Остойчивость судна

Учение об остойчивости рассматривает условия, которые

позволяют судну (кораблю) плавать в вертикальном положении и выпрямляться после наклонений.

Морское судно должно не только иметь достаточную остойчивость, но и выполнять даже на взволнованном море максимально плавные движения. За достаточную остойчивость несет ответственность в первую очередь

судостроительная верфь, а за ведение судна в штормовом море - командование судна
Метацентр-
это точка, вокруг которой свободно плавающее тело совершает маятниковые колебания.
a
b
Рис. 2. Поперечная остойчивость судна – метацентр. а - устойчивое равновесие, b - неустойчивое равновесие. C или СӨ - центр величины, FA - сила поддержания, FG - вес судна, G - центр тяжести судна, MC или MCө - метацентр, N - мнимый метацентр, ι - плечо остойчивости, Ө - угол крена

Рис.3. Продольная остойчивость судна. C или C_Ψ - центр величины, F_A - сила поддержания, F_G - вес судна, G - центр тяжести судна, M_L - продольный метацентр, ι - плечо остойчивости, Ψ - угол дифферента.

Ответственность за остойчивость находящегося в море судна и за правильную загрузку всегда несет только капитан . Подводная часть судна изменяет при наклонении вокруг продольной оси свою форму. Истинным метацентром является точка пересечения двух соседних направлений выталкивающей силы. Эта точка при малых углах крена (примерно до 10°) лежит в диаметральной плоскости судна, т. е. на первоначальном направлении действия силы поддержания вертикально плавающего судна; при большем угле наклона она находится вне диаметральной плоскости судна на так называемой эволюте.

Момент остойчивости спрямляет судно до тех пор, пока центр тяжести при малых углах наклона лежит ниже истинного метацентра и при больших углах наклона ниже воображаемого метацентра, т. е. пока имеется устойчивое равновесие. Если метацентр лежит ниже, то равновесие неустойчиво, т. е. создается момент, который предотвращает возвращение судна в положение равновесия. При совпадении метацентра и центра тяжести равновесие безразличное; не возникает никаких моментов, которые прекращают или поддерживают наклонения. Поперечная остойчивость зависит от положения центра тяжести по отношению к истинному или воображаемому метацентру. Расстояние между метацентром и центром тяжести (метацентрическая высота) является мерой способности судна к выпрямлению при нарушающих равновесие воздействиях ветра, волн и несимметричной загрузки.

Положение метацентра в большой мере зависит от формы судна, а также от угла крена. Решающую роль играют при этом ширина, высота борта и осадка судна. Если представить себе 2 судна с различной шириной при крене в 10°, ясно, что для наклонения более широкого судна требуются большие кренящие силы, чем для наклонения узкого; это видно также по входящему в воду и выходящему из воды клинообразному объему. У широкого судна входящий в воду и выходящий из воды объемы, а также путь их перемещения (плечо) больше, чем у более узкого судна. Соответственно различны и перемещения точки приложения выталкивающей силы. Понятно, что у широкого судна метацентр расположен над ватерлинией выше, чем у узкого.

Широкое судно, таким образом, более остойчиво, чем узкое.

Рис. 4. Поперечная остойчивость судна на волнении . а - судно на спокойной воде, b - судно на вершине волны, с - судно на подошве волны

Рис. 5. Аварийное судно. 1 - затопленный отсек, C и CΨ - центр величины, FA - сила поддержания, FG - вес судна, G -центр тяжести судна

КАЧКА СУДНА. НАГРУЗКИ, ИСПЫТЫВАЕМЫЕ СУДНОМ. Cудно (корабль), плавающее в состоянии равновесия, имеет 6 возможностей движения, которые называются степенями свободы, т. е. оно может перемещаться в направлении 3-х осей и поворачиваться вокруг них. При параллельном перемещении в вертикальном направлении равновесие устойчиво. При более глубоком погружении увеличивается выталкивающая сила, а при всплытии - сила веса судна по сравнению с уменьшившейся выталкивающей силой возвращают корпус судна в первоначальное положение равновесия. Поэтому движения в вертикальном направлении - всплытие и погружение - в общем не опасны для судна и почти не заметны, за исключением штормовых условий. Параллельное перемещение в направлении продольной и поперечной осей и вращение вокруг вертикальной оси не создают опасных ситуаций для судна. При вращении вокруг продольной оси (крен, бортовая качка) и поперечной оси (килевая качка) возникает устойчивое, неустойчивое или безразличное равновесие, причем судно все время стремится занять устойчивое положение равновесия. Колебания судна появляются тогда, когда

плывущее судно выводится из положения равновесия внешними силами, например ветром,

шквалами и волнами, и затем оказывается предоставленным самому себе.

Оно, как маятник, колеблется вокруг положения покоя; при этом угол колебаний становится все меньше, до тех пор пока энергия движения судна не будет уничтожена сопротивлением воды. Продольные колебания судно совершает тогда, когда

волны набегают с носа и с кормы.

