Как называется груз для устойчивости судна. Поперечная остойчивость. Поперечное горизонтальное перемещение груза

В теории поперечной остойчивости рассматриваются наклонения судна, происходящие в плоскости миделя, причем внешний момент, называемый кренящим моментом, также действует в плоскости миделя.

Не ограничиваясь пока малыми наклонениями судна (они будут рассмотрены как частный случай в разделе «Начальная остойчивость»), рассмотрим общий случай накренения судна от действия постоянного во времени внешнего кренящего момента. На практике такой кренящий момент может возникать, например, от действия постоянного по силе ветра, направление которого совпадает с поперечной плоскостью судна – плоскостью миделя. При воздействием этого кренящего момента судно имеет постоянный крен на противоположный борт, величина которого определяется силой ветра и восстанавливающим моментом со стороны судна.

В литературе по теории судна принято совмещать на рисунке сразу два положения судна – прямое и с креном. Накрененному положению соответствует новое положение ватерлинии относительно судна, которому соответствует постоянный погруженный объем, однако, форма подводной части накрененного судна уже не обладает симметрией: правый борт погружен больше левого (Рис.1).

Все ватерлинии, соответствующие одному значению водоизмещения судна (при постоянном весе судна) принято называть равнообъемными .

Точное изображение на рисунке всех равнообъемных ватерлиний сопряжено с большими сложностями расчетного характера. В теории судна существует несколько методик для графического изображения равнообъемных ватерлиний. При очень малых углах крена (при бесконечно малых равнообъемных наклонениях) можно воспользоваться следствием из теоремы Л. Эйлера, согласно которому две равнообъемные ватерлинии, отличающиеся на бесконечно малый угол крена, пересекаются по прямой, проходящей через их общий центр тяжести площади (при конечных наклонениях это утверждение теряет силу, поскольку каждая ватерлиния имеет свой центр тяжести площади).

Если отвлечься от реального распределения сил веса судна и гидростатического давления, заменив их действие сосредоточенными равнодействующими, то приходим к схеме (Рис.1). В центре тяжести судна приложена сила веса, направленная во всех случаях перпендикулярно к ватерлинии. Параллельно ей действует сила плавучести, приложенная в центре подводного объема судна – в так называемом центре величины (точка С ).

Вследствие того, что поведение (и происхождение) этих сил не зависят друг от друга, они уже не действуют вдоль одной линии, а образуют пару сил, параллельных и перпендикулярных действующей ватерлинии В 1 Л 1 . В отношении силы веса Р можно сказать, что она остается вертикальной и перпендикулярной поверхности воды, а накрененное судно отклоняется от вертикали, и лишь условность рисунка требует отклонять вектор силы веса от диаметральной плоскости. Специфику такого подхода легко себе уяснить, если представить ситуацию с закрепленной на судне видеокамерой, дающей на экране поверхность моря, наклоненную на угол, равный углу крена судна.

Полученная пара сил создаёт момент, который принято называть восстанавливающим моментом . Этот момент противодействует внешнему кренящему моменту и является главным объектом внимания в теории остойчивости.

Величина восстанавливающего момента может быть вычислена по формуле (как для любой пары сил) как произведение одной (любой из двух) силы на расстояние между ними, называемое плечом статической остойчивости :

Формула (1) указывает на то, что и плечо и сам момент зависят от угла крена судна, т.е. представляют собой переменные (в смысле крена) величины.

Однако, не при всех случаях направление восстанавливающего момента будет соответствовать изображению на Рис.1.

Если центр тяжести (в результате особенностей размещения грузов по высоте судна, например, при избытке груза на палубе) оказывается довольно высоко, то может возникнуть ситуация, когда сила веса окажется справа от линии действия силы поддержания. Тогда их момент будет действовать в противоположном направлении и будет способствовать накренению судна. Вместе с внешним кренящим моментом они будут опрокидывать судно, поскольку других противодействующих моментов больше нет.

Ясно, что в этом случае следует оценивать эту ситуацию как недопустимую, т. к. судно остойчивостью не обладает. Следовательно, при высоком положении центра тяжести судно может терять это важное мореходное качество – остойчивость.

На морских водоизмещающих судах возможность осуществлять воздействие на остойчивость судна, «управлять» ею, предоставляется судоводителю только путем рационального размещения грузов и запасов по высоте судна, определяющих положение центра тяжести судна. Как бы то ни было, влияние членов экипажа на положение центра величины исключено, поскольку оно связано с формой подводной части корпуса, которая (при постоянном водоизмещении и осадке судна) неизменна, а при наличии крена судна изменяется без участия человека и зависит только от осадки. Влияние человека на форму корпуса заканчивается на стадии проектирования судна.

Таким образом, очень важное для безопасности судна положение центра тяжести по высоте находится в «сфере влияния» экипажа и требует постоянного контроля посредством специальных вычислений.

Для расчетного контроля наличия у судна «положительной» остойчивости используется понятие метацентра и начальной метацентрической высоты.

Поперечный метацентр – это точка, являющаяся центром кривизны той траектории, по которой центр величины перемещается при накренении судна.

Следовательно, метацентр (так же как и центр величины) является специфической точкой, поведение которой исключительно определяется лишь геометрией формы судна в подводной части и его осадкой.

Положение метацентра, соответствующее посадке судна без крена, принято называть начальным поперечным метацентром .

Расстояние между центром тяжести судна и начальным метацентром в конкретном варианте загрузки, измеренное в диаметральной плоскости (ДП), называется начальной поперечной метацентрической высотой .

На рисунке видно, что чем ниже располагается центр тяжести по отношению к постоянному (для данной осадки) начальному метацентру, то тем больше будет метацентрическая высота судна, т.е. тем больше оказывается плечо восстанавливающего момента и сам этот момент.

Таким образом, метацентрическая высота является важной характеристикой, служащей для контроля наличия у судна остойчивости. И чем больше её величина, тем больше при тех же углах крена будет величина восстанавливающего момента, т.е. противодействие судна накренению.

При малых накренениях судна метацентр приблизительно находится на месте начального метацентра, поскольку траектория центра величины (точки С ) близка к окружности, и её радиус постоянен. Из треугольника с вершиной в метацентре вытекает полезная формула, справедливая при малых углах крена (θ <10 0 ÷12 0):

где угол крена θ следует использовать в радианах.

Из выражений (1) и (2) легко получить выражение:

которое показывает, что плечо статической остойчивости и метацентрическая высота не зависят от веса судна и его водоизмещения, а представляют собой универсальные характеристики остойчивости, с помощью которых можно сравнивать остойчивость судов разных типов и размеров.

Так для судов с высоким положением центра тяжести (лесовозы) начальная метацентрическая высота принимает значения h 0 ≈ 0 – 0,30 м, для сухогрузных судов h 0 ≈ 0 – 1,20 м, для балкеров, ледоколов, буксиров h 0 > 1,5 ÷ 4,0 м.

