130. Что означает термин «Остойчивость судна»? Для каких целей применяется информация об остойчивости судна?

При плавании в море на суда постоянно воздейсг-зуют различные кренящие нагрузки и в первую очередь ветер и волнение. Каким же образом может сравнительно небольшое судно противостоять шквальному ветру и обрушивающимся на палубу волнам, накреняясь то на правый, то на левый борт, но не опрокидываясь? Ответ па эти вопросы дает учение об остойчивости.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения равновесия воздействием внешних кренящих нагрузок, вновь возвращаться в первоначальное положение после прекращения этого воздействия.

Остойчивость — одно из основных мореходных качеств, сохранение и поддержание ее является важнейшей задачей экипажа судна.

Термин «остойчивость» произошел от понятия об устойчивости равновесия тел, однако он имеет более широкий смысл. При рассмотрении устойчивости обычно имеют в виду только малые отклонения от положения равновесия, а при рассмотрении остойчивости судна — как малые, так и большие. Отклонение судна от равновесного положения в поперечной плоскости называется креном, в продольной — дифферентом.

Различают остойчивость при малых наклонениях (начальную) и остойчивость на больших углах крена. Выделение начальной остойчивости в самостоятельный раздел позволяет ввести ряд допущений, значительно упрощающих математические зависимости при решении различных практических задач. Формулы начальной остойчивости могут быть применены до углов кре-но, соответствующих входу кромки палубы в воду в том случае, если скула не выходит из воды. Эти углы для обычных судов составляют 8—12° и более. Формулы начальной остойчивости следует рассматривать как частный случай зависимостей, относящихся к остойчивости на больших углах крена.

При рассмотрении остойчивости подразумевается, что судно наклоняется под действием пары сил; величина силы поддержания не изменяется. При этом объем подводной части сохраняется постоянным, а меняется только ее форма. Такие наклонения и соответствующие им ватерлинии, отсекающие одинаковые объемы, называются равнообъсмными. В задачах о начальной остойчивости равнообъемные ватерлинии проводят через центр тяжести исходной ватерлинии.

Условия плавучести и равновесия судна

Плавучестью называется способность судна плавать по определенную ватерлинию, неся всю положенную нагрузку.

На судно каК на плавающее тело постоянно действуют две категории сил: силы тяжести (вес судна) и силы давления воды (гидростатические силы).

Равнодействующая сил тяжести, которая представляет собой сумму сил тяжести всех элементов судна, определяет вес судна Р (рис. II. 1). Сила веса при любых положениях судна направлена вертикально вниз. Точка приложения силы веса называется центром тяжести судна и обозначается буквой G.

Равнодействующая гидростатических сил является результирующей всех сил, возникающих вследствие давления воды на каждый элемент смоченной поверхности корпуса. Она называется силой плавучести или силой поддержания. Сила плавучести направлена по вертикали вверх. Точка приложения силы плавучести называется центром величины. Эта точка, обозначаемая . буквой С, приложена в центре тяжести подводного объема судна.

Сила плавучести D' = V, согласно закону Архимеда, равна весу вытесненной воды в объеме, равном погруженной в жидкость

части тела. Удельный вес воды -у является переменной величиной. При выполнении расчетов, связанных с проектированием судов, обычно принимают v = 10,05 кН/м³ для морской воды и у = = 9,81 кН/м³ для пресной.

Водоизмещение (масса) судна равна массе вытесняемой им воды:

где V— объемное водоизмещение, м³; р— плотность забортной воды, равная для пресной воды 1,0т/м³ и для морской воды 1,025 т/м³.

Из теоретической механики известно, что для равновесия тела, на которое действуют две системы сил, необходимо и достаточно, чтобы равнодействующие этих сил были равны по величине и направлены по одной прямой в противоположные стороны. На основании указанного правила для равновесия судна необходимо и достаточно, чтобы сила плавучести равнялась весу судна и центр величины и центр тяжести лежали на одной вертикали.

Действительно, если в какой-то момент одна из сил окажется больше, то под действием этой силы осадка, а следовательно, и объемное водоизмещение будут изменяться до тех пор, пока сила плавучести не станет равной весу судна. Если же центр величины и центр тяжести не лежат на одной вертикали, то образуется пара сил, момент которой вызывает крен или дифферент судна.