Если, например, гребень идущей сзади волны давит на корму, то судно получает ускорение и скорость его увеличивается. При дальнейшем прохождении вдоль корпуса судна гребень волны затормаживает его движение. Таким образом, у движущегося судна при волнах, набегающих сзади, скорость увеличивается или уменьшается. При движении судна против волн снижение скорости может быть особенно значительным. Поперечные колебания возникают тогда, когда

гребни волн набегают на судно с правого или с левого борта.

Например, волны идут с левого борта; в этом случае они кладут судно на правый борт и разворачивают его. Попадая затем на подошву волны, судно возвращается в исходное положение. На ходу эти колебания почти незаметны, и их невозможно измерить. Движения погружения судно выполняет при нахождении попеременно на гребне и на подошве волны. На гребне судно движется (колеблется) вверх, а на подошве – вниз.

Бортовая (боковая) качка -

это вращательное движение судна вокруг его продольной оси с одного борта на другой.

Оно вызывается волнами, набегающими с борта, и порывами ветра. Способность судна

выпрямляться при колебательных движениях вокруг продольной оси называют

поперечной остойчивостью

Килевая качка -нос и корма

то вращательное движение судна вокруг поперечной оси, при котором

попеременно поднимаются и опускаются.

Способность судна выпрямляться при наклонах вокруг поперечной оси называют продольной остойчивостью. Сильная килевая качка может быть опасна для судна и для груза. Чем больше волны, против которых идет судно, тем сильнее килевая качка. При особенно бурном море волны на судне в полном грузу могут перекатываться от носа до кормы.

Рыскание  это вращательное движение судна вокруг вертикальной оси на левый или на правый борт, когда волны набегают под углом. Если гребень волны, идущей наискось с носа, поворачивает судно на правый борт, то затем на подошве волны оно поворачивается на левый борт. Различные типы колебаний редко встречаются в отдельности. Обычно судно выполняет на волнении сложные движения, которые заставляют его в большей или меньшей степени изменять положение и угрожают его безопасности. Однако наиболее выражены бортовые и килевые движения. Силы ускорения, возникающие при этих колебаниях, являются иногда причинами аварий и повреждений, таких как соскальзывание или перемещение груза, потеря палубного груза, повреждения ударами волн (например, деформация обшивки) и течи. Ускорения неблагоприятно сказываются на экипаже и пассажирах. Бортовая и килевая качка вызывает особенно сильную морскую болезнь (тошноту и рвоту) и ухудшает условия труда (службы) на судах (кораблях).

На корпус судна (корабля), идущего по спокойной воде, действуют гидростатические силы давления, которые возрастают с увеличением глубины. С другой стороны, судно является «свободной балкой», которая при изменении дифферента и крена всегда стремится занять такое положение, чтобы ее центр тяжести и точка приложения выталкивающей силы находились на одной вертикали. Судно подвержено поперечным нагрузкам вследствие давления забортной воды, а также нагрузкам от собственного веса и выталкивающей силы, действующим в противоположных направлениях. Величина этих нагрузок изменяется с изменением состояния нагрузки и положения судна относительно поверхности воды. По типу внешних сил, действующих на корпус судна, выделяют различные нагрузки, которые действуют на него более или менее одновременно.

Рис.9. Нагрузка на корпус судна от действия гидростатического давления воды и веса груза 1 - давление на корпус судна (сила поддержания), 2 - давление воды на борт судна Крутящие моменты создают в судовых конструктивных связях напряжения сдвига (напряжения кручения), а в палубном настиле рядом с люками и между ними  дополнительные напряжения на растяжение, сжатие и изгиб.

Значительны крутящие моменты у крупных судов с большей шириной люков и у судов с большим «раскрытием» палубы, таких как контейнерные суда. Здесь скручивание судна очень важно учитывать при укладке контейнеров плотными штабелями, которые во время погрузки и разгрузки, а также при движении судна не должны заклиниваться.

Рис.11. Скручивающая нагрузка на судно при косом курсе относительно волн. Наряду с продольными, поперечными и крутящими нагрузками вследствие распределения веса и выталкивающей силы, а также вследствие бортовых гидростатических давлений возникают еще нагрузки из-за качки судна, особенно килевой. При этих колебаниях вокруг поперечной оси действуют как силы инерции массы, так и гидродинамические силы. Наряду с названными выше нагрузками на корпус судна действуют изгибающие нагрузки уже при спуске со стапеля. При ремонте в доке давление на кильблоки (опоры) вызывает существенные нагрузки на поперечные связи корпуса судна. Эти нагрузки учитываются уже при проектировании судов.
Рис. 12. Скручивающая нагрузка при неравномерном распределении груза по ширине и длине судна. Столкновение двух судов или соприкосновение идущего судна с морским дном создает нагрузки, которые приводят обычно к большему или меньшему повреждению корпуса судна, а иногда и к его гибели.
	Рис.14. Гидродинамические силы, возникающие при килевой качке: а - тангенциальная скорость при проходе через положение равновесия, b - гидродинамическое давление на днище судна, 1 - всплытие, 2 - погружение, Ψ - наибольший угол дифферента при килевой качке, ВЛ - центр тяжести площади действующей ватерлинии - точка вращения при килевой качке.