Однако, метацентрическая высота отрицательных значений принимать не должна. Формула (1) позволяет сделать другие важные выводы: поскольку порядок величин восстанавливающего момента определяется в основном величиной водоизмещения судна Р , то плечо статической остойчивости является «управляющей величиной», влияющей на диапазон изменения момента М в при данном водоизмещении. И от малейших изменений l (θ) за счет неточностей его вычисления или погрешностей исходной информации (данные, снимаемые с судовых чертежей, либо замеряемые параметры на судне) существенно зависит величина момента М в , определяющего способность судна сопротивляться наклонениям, т.е. определяющего его остойчивость.

Таким образом, начальная метацентрическая высота играет роль универсальной характеристики остойчивости , позволяющей судить о её наличии и величине безотносительно от размеров судна.

Если проследить за механизмом остойчивости при больших углах крена, то проявятся новые особенности восстанавливающего момента.

При произвольных поперечных наклонениях судна кривизна траектории центра величины С изменяется. Эта траектория – уже не окружность с постоянным радиусом кривизны, а является некой плоской кривой, имеющей в каждой своей точке разные значения кривизны и радиуса кривизны. Как правило, этот радиус с креном судна увеличивается и поперечный метацентр (как начало этого радиуса) выходит из диаметральной плоскости и перемещается по своей траектории, отслеживая перемещения центра величины в подводной части судна. При этом, разумеется, само понятие метацентрической высоты становится неприменимым, и лишь восстанавливающий момент (и его плечо l (θ)) остаются единственными характеристиками остойчивости судна при больших наклонениях.

Однако, при этом начальная метацентрическая высота не теряет своей роли быть основополагающей исходной характеристикой остойчивости судна в целом, поскольку от её величины, как от некоего «коэффициента масштаба» зависит порядок величин восстанавливающего момента, т.е. её косвенное влияние на остойчивость судна на больших углах крена сохраняется.

Итак, для контроля остойчивости судна, осуществляемого перед загрузкой, необходимо на первом этапе оценить значение начальной поперечной метацентрической высоты h 0 , пользуясь выражением:

где z G и z M 0 – аппликаты центра тяжести и начального поперечного метацентра, соответственно, отсчитываемые от основной плоскости, в которой располагается начало связанной с судном системы координат ОХYZ (Рис. 3).

Выражение (4) одновременно отражает степень участия судоводителя в обеспечении остойчивости. Выбирая и контролируя положение центра тяжести судна по высоте, экипаж обеспечивает остойчивость судна, а все геометрические характеристики, в частности, Z M 0 , должны быть предоставлены проектантом в виде графиков от осадки d, называемых кривыми элементов теоретического чертежа .

Дальнейший контроль остойчивости судна производится по методике Морского Регистра судоходства (РС) или по методике Международной Морской Организации (ИМО).

Плечо восстанавливающего момента l и сам момент М в имеют геометрическую интерпретацию в виде Диаграммы статической остойчивости (ДСО) (Рис.4). ДСО – это графическая зависимость плеча восстанавливающего момента l (θ) или самого момента М в (θ) от угла крена θ .

Этот график, как правило, изображают для крена судна только на правый борт, поскольку вся картина при крене на левый борт для симметричного судна отличается только знаком момента М в (θ).

Значение ДСО в теории остойчивости очень велико: это не только графическая зависимость М в (θ); ДСО содержит в себе исчерпывающую информацию о состоянии загрузки судна с точки зрения остойчивости. ДСО судна позволяет решать многие практические задачи в данном рейсе и является отчетным документом для возможности начать загрузку судна и отправку его в рейс.

В качестве свойств ДСО можно отметить следующие:

ДСО конкретного судна зависит только от взаимного расположения центра тяжести судна G и начального поперечного метацентра m (или значением метацентрической высотой h 0 ) и водоизмещением Р (или осадкой d ср ) и учитывает наличие жидких грузов и запасов с помощью специальных поправок,
форма корпуса конкретного судна проявляется в ДСО через плечо l (θ), жестко связанное с формой обводов корпуса, которое отражает смещение центра величины С в сторону входящего в воду борта при накренении судна,.
метацентрическая высота h 0 , вычисленная с учетом влияния жидких грузов и запасов (см. ниже), проявляется на ДСО как тангенс угла наклона касательной к ДСО в точке θ = 0, т.е.:

Для подтверждения правильности построения ДСО на ней делают построение: откладывают угол θ = 1 рад (57,3 0) и строят треугольник с гипотенузой, касательной к ДСО при θ = 0, и горизонтальным катетом θ = 57,3 0 . Вертикальный (противолежащий) катет должен оказаться равным метацентрической высоте h 0 в масштабе оси l (м).

никакие действия не могут изменить вида ДСО, кроме изменения величин исходных параметров h 0 и Р , поскольку ДСО отражает в каком-то смысле неизменную форму корпуса судна посредством величины l (θ);
метацентрическая высота h 0 фактически определяет вид и протяженность ДСО.

Угол крена θ = θ 3 , при котором график ДСО пересекает ось абсцисс, называется углом заката ДСО. Угол заката θ 3 определяет только то значение угла крена, при котором сила веса и сила плавучести будут действовать вдоль одной прямой и l (θ 3) = 0. Судить об опрокидывании судна при крене

θ = θ 3 не будет верным, поскольку опрокидывание судна начинается гораздо раньше – вскоре после преодоления максимальной точки ДСО. Точка максимума ДСО (l = l m (θ m)) свидетельствует только о максимальном удалении силы веса от силы поддержания. Однако, максимальное плечо l m и угол максимума θ m являются важными величинами при контроле остойчивости и подлежат проверке на соответствие соответствующим нормативам.

ДСО позволяет решать многие задачи статики судна, например, определять статический угол крена судна при действии на него постоянного (независящего от крена судна) кренящего момента М кр = const. Этот угол крена может быть определен из условия равенства кренящего и восстанавливающего моментов М в (θ) = М кр . Практически эта задача решается как задача по нахождению абсциссы точки пересечения графиков обоих моментов.

Диаграмма статической остойчивости отражает возможность судна создавать восстанавливающий момент при наклонении судна. Её вид имеет строго конкретный характер, соответствующий параметрам загрузки судна только в данном рейсе (Р = Р i , h 0 = h 0 i ). Судоводитель, занимающийся на судне вопросами планирования рейса погрузки и расчетами остойчивости, обязан построить конкретную ДСО для двух состояний судна в предстоящем рейсе: с неизменным первоначальным расположением груза и при 100 % и при 10 % судовых запасов.

Чтобы иметь возможность строить диаграммы статической остойчивости при различных сочетаниях водоизмещения и метацентрической высоты, он пользуется вспомогательными графическими материалами, имеющимися в судовой документации по проекту этого судна, например, пантокаренами, либо универсальной диаграммой статической остойчивости.

Пантокарены поставляются на судно проектировщиком в составе информации об остойчивости и прочности для капитана. представляют собой универсальные графики для данного судна, отражающие форму его корпуса в части остойчивости.

Пантокарены (Рис. 6) изображены в виде серии графиков (при разных углах крена (θ = 10,20,30,….70˚)) в зависимости от веса судна (или его осадки) некоторой части плеча статической остойчивости, называемой плечом остойчивости формы – l ф (Р , θ ).

