Ниже угол бортовой качки обозначен θ , а килевой − ψ . Вертикальное, продольно- и поперечно-горизонтальное перемещения представлены соответственно как ζ , ξ ,η .

Основными видами качки считают бортовую, килевую и вертикальную. Продольно-горизонтальные, поперечногоризонтальные колебания и рыскание судна относят к

дополнительным видам качки.

При анализе поведения судна в условиях волн оно рассматривается как динамическая система (или звено, или фильтр), входным сигналом которой является волновое воздействие, а выходным − тот или иной параметр реакции судна. Вид преобразования сигнала в звене (вид звена) и/или параметры этого преобразования для разных выходных сигналов различны. Например, как преобразователь воздействий волн в основные виды качки судно является устойчивой колебательной системой. Если кратковременное возмущение выводит эту систему из равновесия, то после его прекращения в системе возникают затухающие колебания, называемые свободными или собственными колебаниями системы (звена).

Когда воздействие на колебательную систему производится с частотой, близкой к частоте ее собственных колебаний, то возникает резонанс − резкое увеличение амплитуды колебаний.

Как преобразователь воздействий волн в дополнительные виды качки судно представляет собой реальное интегрирующее звено, имеющее безразличный вид равновесия. После прекращения воздействия на такую систему она занимает новое положение равновесия и остается в нем до тех пор, пока не появится очередное воздействие. Собственных колебаний в этой системе нет, и явление резонанса в ней не возникает.

1.2. Опасности штормового плавания

Сильное волнение является серьезным препятствием для плавания судов среднего и особенно малого тоннажа. Оно может стать причиной повреждений этих судов и перевозимого ими груза. На крупнотоннажные морские суда с мощными двигателями штормовая погода влияет гораздо меньше. Однако

12

и для них в условиях сильного волнения складываются опасные ситуации. При плавании судна в шторм могут наблюдаться уменьшение остойчивости, чрезмерные ускорения, днищевой и бортовой слеминг, заливание носовой части судна и прием больших масс воды на палубу, периодическое оголение лопастей гребного винта, повышенная вибрация, дополнительные напряжения в конструкциях корпуса. Все эти проблемы связаны с волнением моря и качкой судна, в первую очередь с ее основными видами: бортовой, килевой и вертикальной.

1.2.1.Особенности качки.

Всудовождении при рассмотрении угловых колебаний судна на волнении выделяют бортовую, килевую и бортовую с килевой (смешанную) качку. Для того чтобы судно обладало хорошей мореходностью, его качка должна быть плавной и умеренной. Кроме того, на мореходность судна влияет и разность фаз колебаний судна и волнения, которая может быть благоприятной или ухудшать ситуации.

Бортовая качка. Формы корпуса судов, соотношения их собственных частот и обычных частот волнения моря, как правило, таковы, что бортовые колебания является самым опасным видом качки. Чрезмерная бортовая качка несет непосредственную опасность возникновения аварийных

ситуаций. Чаще всего неблагоприятны в отношении размаха накренений курсовые углы к волне, близкие к 900. Однако необходимо отметить, что у судов с малой метацентрической высотой большая бортовая качка может возникнуть на

попутном волнении ( q =135 ÷ 2250 ), особенно когда длина

судна близка к длине волны. У ряда судов при q = 900

бортовые колебания при отсутствии резонанса могут быть умеренными (судно легко всходит на волну и опускается к ее подошве без больших углов крена).

Когда судно в шторм располагается лагом к волне, опасен резонанс бортовой качки. В этом случае колебания судна отстают по фазе на 900 от волнения. При таком условии на

13

склоне волны (рис. 1.2, б) к инерционному моменту ΜИ добавляется значительный кренящий момент ΜK от смещения

центра величины C , что приводит к увеличению скорости и амплитуды качки. В процессе качки, двигаясь по склону волны, судно достигает максимального крена на наветренный борт у подошвы волны (рис. 1.2, в). Следующая волна обрушивает на палубу большую массу воды, резко увеличивает крен, ударяет по палубным объектам, может привести к их повреждению и нарушению водонепроницаемости закрытий трюмов. Прием воды на палубу приводит к повышению центра тяжести G судна и уменьшению его остойчивости. При чрезмерных накренениях судно может перевернуться. Опрокидывание судов при шторме относится к самым тяжелым авариям, так как происходит почти мгновенно и обычно сопровождается гибелью всего экипажа.

Рис. 1.2. Схема бортовой резонансной качки

Вследствие сдвига фаз между вертикальной качкой и волнением средние за период значения кренящего момента на один и другой борта судна оказываются различными. Это приводит к несимметрии качки, при которой среднее положение судна отклонено от вертикали. В наибольшей мере несимметричной качке подвержены суда с высоким расположением центра тяжести. У них постоянная составляющая накренений наблюдается в сторону бега волн.

Большие ускорения и углы бортовой качки могут быть причиной повреждений грузов и их смещения. С целью уменьшения интенсивности бортовой качки при постройке ряд судов снабжается скуловыми килями, либо другими стабилизирующими устройствами, которые увеличивают демпфирование качки.

14

У судов с нормальной остойчивостью бортовая качка обычно минимальна при встречном и попутном волнении.