Обозначив координаты центра тяжести G через x_g, у_G, z_G, а координаты центра величины С через х_с, у_с, z_c, можно написать уравнения равновесия судна в виде

Аппликаты z_G и z_G, характеризующие положение центра величины и центра тяжести по высоте, не связаны какой-либо зависимостью, но практически всегда у плавающего судна z_G < < z_g, т. е. центр величины всегда лежит ниже центра тяжести.

Формулы (II. 1)—(П.3) представляют собой математическое выражение условий равновесия судна. Уравнения (II. 1) и (II.2) называются основными уравнениями плавучести, так как они устанавливают связь соответственно между весом или водоизмещением (массой) судна и весом или массой вытесняемой им воды.

При наличии у судна крена и дифферента условие (П.2) остается неизменным, а система (П.З) меняется и принимает более сложный вид. Действительно, в случае посадки судна на ровный киль, но с креном (рис. II.2, а), условие расположения центра тяжести и центра величины на одной вертикали запишется в виде

Это условие вытекает из рассмотрения треугольника ЛСС, лежащего в плоскости мидель-шпангоута.

При посадке судна прямо, но с дифферентом (рис. II.2, б) это условие будет иметь вид

Последнее уравнение получено из рассмотрения треугольника BGC, расположенного в диаметральной плоскости.

Информация об остойчивости.

Каждое судно Минморфлота валовой вместимостью более 20 рег. т снабжается Информацией об остойчивости и прочности, содержащей сведения об остойчивости в нескольких типовых случаях загрузки судна и данные для расчетов в нетиповых случаях. Формы бланков для таких расчетов приводятся в Информации.

С полученными на основании расчетов значениями D и моментом М_z относительно продольной оси входят в график предельных контрольных моментов. Если точка, соответствующая полученным D и М_z, располагается на графике ниже предельной кривой — остойчивость судна соответствует требованиям Регистра, если выше — не соответствует. С этого же графика можно снять допустимое значение h.

Следует помнить, что с целью получения более удобного масштаба величин М, график контрольных моментов построен для моментов относительно некоторой условной плоскости расчета, возвышающейся над килем на величину z_o.

Значение z_o дается в Информации. Поскольку расчет М_z на судне ведут от киля, входить в график контрольных моментов надо со значением М_z, уменьшенным на величину Dz_o.

Д ля полного суждения об остойчивости судна следует построить диаграмму статической остойчивости для конкретного случая загрузки. Сняв с диаграммы предельных моментов значение h, соответствующее имеющемуся значению M_z, и зная величину D, на универсальной диаграмме статической остойчивости, приводимой в Информации, находят луч h и кривую D. Расстояние между ними по вертикали будет равно значению l для соответствующего угла Q. Последовательно снимая l для углов Q = 10^o, 20^o и т, д., строят диаграмму статической остойчивости (pиc. 2.8)

Иногда вместо D на универсальной диаграмме наносят кривые дедвейта.

Требования к остойчивости судна изложены в 4-й части “Остойчивости” правил классификации и постройки морских судов Регистра(7).

Согласно требований этих правил остойчивость судна проверяется по критерию погоды К; регламентируются также величина исправленной начальной поперечной метацентрической высоты и числовые значения параметров диаграммы статической остойчивости судна. Нормируется также аварийная остойчивость. Остойчивость сухогрузного судна должна быть дополнительно проверена по критерию ускорения.

Остойчивость судна проверяется по пяти параметрам, регламентируемым правилами регистра. Так, остойчивость судна считается достаточной если:

А) критерий погоды К ≥ 1; К =Мопр / Мкр

Б) максимальное плечо диаграммы статической остойчивости lmax ≥ 0,25м для судов с L ≤ 80м и lmax ≥ 0,20 для судов с L ≥ 105м;

В) угол максимума диаграммы статической остойчивости Qm ≥ 30°;

Г) угол заката диаграммы статической остойчивости Qзак ≥ 60°;

Д) начальная метацентрическая высота положительна, т.е. h > 0.

Для сухогрузного судна проверяется его остойчивость по критерию ускорения.

Остойчивость по критерию ускорения К* считается приемлемой, если в рассматриваемом состоянии погрузки расчетное ускорение a_расч (в долях)не привышает допустимого значения, т.е. соблюдается условие:

.

Для судов, перевозящих сыпучие грузы, и некоторых других типов судов (пассажирские, лесовозы, буксиры и т.д.) необходимо проверить выполнение дополнительных требований, изложенных в разделе 3 части 4 правил.