Плечо формы – это расстояние, на которое переместится сила плавучести относительно исходного центра величины C ο при крене судна (Рис. 7). Понятно, что это смещение центра величины связано только с формой корпуса и не зависит от положения центра тяжести по высоте. Набор значений плеча формы при разных углах крена (при конкретном весе судна Р=Р i ) снимают с графиков пантокарен (Рис. 6).

Чтобы определить плечи остойчивости l (θ) и построить диаграмму статической остойчивости в предстоящем рейсе необходимо дополнить плечи формы – плечами веса l в , которые легко рассчитать:

Тогда ординаты будущей ДСО получаются по выражению:

Выполнив вычисления для двух состояний нагрузки (Р зап. = 100% и 10%), строят на чистом бланке две ДСО, характеризующих остойчивость судна в этом рейсе. Остается выполнить проверку параметров остойчивости на их соответствие национальным или международным нормативам по остойчивости морских судов.

Существует второй способ построения ДСО, использующий универсальную ДСО данного судна (зависит от наличия на судне конкретных вспомогательных материалов).

Универсальная ДСО (Рис.6а) объединяет в себе преобразованные пантокарены для определения l ф и графики плеч веса l в (θ). Чтобы упростить вид графических зависимостей l в (θ) (см. формулу (6)) потребовалось сделать замену переменной q = sin θ , в результате синусоидальные кривые l в (θ) трансформировались в прямые линии l в (q (θ)). Но чтобы это осуществить, необходимо было принять неравномерную (синусоидальную) шкалу по оси абсцисс θ .

На универсальной ДСО, представляемой проектантом судна, имеются оба вида графических зависимостей – l ф (Р,θ ) и l в (z G ,θ ). В связи с изменением оси абсцисс, графики плеча формы l ф уже не похожи на пантокарены, хотя заключают в себе тот же объем информации о форме корпуса, что и пантокарены.

Для использования универсальной ДСО необходимо с помощью измерителя снять с диаграммы расстояния по вертикали между кривой l ф (θ, Р *) и кривой l в (θ, z G *) для нескольких значений угла крена судна θ = 10, 20, 30, 40 … 70 0 , что будет соответствовать применению формулы (6а). А затем на чистом бланке ДСО выстроить эти величины как ординаты будущей ДСО и соединить точки плавной линией (ось углов крена на ДСО теперь уже принимается с равномерной шкалой).

В обоих случаях, и при использовании пантокарен, и при использовании универсальной ДСО, конечная ДСО должна получаться одинаковой.

На универсальной ДСО иногда присутствует вспомогательная ось метацентрической высоты (справа), которая облегчает построение конкретной прямой со значением z G * : соответствующим некоторому значению метацентрической высоты h 0 * , поскольку

Обратимся теперь к способу определения координат центра тяжести судна X G и Z G . В информации об остойчивости судна всегда можно найти координаты центра тяжести порожнего судна абсциссу x G 0 и ординату z G 0 .

Произведения веса судна на соответствующие координаты центра тяжести называются статическими моментами водоизмещения судна относительно плоскости миделя (М х ) и основной плоскости (М z ); для порожнего судна имеем:

Для загруженного судна эти величины можно вычислить, если суммировать соответствующие статические моменты для всех грузов, запасов в цистернах, балласта в балластных цистернах и порожнего судна:

Для статического момента М Z необходимо добавить специальную положительную поправку, учитывающую опасное влияние свободных поверхностей жидких грузов, запасов и балласта, имеющуюся в таблицах цистерн судна, ∆М Zh :

Эта поправка искусственно увеличивает значение статического момента, чтобы получались худшие значения метацентрической высоты, тем самым расчет ведется с запасом в безопасную сторону.

Разделив теперь статические моменты М Х и M Z испр на полный вес судна в данном рейсе, получаем координаты центра тяжести судна по длине (X G ) и исправленную (Z G испр ), которую далее используют для вычисления исправленной метацентрической высоты h 0 испр :

и затем – для построения ДСО. Величина Z mo (d) снимается с кривых элементов теоретического чертежа для конкретной средней осадки.

Остойчивость судна при малых углах наклонения (θ менее 120) называется начальной, в этом случае восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена.

Рассмотрим равнообъемные наклонения судна в поперечной плоскости.

При этом будем полагать, что:

угол наклонения θ является небольшим (до 12°);

участок кривой СС1 траектории ЦВ является дугой круга, лежащей в плоскости наклонения;

линия действия силы плавучести в наклонном положении судна проходит через начальный метацентр m.

При таких допущениях полный момент пары сил (сил веса и плавучести) действует в плоскости наклонения на плече GK, которое называется плечом статической остойчивости, а сам момент - восстанавливающим моментом и обозначается Мв.

Мв = Рhθ.

Эта формула носит название метацентрической формулы поперечной остойчивости.

При поперечных наклонениях судна на угол, превышающий 12°, пользоваться вышеприведенным выражением не представляется возможным, так как центр тяжести площади наклонной ватерлинии смещается с диаметральной плоскости, а центр величины перемещается не по дуге окружности, а по кривой переменной кривизны, т. е. метацентрический радиус изменяет свою величину.

Для решения вопросов остойчивости на больших углах крена используют диаграмму статической остойчивости (ДСО) , представляющую собой график,выражающий зависимость плеч статической остойчивости от угла крена.

Диаграмма статической остойчивости строится при помощи пантокарен – графики зависимости плеч остойчивости формы lф от объемного водоизмещения судна и угла крена. Пантокарены конкретного судна строятся в конструкторском бюро для углов крена от 0 до 900 для водоизмещений от порожнего судна до водоизмещения судна в полном грузу (находятся на судне – таблицы кривых элементов теоретического чертежа).

Рис - а - пантокарены; б - графики для определения плеч статической остойчивости l

Для построения ДСО необходимо:

на оси абсцисс пантокарен отложить точку, соответствующую объемному водоизмещению судна на момент окончания погрузки;

из полученной точки восстановить перпендикуляр и снять с кривых значения lф для углов крена 10, 200 и т. д.;

вычислить плечи статической остойчивости по формуле:

l = lф – a*sinθ = lф – (Zg – Zc) *sinθ,

где a = Zg – Zc (при этом аппликату ЦТ судна Zg находят из расчета нагрузки, отвечающую данному водоизмещению – заполняют специальную таблицу, а аппликату ЦВ Zc - из таблиц кривых элементов теоретического чертежа);

построить кривую lф и синусоиду a*sinθ, разности ординат которых являются плечами статической остойчивости l.

Для построения диаграммы статической остойчивости на оси абсцисс откладывают углы крена θ в градусах, а по оси ординат - плечи статической остойчивости в метрах. Диаграмму строят для определенного водоизмещения.

На рис. показаны определенные состояния судна при различных наклонениях:

положение I (θ = 00) соответствует положению статического равновесия (l= 0);

положение II (θ = 200) − появилось плечо статической остойчивости (1 = 0,2м);

положение III (θ = 370) − плечо статической остойчивости достигло максимума (I = 0,35 м);

положение IV (θ = 600) − плечо статической остойчивости уменьшается (I = 0,22 м);

положение V (θ = 830) − плечо статической остойчивости равно нулю. Судно находится в положении статического неустойчивого равновесия, так как даже небольшое увеличение крена приведет к опрокидыванию судна;

положение VI (θ = 1000) − плечо статической остойчивости становится отрицательным и судно опрокидывается.