Килевая качка. По отношению к килевой качке влияние курсового угла волн обратное в сравнении с бортовыми колебаниями. На волнении с носа или с кормы килевая качка наиболее интенсивна и мала при бортовых курсовых углах волн. Амплитуда килевой качки возрастает при резонансе и при близости длины волны к длине судна, однако больших значений она не достигает. Во время резонанса килевая качка отстает по фазе на 900 от волнения. На гребне волны судно «задирает» нос, а затем изменяет дифферент на нос, который достигает максимума на подошве волны. В это время следующая волна накатывает большую массу воды на палубу. «Зарываясь» в волну, судно испытывает значительные нагрузки на корпус и теряет скорость. Сама по себе килевая качка не угрожает безопасности судна, опасны сопутствующие ей явления. При встречном волнении существенно возрастает сопротивление движению судна, сильны удары волн, повышены забрызгивание

изаливание палубы, могут наблюдаться оголение гребного винта, слеминг, возникают значительные изгибающие моменты

идругие проблемы. При курсе по волне возможны опасное понижение остойчивости, ухудшение управляемости судна.

Бортовая с килевой качка возникает при косых курсовых углах волнения. При отсутствии резонанса амплитуда бортовой качки здесь меньше, чем при положении судна лагом к волне. Соответственно уменьшается и амплитуда килевых колебаний по сравнению с качкой на встречных и попутных волнах. Когда судно испытывает чрезмерную бортовую качку при волнении в борт или сильную килевую качку на встречном волнении, то для уменьшения опасности нередко изменяют курс с расчетом направления волны в скулу судна. В условиях смешанной качки появляются динамически изменяющиеся крутящие моменты на корпусе судна, которые при сильном волнении могут вызвать

повреждения судов с большим раскрытием палубы. При курсовых углах волнения от 1200 до 1700 наблюдается максимальная амплитуда волнового рыскания судна относительно удерживаемого курса.

15

Резонансные явления. Интенсивность бортовой, килевой, вертикальной качки резко возрастает в условиях резонанса. При продольно-горизонтальной, поперечно-горизонтальной качке и рыскании это явление не возникает. Различают основной и параметрический резонанс качки.

При основном резонансе амплитуда качки достигает максимального значения, когда частота ωK (период TK ) собственных колебаний судна равна кажущейся средней частоте

качки) кажущейся частотой волнения или показателем резонанса. Для бортовой качки этот показатель будет

обозначаться εθ , для килевой и вертикальной − εψ , εζ соответственно. Периоды Tθ , Tψ , Tζ собственных бортовых,

килевых и вертикальных колебаний судна приближенно оцениваются по формулам:

«Информации об остойчивости для капитана судна». Вследствие близости периодов Tψ и Tζ , резонанс килевой

качки обычно сопровождается резонансом вертикальных колебаний. Значительное увеличение амплитуды качки

возникает не только при равенстве, но и близости εK единице.

Обычно это наблюдается, когда показатель резонанса лежит в диапазоне от 0,7 до 1,3. Поэтому условием основного резонанса качки (бортовой, килевой, вертикальной) является:

0,7 < εK <1,3.

Максимуму резонансных явлений соответствует значение εK =1. Под резонансной зоной понимается область значений курса и скорости судна, в которой показатель резонанса

16

находится в пределах (0,7÷1,3). Существует определенная зависимость между отношением периодов (частот) и разностью фаз колебаний судна и волн. При резонансе разность фаз этих

колебаний составляет 900. Когда εK больше 1,3, смещение между фазами качки и волн меньше 900; если εK < 0,7 , то

больше 900.

Параметрический резонанс представляет собой явление быстрого возрастания углов бортовой качки. Он появляется, когда кажущийся период волнения близок к половине периода собственных бортовых колебаний судна и центр тяжести (ЦТ) судна достаточно удален от плоскости действующей ватерлинии. Если же ЦТ расположен вблизи этой плоскости, то качка параметрического типа обычно не возникает. Особая опасность параметрического резонанса заключается в том, что на фоне благополучного штормования накренения большой амплитуды могут возникнуть неожиданно при прохождении

группы волн с периодом, близким к 0,5Tθ . В морской практике

известны случаи возрастания при параметрическом резонансе амплитуды качки от 150 до 500 меньше, чем за 6 минут. Условием параметрического резонанса обычно считается

1,6 <εθ < 2,4 , а его максимум приходится на значение εθ = 2 .

Чрезмерные ускорения. В условиях килевой качки, особенно при резонансе, могут наблюдаться высокие уровни вертикальных ускорений центра судна, бака и кормы, приводящие к росту амплитуды вертикального изгибающего момента на корпусе и увеличивающие износ его конструкций. При косых и бортовых курсовых углах волнения значительны как вертикальные, так и боковые ускорения в движении судна. Совместно с накренениями они приводят к увеличениям напряжений в креплениях грузов и могут явиться причиной смещения сыпучих грузов. Чрезмерные ускорения нарушают нормальный режим работы судового оборудования, способствуют смещению груза, ухудшают условия работы экипажа. Для уменьшения величины ускорений обычно намеренно снижается скорость судна. Необходимость в этом диктуется либо условием смещения груза, или величиной

17