V)

§ 2-V. БОРТОВАЯ КАЧКА НА ТИХОЙ ВОДЕ

Рассмотрим свободные колебания судна при бортовой качке на тихой воде, пренебрегая вначале силами сопротивления.. Уравне­ния колебаний судна при этом имеют вид:

(2-V)

где  — угол крена;

Jx — момент инерции массы судна относительно продольной центральной оси;

44 — присоединенный момент инерции воды;

F () — функция зависимости восстанавливающего момента от

угла крена.

Решая задачу при линейном и нелинейном виде функции F(), получаем, что по линейной теории восстанавливающий момент опре­деляется по метацентрической формуле остойчивости

(3-V)

где D — весовое водоизмещение судна;

h — начальная поперечная метацентрическая высота. Уравнение (2-V) можно представить в виде:

(4-V)

где (5-V)

Величину со называют также частотой свободных колебаний при качке без сопротивления.

101

Период этих колебаний согласно формуле (1-V) равен

(6-V)

Ix и 44, входящие в (5-V) и (6-V), могут быть найдены по при­ближенным формулам Ю. А. Шиманского и Г. Е. Павленко:

(7-V)

(8-V)

Значения коэффициента у, приведены в табл. 1-V.

Таблица 1-V

§ 3-Y. БОРТОВАЯ КАЧКА НА ВОЛНЕНИИ

В практических расчетах качки судна на волнении вводят ряд допущений, значительно облегчающих исследование:

1) полагают, что на судно действует правильное синусоидаль­ное двухмерное волнение;

2) колебания судна считают установившимися, частоту качки судна—равной частоте возмущающей силы;

3) полагают, что само судно не вносит изменений в поле давле­ния колеблющейся жидкости;

4) считают, что поперечные размеры судна малы по сравнению с размерами волны и оно расположено лагом к волнению.

Угловое перемещение относительно воды равно —a, где а—эффективный угол волнового склона (рис. 1, a-V), равный

(9-V)

где —максимальный угол волнового склона;

—коэффициент, учитывающий влияние конечных ширин и осадки судна по отношению к волне и определяемый по графикам (см. рис. 1,6 и 6-V);

—частота волны (частота набегания волны на судно);

здесь — период волны.

Величина амплитуды вынужденных колебаний определяется соотношениями частоты колебаний волны о и судна <о.

Если отношение то амплитуда бортовой качки равна углу волнового склона. При наступает значительное увели чение амплитуды колебаний. Это явление называют резонан­сом. Резонансная амплитуда вынужденных колебаний

(10-V)

где

Рис. 1-V. К определению эффективного угла волнового склона

Из выражения (10-V) следует, что чем больше сопротивление воды колебаниям судна и чем больше коэффициент k, тем меньше

величина резонансной амплитуды. Наконец, при — -> оо колебания

судна отсутствуют. При определении расчетного значения величи­ны а необходимо учитывать, что при движении судна навстречу или по ходу волн кажущаяся частота колебаний волн может зна­чительно отличаться от собственной. –103

Если судно идет под углом ч|з относительно фронта волн, то кажущаяся частота колебаний волн может быть найдена по формуле

(11-V)

где v—скорость судна;

—скорость распространения волны.

Знак минус принимается, когда волны и судно движутся в одном направлении, знак • плюс — когда волны идут навстречу судну.

Период кажущихся колебаний определяют по формуле, аналогичной формуле (1-V).