Начиная с положений, больших, чем положение III, судно будет не способно самостоятельно вернуться в положение равновесия без приложения к нему внешнего усилия.

Таким образом, судно остойчиво в пределах угла крена от нуля до 83°. Точка пересечения кривой с осью абсцисс, соответствующая углу опрокидывания судна (θ = 830) называется точкой заката диаграммы, а данный угол - углом заката диаграммы.

Максимальный кренящий момент Мкр max , который может выдержать судно не опрокидываясь, соответствует максимальному плечу статической остойчивости.

Пользуясь диаграммой статической остойчивости, можно определить угол крена по известному кренящему моменту М1, возникшему под действием ветра,волнения, смещения груза и т.д. Для его определения проводят горизонтальную линию, выходящую из точки М1, до пересечения с кривой диаграммы, и из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс (θ = 260). Таким же образом решается и обратная задача.

По диаграмме статической остойчивости можно определить величину начальной метацентрической высоты, для нахождения которой необходимо:

из точки на оси абсцисс, соответствующей углу крена 57.3° (один радиан),восстановить перпендикуляр;

из начала координат провести касательную к начальному участку кривой;

измерить отрезок перпендикуляра, заключенный между осью абсцисс и касательной, который в масштабе плеч остойчивости равен метацентрической высоте судна.

Остойчивостью называется способность судна, наклоненного действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться к состоянию равновесия после прекращения действия этих сил.

Наклонения судна могут происходить под действием таких внешних сил, как перемещение, прием или расходование грузов, давление ветра, действие волн, натяжение буксирного троса и пр.

Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, измеряемых углами дифферента, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, поэтому опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает. Но изучение ее необходимо для определения дифферента судна при воздействии внешних сил. Остойчивость, которую судно имеет при поперечных наклонениях, измеряемых углами крена 6, называют поперечной.

Поперечная остойчивость является важнейшей характеристикой судна, определяющей его мореходные качества и степень безопасности плавания. При изучении поперечной остойчивости различают начальную остойчивость (при малых наклонениях судна) и остойчивость на больших углах крена. Начальная остойчивость. При крене судна на малый угол под действием какой-либо из названных внешних сил происходит перемещение ЦВ за счет перемещения подводного объема (рис. 149). Величина образующегося при этом восстанавливающего момента зависит от величины плеча l = GK между силами

веса и поддержания наклоненного судна. Как видно из рисунка, восстанавливающий момент Мв = Dl = Dh sin θ, где h - возвышение точки М над ЦТ судна G , называемое поперечной метацентрической высотой судна . Точка М носит название поперечного метацентра судна.

Рис. 149. Действие сил при крене судна

Метацентрическая высота является важнейшей характеристики остойчивости. Она определяется выражением

h = z c + r - z g ,

где z c - возвышение ЦВ над ОЛ; r - поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; z g - возвышение ЦТ судна над ОЛ.

Значение z g определяют при расчете нагрузки масс. Приближенно можно

принять (для судна с полным грузом) z g = (0,654-0,68) Н , где Н - высота борта на миделе.

Значение z c и r определяют по теоретическому чертежу или (для прикидочных расчетов) по приближенным формулам, например:

где В - ширина судна, м; Т - осадка, м; α - коэффициент полноты ватерлинии; δ - коэффициент общей полноты; К - коэффициент, зависящий от формы ватерлинии и ее полноты и изменяющийся в пределах 0,086 - 0,089.

Из приведенных формул видно, что поперечная остойчивость судна повышается с увеличением В и α; с уменьшением Т и δ; с возвышением ЦВ z c ; с

понижением ЦТ z g . Таким образом, более остойчивы широкие суда, а также суда с низким расположением ЦТ. При понижении ЦТ, т. е. при расположении более тяжелых грузов - механизмов и оборудования - как можно ниже и при

облегчении высокорасположенных конструкций (надстроек, мачт, труб, которые с этой целью иногда изготовляют из легких сплавов) метацентрическая высота увеличивается. И наоборот, при приеме тяжелых грузов на палубу, обледенении надводной части корпуса, надстроек, мачт и т. п., во время плавания судна в зимних условиях остойчивость судна уменьшается.

Опыт кренования . На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют (используя метацентрическую формулу остойчивости) опытным путем - кренованием судна, которое производят на угол 1,5-2 переносом с борта на борт заранее взвешенного груза. Схема опыта кренования показана на рис. 150.

Рис. 150. Схема опыта кренования.

1 - рейка с делениями; 2 - грузик и крылатка; 3 - ванна с водой или маслом; 4 - нить веска; 5 - переносной крепящий груз

Кренящий момент М кр вызывается переносом груза Р на расстояние у : М кр = Ру . По метацентрической формуле остойчивости h = М KP /D θ (sin θ заменен величиной θ ввиду малости угла крена θ). Но θ = d/l , поэтому h = Pyl/Dd.

Значения всех величин, входящих в эту формулу, определяют в процессе опыта кренования. Водоизмещение находят расчетным путем по осадкам, замеренным по маркам углубления.

На небольших судах перенос груза (чугунных чушек, мешков с песком и т. п.) иногда заменяют перебежками людей общей массой около 0,2-0,5 % водоизмещения порожнего судна. Угол крена θ замеряют весками, опущенными в масляные ванны. В последнее время вески заменяют специальными приборами, позволяющими точно замерять угол крена во время опыта кренования (с учетом происходящего при переносе груза раскачивания судна), - так называемыми инклинографами.

По найденной с помощью опыта кренования начальной метацентрической высоте рассчитывают по приведенным выше формулам положение ЦТ построенного судна.

Ниже приведены примерные значения поперечной метацентрической высоты для разных типов судов с полным грузом:

Большие пассажирские суда …………………………… 0,3-1,5

Средние и малые пассажирские суда. . . ……………… 0,6-0,8

Большие сухогрузные суда …………………………….. 0,7-1,0

Средние ………………………………………………….. 0,5-0,8

Большие наливные суда ………………………………… 2,0-4,0

Средние …………………………………………………... 0,7-1,6

Речные пассажирские суда …………………………….... 3,0-5,0

Баржи ……………………………………………………… 2,0-10,0

Ледоколы ……… ………………………………………… 1,5-4,0

Буксиры …………………………………………………… 0,5-0,8

Рыбопромысловые суда …………………………………. 0,7-1,0

Остойчивость на больших углах крена . По мере увеличения угла крена судна восстанавливающий момент сначала растет (рис. 151, а-в), затем уменьшается, становится равным нулю и уже не препятствует, а, наоборот, способствует дальнейшему наклонению судна (рис. 151, г).

Рис. 151. Действие сил при накренении судна на большие углы

Так как водоизмещение D для данного состояния нагрузки остается постоянным, то восстанавливающий момент М в изменяется пропорционально изменению плеча l поперечной остойчивости. Это изменение плеча остойчивости в зависимости от угла крена 8 можно рассчитывать и изображать графически, в виде диаграммы статической остойчивости (рис. 152), которую строят для наиболее характерных и опасных относительно остойчивости случаев нагрузки судна.

