Глава 6. Качка

§ 55. Качка. Основные понятия и определения

Качкой называется совокупность колебательных движений около положения рав-новесия совершаемых судном под действием внешних сил. Различают:

• бортовую качку, при которой колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна;

• килевую качку, при которой колебания совершаются вокруг поперечной оси, проходящей через центр тяжести;

• вертикальную качку, когда колебания совершаются вдоль вертикальной оси относительно плоскости ватерлинии статического равновесия.

Практически судно почти всегда испытывает одновременно и бортовую, и киле-вую, и вертикальную качку.

Рисунок 78

Возможности движения судна (степени свободы):

1 – продольная ось, 2 – движение судна вперед, 3 – бортовая качка, 4 – поперечная ось,

5 – поперечное движение (дрейф), 6 – килевая качка, 7 – вертикальная ось, 8 – вертикальная качка,

9 – рыскание.

Почему нужно знать, как поведет себя судно при качке? Качка имеет целый ряд вредных для судна последствий:

o в результате качки может появиться опасный для судна угол крена; что может при-вести к потере остойчивости и опрокидыванию судна;

o возможен срыв груза с места, а также срыв механизмов с фундаментов;

o из-за инерционных сил корпус судна получает очень значительные дополнитель-ные нагрузки, что может привести к разрушению корпусных конструкций;

o килевая качка обычно приводит к заливанию палубы, что опасно для судов с низ-ким надводным бортом, так как вызывает дополнительные изгибающие нагрузки; кроме того это может привести к проникновению воды внутрь корпуса через гру-зовые люки и двери надстроек;

o при качке резко ухудшается работа судовых механизмов и приборов из-за дополни-тельных динамических нагрузок4

o качка очень затрудняет управление судном и обслуживание судовых механизмов;

o при качке уменьшается скорость хода судна и увеличивается расход топлива, так как увеличивается сопротивление воды, и ухудшаются условия работы двигателя

o наконец, качка негативно влияет на самочувствие людей, что, например, для кру-изных судов является еще и экономически очень важным фактором.

Изучение качки очень важно для обеспечения безопасности плавания судна.

Качка характеризуется следующими параметрами:

• амплитудой – максимальным отклонением от положения равновесия, кото-рая измеряется в углах, то есть в градусах, при бортовой и килевой качках и в метрах при вертикальной качке;

• периодом качки – временем совершения одного полного колебания.

Различают свободные и вынужденные колебания. Свободные колебания – это качка на тихой воде, вынужденная качка вызывается внешним воздействием – ветровой волной.

§ 56. Качка на тихой воде

Если судно, находящееся на тихой воде, наклонить внешними силами, а затем уб-рать действие этих сил, то судно начнет возвращаться в исходное положение под действи-ем восстанавливающего момента. По инерции оно перейдет положение равновесия и от-клонится в противоположную сторону. Затем под действием опять же восстанавливающе-го момента начнет поворачиваться к положению равновесия, опять перейдет его по инер-ции и т.д. то есть судно будет совершать колебательные движения около положения ста-тического равновесия, то есть – качаться. Так как сопротивление воды оказывает противо-действие любому перемещению, то амплитуда этих колебаний будет постоянно умень-шаться, то есть колебания будут затухающими.

Качка на тихой воде вызывается действием восстанавливающего момента. коле-бания судна при этом будут свободными колебаниями.

При вертикальной качке свободные колебания вызываются неравенством в отдель-ные моменты сил тяжести судна и поддержания.

Свободные колебания всегда затухающие, то есть амплитуда их все время умень-шается, хотя период остается постоянным.

Время оного полного колебания или период свободной бортовой качки можно рас-считать по формуле:

(203)

где В – ширина судна в метрах,

h – поперечная метацентрическая высота в метрах,

k – коэффициент, имеющий весьма устойчивое значение для судов определенного класса и мало изменяющийся при изменении осадки судна.

Для судов внутреннего плавания классов «О» и «М» его можно принять равным следующим значениям, учитывая, что меньшие значения соответствуют судну груженно-му, большие – порожнему судну:

Пассажирские суда 0,83 – 0,86

Грузовые суда 0,75 – 0,85

Буксиры-толкачи 0,62 – 0,72

Следует отметить, что формулу (203) можно использовать для приближенного расчета метацентрической высоты и аппликаты центра тяжести судна по замеренному пе-риоду бортовой качки судна . для этого судно раскачивают путем перебежек команды с борта на борт до получения амплитуды бортовой качки порядка 5º. Тогда, преобразовав выражение (203) можно рассчитать метацентрическую высоту судна:

(204)

Проанализировав выражения (203) и (204), можно сделать вывод, что период сво-бодной бортовой качки зависит от величины поперечной метацентрической высоты. Он уменьшается при увеличении метацентрической высоты, то есть по мере увеличения остойчивости качка судна становится более стремительной. Стремительная качка осо-бенно тяжело переносится людьми, корпус судна получает гораздо более весомые нагруз-ки, поэтому при проектировании судна стремятся руководствоваться принципом разумной достаточности: остойчивость судна должна быть достаточной при умеренной плавности качки.

Период килевой качки можно определить по формуле:

(205)

где Т и В – главные размерения судна в метрах,

α и δ – коэффициенты полноты судна.

Период свободной вертикальной качки можно приближенно определить по форму-ле:

(206)