Диаграмма статической остойчивости является важным документом, характеризующим остойчивость судна. С ее помощью можно, зная величину действующего на судно кренящего момента, например, от давления ветра, определяемого по шкале Бофорта (табл. 8), или от переноса на борт груза, от принятых несимметрично ДП водяного балласта или запасов топлива и т. п., - найти величину образующегося угла крена в том случае, если этот угол велик (более 10°). Малый угол крена вычисляют без построения диаграммы по приведенной выше метацентрической формуле.

Рис. 152. Диаграмма статической остойчивости

По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту судна, которая равна отрезку между горизонтальной осью и точкой пересечения касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат с вертикалью, проведенной при угле крена, равном одному радиану (57,3°). Естественно, чем круче в начале координат кривая, тем больше начальная метацентрическая высота.

Особенно полезна диаграмма статической остойчивости тогда, когда надо узнать угол крена судна от действия внезапно приложенной силы - при так называемом динамическом действии силы.

Если на судно действует какая-либо статически, т. е. плавно, без рывков, приложенная сила, то образуемый ею кренящий момент создает угол крена, который определяют по диаграмме статической остойчивости (построенной в форме кривой изменения восстанавливающих моментов D (от угла крена) в точке пересечения с кривой горизонтальной прямой, проведенной параллельно горизонтальной оси на расстоянии, равном значению кренящего момента (рис. 153, а). В этой точке (точка А ) кренящий момент от действия статической

Характеристика ветра и морского волнения

силы равен восстанавливающему моменту, возникающему при накренении судна и стремящемуся возвратить накрененное судно в исходное, прямое, положение. Угол крена, при котором кренящий и восстанавливающий моменты равны, и является искомым углом крена от статически приложенной силы.

Если же кренящая сила действует на судно динамически, т. е. внезапно (порыв ветра, рывок буксирного троса и т. п.), то вызываемый ею угол крена определяют по диаграмме статической остойчивости иным образом.

Рис. 153. Определение угла крена от действия статически (а ) и динамически (б ) приложенной силы

Горизонтальную линию кренящего момента, например от действия ветра при шквале, продолжают вправо от точки А (рис. 153, б) до тех пор, пока отсекаемая ею площадь ABC внутри диаграммы не станет равной площади AOD вне ее; при этом угол крена (точка Е) соответствующий положению прямой ВС , является искомым углом крена от действия динамически приложенной силы. Физически это соответствует углу крена, при котором работа кренящего момента (графически изображаемая площадью прямоугольника ODCE ) оказывается равной работе восстанавливающего момента (площадь фигуры ОБЕ ).

Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, чтобы сравняться с площадью фигуры, ограниченной кренящим моментом вне ее, то судно опрокинется. Поэтому одной из главных характеристик диаграммы, свидетельствующих об остойчивости судна, является ее площадь, ограничиваемая кривой и горизонтальной осью. На рис. 154 показаны кривые плеч статической остойчивости двух судов: с большой начальной остойчивостью, но с малой площадью диаграммы (1 ) и с меньшей начальной метацентрической высотой, но с большей площадью диаграммы (2). Последнее судно способно выдержать более сильный ветер, оно более остойчиво. Обычно площадь диаграммы больше у судна с высоким надводным бортом и меньше - с низким.

Рис. 154. Кривые статической остойчивости судна с высоким (1) и с низким (2) надводным бортом

Остойчивость морских судов должна отвечать Нормам остойчивости Регистра СССР, предусматривающим в качестве основного критерия (называемого «критерием погоды») условие: опрокидывающий момент М опр , т. е. минимальный динамически приложенный момент, который при одновременном воздействии бортовой качки и наихудшей загрузке вызывает опрокидывание судна, не должен быть меньше динамически приложенного к судну кренящего момента М кр от давления ветра, т. е. К = М опр /М кр ≥ l,00.

При этом значение опрокидывающего момента находят по диаграмме статической остойчивости по особой схеме, а сопоставляемое с ним значение (в кН∙м) кренящего момента (рис. 155) по формуле М кр = 0,001P в S п z n , где Р в -давление ветра, МПа или кгс/м 2 (определяется по шкале Бофорта в столбце «при шквале» или по таблице Регистра СССР); S n - площадь парусности (площадь боковой проекции надводной части судна), м 2 ; z n - возвышение центра парусности над ватерлинией, м.

При изучении диаграммы статической остойчивости представляет интерес угол, при котором кривая пересекает горизонтальную ось - так называемый угол заката. По Правилам Регистра у морских судов этот угол не должен быть меньше 60°. Эти же Правила требуют, чтобы максимальные значения восстанавливающих моментов на диаграмме достигались при угле крена не менее 30°, а максимальное плечо остойчивости было бы не менее 0,25 м у судов длиной до 80 м и не менее 0,20 м - у судов длиной более 105 м.

Рис. 155. К определению кренящего момента от действия силы ветра

при шквале (площадь парусности заштрихована)

Влияние жидких грузов на остойчивость . Имеющиеся в цистернах жидкие грузы при неполном заполнении цистерн в случае наклонения судна перемещаются в сторону наклонения. Из-за этого в ту же сторону перемещается ЦТ судна (из точки G 0 в точку G) , что приводит к уменьшению плеча восстанавливающего момента. На рис. 156 показано, как плечо остойчивости l 0 при учете смещения жидкого груза уменьшается до l. При этом, чем шире цистерна или отсек, имеющие свободную поверхность жидкости, тем значительнее, перемещение ЦТ и, следовательно, больше уменьшение поперечной остойчивости. Поэтому для уменьшения влияния жидких грузов стремятся уменьшить ширину цистерны, а во время эксплуатации - ограничить число цистерн, в которых образуются свободные уровни, т. е. расходовать запасы не сразу из нескольких цистерн, а поочередно.

Влияние сыпучих грузов на остойчивость. К сыпучим грузам относят зерно всех видов, уголь, цемент, руду, рудные концентраты и др.

Свободная поверхность жидких грузов всегда остается горизонтальной.

В отличие от них сыпучие грузы характеризуются углом естественного откоса, т. е. наибольшим углом между поверхностью груза и горизонтальной плоскостью, при котором груз еще находится в покое и при превышении которого начинается пересыпание. У большинства сыпучих грузов этот угол находится в пределах 25-35°.

Сыпучие грузы, погруженные на судно, характеризуются также пористостью, или скважистостью, т. е. соотношением объемов, занятых непосредственно частицами груза, и пустот между ними. Эта характеристика, зависящая как от свойств самого груза, так и от способа его погрузки в трюм, определяет степень его усадки (уплотнения) во время транспортировки.

Рис. 156. К определению влияния свободной поверхности жидкого груза

на остойчивость

При перевозке сыпучих грузов (особенно зерна) в результате образования пустот по мере их усадки от тряски и вибрации корпуса во время рейса, при резких или больших наклонениях судна под действием шквала (превышающих угол естественного откоса) они пересыпаются на один борт и уже не возвращаются полностью к исходному положению после выпрямления судна.

Количество пересыпавшегося таким образом груза (зерна) постепенно увеличивается и вызывает крен, который может привести к опрокидыванию судна. Во избежание этого принимают специальные меры - укладывают поверх насыпанного в трюм зерна мешки с зерном (мешкование груза) или устанавливают в трюмах дополнительные временные продольные переборки - шифтинг-бордсы (см. рис. 154). При невыполнении этих мероприятий происходят серьезные аварии и даже гибель судов. Статистика показывает, что более половины судов, погибших из-за опрокидывания, перевозили сыпучие грузы.

Особая опасность возникает при перевозке рудных концентратов, которые при изменении их влажности во время рейса, на пример при оттаивании или отпотевании, приобретают высокую подвижность и легко смещаются к борту. Это еще мало изученное свойство рудных концентратов стало причиной ряда тяжелых аварий судов.

ЛЕКЦИЯ №4

Общие положения остойчивости. Остойчивость при малых наклонениях. Метацентр, метацентрический радиус, метацентрическая высота. Метацентрические формулы остойчивости. Определение параметров посадки и остойчивости при перемещении грузов на судне. Влияние на остойчивость незакрепленных и жидких грузов.

Опыт кренования.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения нормального равновесия какими-либо внешними силами, возвращаться в свое первоначальное положение после прекращения действия этих сил. К внешним силам, способным вывести судно из положения нормального равновесия, относятся: ветер, волны, перемещение грузов и людей, а также центробежные силы и моменты, возникающие при поворотах судна. Судоводитель обязан знать особенности своего судна и правильно оценивать факторы, влияющие на его остойчивость.

Различают поперечную и продольную остойчивость. Поперечная остойчивость судна характеризуется взаимным расположением центра тяжести G и центра величины С. Рассмотрим поперечную остойчивость.

Если судно накренить на один борт на малый угол (5-10°) (рис.1), ЦВ переместится из точки С в точку . Соответственно сила поддержания, действующая перпендикулярно к поверхности, пересечет диаметральную плоскость (ДП) в точке М .

Точка пересечения ДП судна с продолжением направления силы поддержания при крене называется начальным метацентром М . Расстояние от точки приложения силы поддержания С до начального метацентра называется метацентрическим радиусом .

Рис.1 – С татические силы, действующие на судно при малых накренениях

Расстояние от начального метацентра М до центра тяжести G называется начальной метацентрической высотой .

Начальная метацентрическая высота характеризует остойчивость при малых наклонениях судна, измеряется в метрах и является критерием начальной остойчивости судна. Как правило, начальная метацентрическая высота мотолодок и катеров считается хорошей, если она больше 0,5 м, для некоторых судов она допустима меньше, но не менее 0,35 м.

Резким наклонением вызывается поперечная качка судна и секундомером замеряется период свободной качки, т. е время полного размаха от одного крайнего положения до другого и обратно. Поперечную метацентрическую высоту судна определяют по формуле:

, м

где В - ширина судна, м; Т - период качки, сек.

Для оценки полученных результатов служит кривая на рис. 2, построенная по данным удачно спроектированных катеров.

Ри.2 – З ависимость начальной метацентрической высоты от длины судна

Если начальная метацентрическая высота , определенная по вышеприведенной формуле, окажется ниже заштрихованной полосы, то означает, что судно будет иметь плавную качку, но недостаточную начальную остойчивость, и плавание на нем может быть опасным. Если метацентр расположен выше заштрихованной полосы, судно будет отличаться стремительной (резкой) качкой, но повышенной остойчивостью, и следовательно, такое судно более мореходно, но обитаемость на нем неудовлетворительна. Оптимальными будут значения, попадающие в зону заштрихованной полосы.

Крен судна на один из бортов измеряется углом между новым наклоненным положением диаметральной плоскости с вертикальной линией.

Накрененный борт будет вытеснять воды больше, чем противоположный, и ЦВ сместится в сторону крена. Тогда равнодействующие силы поддержания и веса будут неуравновешенными, образующими пару сил с плечом, равным

Повторное действие сил веса и поддержания измеряется восстанавливающим моментом:

где D - сила плавучести, равная силе веса судна; l - плечо остойчивости.

Эта формула называется метацентрической формулой остойчивости и справедлива только для малых углов крена, при которых метацентр можно считать постоянным. При больших углах крена метацентр не является постоянным, вследствие чего нарушается линейная зависимость между восстанавливающим моментом и углами крена.

Малый () и большой () метацентрические радиусы можно вычислить по формулам профессора А.П.Фан-дер-Флита:

;
.

Взаимным расположением груза на судне судоводитель всегда может найти наиболее выгодное значение метацентрической высоты, при которой судно будет достаточно остойчивым и меньше подвергаться качке.

Кренящим моментом называется произведение веса груза, перемещаемого поперек судна, на плечо, равное расстоянию перемещения. Если человек весом 75 кг, сидящий на банке, переместится поперек судна на 0,5 м, то кренящий момент будет равен 75*0,5 = 37,5 кг/м.

Для изменения момента, накреняющего судно па 10°, надо загрузить судно до полного водоизмещения совершенно симметрично относительно диаметральной плоскости. Загрузку судна следует проверить по осадкам, измеряемым с обоих бортов. Креномер устанавливается строго перпендикулярно ДП таким образом, чтобы он показал 0°.

После этого надо перемещать грузы (например, людей) на заранее размеченные расстояния до тех пор, пока креномер не покажет 10°. Опыт для проверки следует произвести так: накренить судно на один, а затем на другой борт. Зная крепящие моменты накреняющего судно на различные (до наибольшего возможного) углы, можно построить диаграмму статической остойчивости (рис. 3), что позволит оценить остойчивость судна.

Рис.3 – Диаграмма статической остойчивости

Остойчивость можно увеличивать за счет увеличения ширины судна, понижения ЦТ, устройства кормовых булей.

Если ЦТ судна расположен ниже ЦВ, то судно считается весьма остойчивым, так как сила поддержания при крене не изменяется по величине и направлению, но точка ее приложения смещается в сторону наклона судна (рис. 4, а). Поэтому при крене образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом, стремящимся вернуть судно в нормальное вертикальное положение па прямой киль. Легко убедиться, что h >0, при этом метацентрическая высота равна 0. Это типично для яхт с тяжелым килем и нетипично для более крупных судов с обычным устройством корпуса.

Если ЦТ расположен выше ЦВ, то возможны три случая остойчивости, которые судоводитель должен хорошо знать.

1-й случай остойчивости

Метацентрическая высота h >0. Если центр тяжести расположен выше центра величины, то при наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает диаметральную плоскость выше центра тяжести (рис. 4, б).

Рис.4 – Случай остойчивого судна

В этом случае также образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом. Это типично для большинства судов обычной формы. Остойчивость в этом случае зависит от корпуса и положения центра тяжести по высоте. При крене кренящийся борт входит в воду и создает дополнительную плавучесть, стремящуюся выровнять судно. Однако при крене судна с жидкими и сыпучими грузами, способными перемещаться в сторону крена, центр тяжести также сместится в сторону крена. Если центр тяжести при крене переместится за отвесную линию, соединяющую центр величины с метацентром, то судно опрокинется.

2-ой случай неостойчивого судка при безразличном равновесии

Метацентрическая высота h = 0. Если ЦТ лежит выше ЦВ, то при крене линия действия силы поддержания проходит через ЦТ MG=0 (рис. 5).

Рис.5 – Случай неостойчивого судна при безразличном равновесии

В данном случае ЦВ всегда располагается на одной вертикали с ЦТ, поэтому восстанавливающаяся пара сил отсутствует. Без воздействия внешних сил судно не может вернуться в прямое положение. В данном случае особо опасно и совершенно недопустимо перевозить на судне жидкие и сыпучие грузы: при самой незначительной качке судно перевернется. Это свойственно шлюпкам с круглым шпангоутом.

3-й случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Метацентрическая высота h <0. ЦТ расположен выше ЦВ, а в наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает след диаметральной плоскости ниже ЦТ (рис. 6). Сила тяжести и сила поддержания при малейшем крене образуют пару сил с отрицательным восстанавливающим моментом и судно опрокидывается.

Рис.6 – С лучай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Разобранные случаи показывают, что судно остойчиво, если метацентр расположен выше ЦТ судна. Чем ниже опускается ЦТ, тем судно более остойчиво. Практически это достигается расположением грузов не на палубе, а в нижних помещениях и трюмах.

Вследствие воздействия на судно внешних сил, а также в результате недостаточно прочного закрепления груза, возможно его перемещение на судне. Рассмотрим влияние данного фактора на изменение параметров посадки судна и его остойчивость.

Вертикальное перемещение груза.

Рис.1 – Влияние вертикального перемещения груза на изменение метацентрической высоты

Определим изменение посадки и остойчивости судна, вызванное перемещением малого груза в вертикальном направлении (рис.1) из точки в точку. Поскольку масса груза не меняется, то и водоизмещение судна остается неизменным. Следовательно, соблюдается первое условие равновесия:
. Из теоретической механики известно, что при перемещении одного из тел ЦТ всей системы перемещается в том же направлении. Следовательно, ЦТ судна переместится в точку , а сама вертикаль пройдет, как и прежде, через центр величины .

Будет соблюдено второе условие равновесия:
.

Так как в нашем случае оба условия равновесия соблюдены, то можно сделать вывод: при вертикальном перемещении груза судно не изменяет своего положения равновесия.

Рассмотрим изменение начальной поперечной остойчивости. Так как формы погруженного в воду объема корпуса судна и площади ватерлинии не изменились, то положение центра величины и поперечного метацентра при перемещении груза по вертикали остается неизменным. Перемещается только ЦТ судна, что повлечет уменьшение метацентрической высоты
, а также
, откуда
, где - вес перемещаемого груза, кН ; - расстояние, на которое переместился ЦТ груза в вертикальном направлении, м .

Таким образом, новое значение
, где знак (+) применяется при перемещении груза вверх, а знак (-) вниз.

Из формулы видно, что вертикальное перемещение груза вверх вызывает уменьшение поперечной остойчивости судна, а при перемещении вниз поперечная остойчивость увеличивается.

Изменение остойчивости равно произведению
. Изменение поперечной остойчивости будет относительно меньше у судна с большим водоизмещением, чем у судна с малым, поэтому на судах с большим водоизмещением перемещение грузов безопаснее, чем на малых судах.

Поперечное горизонтальное перемещение груза.

Перемещение груза из точки в точку (рис.2) на расстояние вызовет крен судна на угол и смещение его ЦТ в направлении, параллельном линии перемещения груза.

Рис.2 – Возникновение кренящего момента при поперечном перемещении груза

Накренившись на угол , судно приходит в новое положение равновесия, сила тяжести судна , приложенная теперь в точке и сила поддержания
, приложенная в точке , действуют по одной вертикали, перпендикулярной новой ватерлинии
.

Перемещение груза приводит к образованию кренящего момента:

где - плечо перемещения груза, м .

Восстанавливающий момент по метацентрической формуле остойчивости

Так как судно находится в равновесии, то
и , откуда угол крена при поперечном перемещении груза
. Так как угол крена мал, то
.

Если судно уже имеет начальный угол крена, то после горизонтального перемещения груза угол крена будет
.

Эксплуатационные качества судна

Наиболее характерными для маломерного судна эксплуатационными качествами являются: пассажировместимость , грузоподъемность, водоизмещение и скорость.

Пассажировместимость — показатель, равный числу оборудованных мест для размещения людей на судне. Пассажировместимость зависит от грузоподъемности:

п = G/100 , чел. (с багажом), или п =G/75 , чел. (без багажа)

При этом округление полученного результата производится до меньшего целого числа. На маломерном судне наличие оборудованных сидячих мест должно соответствовать установленной для данного судна пассажировместимости.

Пассажировместимость ориентировочно можно рассчитать по формуле:

N=Lнб Bнб/K , чел.,

где К - эмпирический коэффициент, принимаемый равным: для моторных и гребных лодок - 1,60; для катеров - 2,15.

Грузоподъемность — полезная нагрузка судна, включающая в себя массу людей и багажа согласно пассажировместимости. Различают дедвейт и чистую грузоподъемность.

Дедвейт - это разность между водоизмещениями в полном грузу и порожнем.

Чистая грузоподъемность - это масса только полезного груза, который может принять судно.

Для больших судов единицей изменения грузоподъемности служит тонна, для малых - кг. Грузоподъемность С можно рассчитать по формулам, а можно определить и опытным путем. Для этого на судно при водоизмещении порожнем, но со снабжением и запасом горючего, последовательно помещают груз до достижения судном ватерлинии, соответствующей минимальной высоте надводного борта. Масса помещенного груза соответствует грузоподъемности судна.

Водоизмещение . Различают два вида водоизмещения - массовое (весовое) и объемное.

Массовое (весовое) водоизмещение - это масса находящегося на плаву судна, равная массе вытесненной судном воды. Единицей измерения служит тонна.

Объемное водоизмещение V - это объем подводной части судна в м3. Расчет производится через главные измерения:

V = SLВТ,

где S - коэффициент полноты водоизмещения, равный для маломерных судов 0,35 - 0,6, причем меньшее значение коэффициента присуще для небольших судов с острыми обводами. Для водоизмещающих катеров S = 0,4 - 0,55, глиссирующих S= 0,45 - 0,6, моторных лодок 5 - 0,35 - 0,5, для парусных судов этот коэффициент колеблется от 0,15 до 0,4.

Скорость.

Скорость - это расстояние, проходимое судном за единицу времени. На морских судах скорость измеряется в узлах (миля в час), а на судах внутреннего плавания - в километрах в час (км/ч). Судоводителю маломерного судна рекомендуется знать три скорости: наибольшую (максимальную), которую судно развивает при максимальной мощности двигателя; наименьшую (минимальную), при которой судно слушается руля; среднюю - наиболее экономную при сравнительно больших переходах. Скорость зависит от мощности двигателя, размеров и формы корпуса, загрузки судна и различных внешних факторов: волнения, ветра, течения и т. д.

Мореходные качества судна

Способность судна держаться на плаву, взаимодействовать с водой, не переворачиваться и не идти ко дну при затоплении характеризуется его мореходными качествами. К ним относятся: плавучесть, остойчивость и непотопляемость.

Плавучесть. Плавучесть - это способность судна держаться на поверхности воды, имея заданную осадку. Чем больше груза помещать на судно, тем глубже оно будет погружаться в воду, но не потеряет плавучести до тех пор, пока вода не начнет поступать внутрь корпуса.

В случае течи в корпусе или пробоины, а также попадания воды во время штормовой погоды внутрь судна, увеличивается его масса. Поэтому судно должно иметь запас плавучести.

Запас плавучести - это непроницаемый для воды объем корпуса судна, находящийся между грузовой ватерлинией и верхней кромкой борта. При отсутствии запаса плавучести судно затонет при попадании внутрь корпуса даже небольшого количества воды.

Необходимый для безопасного плавания судна запас плавучести обеспечивается приданием судну достаточной высоты надводного борта, а также наличия водонепроницаемых закрытий и переборок между отсеками и блоками плавучести — конструктивными элементами внутри корпуса маломерного судна в виде сплошного блока из материала (например, пенопласта), имеющего плотность меньше единицы. При отсутствии таких переборок и блоков плавучести любая пробоина подводной части корпуса приводит к полной потере запаса плавучести и гибели судна.

Запас плавучести зависит от высоты надводного борта - чем выше надводный борт, тем больше запас плавучести. Этот запас нормируется минимальной высотой надводного борта, в зависимости от величины которой для конкретного маломерного судна устанавливаются район безопасного плавания и допустимое удаление от берега. Однако злоупотреблять высотой надводного борта нельзя, так как это отражается на другом не менее важном качестве — остойчивости

Остойчивость. Остойчивость - это способность судна противостоять силам, вызывающим его наклонение, а после прекращения действия этих сил (ветер, волна, перемещение пассажиров и др.) возвращаться в первоначальное положение равновесия. Одно и то же судно может иметь хорошую остойчивость при расположении в нем груза близко к днищу и может частично или полностью потерять остойчивость, если груз или людей разместить несколько выше

Различают два вида остойчивости: поперечную и продольную. Поперечная остойчивость проявляется при крене судна, т.е. при наклонениях его на борт. Во время плавания на судно действуют две силы: тяжести и поддержания. Равнодействующая D (рис. 1, а) силы тяжести судна, направленная вниз, будет условно приложена в точке G, называемой центром тяжести (ЦТ), а равнодействующая А сил поддержания, направленная вверх, будет условно приложена в центре тяжести С погруженной в воду части судна, называемом центром величины (ЦВ). Когда судно не имеет дифферента и крена, ЦТ и ЦВ будут расположены в диаметральной плоскости судна (ДП).

Рис 1 Расположение равнодействующих сил тяжести и поддержания относительно друг друга при различных положениях судна

Значение ho характеризует остойчивость судна при малых наклонениях. Положение точки М в этих условиях почти не зависит от угла крена ф.

Сила D и равная ей сила поддержания А образуют пару сил с плечом /, которая создает восстанавливающий момент MB=Dl. Этот момент стремится вернуть судно в первоначальное положение. Заметим, что ЦТ при этом находится ниже точки М.

Теперь представим, что на палубу этого же судна положен дополнительный груз (рис. 1, в). В результате ЦТ расположится значительно выше, и при крене точка М окажется ниже его. Образующаяся при этом пара сил будет создавать уже не восстанавливающий, а опрокидывающий момент Мопр. Следовательно, судно будет неостойчиво и опрокинется.

На поперечную остойчивость судна большое влияние оказывает ширина корпуса: чем шире корпус, тем остойчивее судно, и, наоборот, чем корпус уже и выше, тем остойчивость буде хуже.

Для маломерных скоростных судов (особенно при движении на большой скорости во время волнения) далеко не всегда решенной проблемой является и сохранение продольной остойчивости.

У килевых маломерных судов начальная метацентрическая высота равна, как правило, 0,3 - 0,6 м. Остойчивость судна зависит от от загрузки судна, перемещения грузов, пассажиров и от других причин. Чем больше метацентрическая высота, тем больше восстанавливающий момент и остойчивее судно, однако при большой остойчивости судно имеет резкую качку. Улучшает остойчивость низкое расположение двигателя, топливного бака, сидений и соответствующее размещение грузов и людей.

При шквальном ветре, сильном ударе волны о борт и в некоторых других случаях крен судна увеличивается быстро и возникает динамический кренящий момент. В этом случае крен судна будет увеличиваться и после достижения равенства кренящего и восстанавливающего моментов. Это происходит из-за действия силы инерции. Обычно такой крен в два раза больше крена от статического действия такого же кренящего момента. Поэтому плавание в штормовую погоду, особенно маломерных судов, очень опасно.

Продольная остойчивость действует при наклонениях судна на нос или корму, т.е. при килевой качке. Эту остойчивость судоводителю следует учитывать при движении на больших скоростях во время волнения, т.к. "зарывшись" носом в воду катер или мотолодка может не восстановить своего первоначального положения и затонуть, а иногда и перевернуться.

Факторы, влияющие на остойчивость судна:

а) На остойчивость судна наиболее ощутимо влияет его ширина: чем больше она по отношению к его длине, высоте борта и осадке, тем выше остойчивость.

б) Остойчивость небольшого судна повышается, если изменить форму погруженной части корпуса при больших углах крена. На этом утверждении, например, основано действие бортовых булей и пенопластового привального бруса, которые при погружении в воду создают дополнительный - восстанавливающий момент.

в) Остойчивость ухудшается при наличии на судне топливных баков с зеркалом поверхности от борта до борта, поэтому эти баки должны иметь внутренние перегородки

г) На остойчивость наиболее сильно влияет размещение на судне пассажиров и грузов, их следует располагать как можно ниже. Нельзя допускать на судне малых размеров во время его движения сидение людей на борту и их произвольное перемещение. Грузы должны быть надежно закреплены, чтобы исключить их неожиданное смещение с мест укладки д) При сильном ветре и волнении действие кренящего момента очень опасно для судна, поэтому с ухудшением погодных условий необходимо отвести судно в укрытие и переждать непогоду. Если этого сделать невозможно из-за значительного расстояния до берега, то в штормовых условиях нужно стараться держать судно "носом на ветер", выбросив плавучий якорь и работая двигателем на малом ходу.

Непотопляемость. Непотопляемость - это способность судна после затопления части судна сохранять плавучесть.

Непотопляемость обеспечивается конструктивно - делением корпуса на водонепроницаемые отсеки, оборудованием судна блоками плавучести и водоотливными средствами.

Незатапливаемые объемы корпуса чаще всего представляют собой блоки из пенопласта. Необходимое его количество и расположение рассчитываются для обеспечения аварийного запаса плавучести и поддержания аварийного судна в положении "на ровном киле".

Безусловно, что в условиях сильного волнения далеко не каждая получившая пробоину моторная лодка и катер обеспечат выполнение этих требований.

Маневренные качества маломерного судна

К основным маневренным качествам судна относятся: управляемость, циркуляция, ходкость и инерция

Управляемость. Управляемость - это способность судна удерживать на ходу заданное направление движения при неизменном положении руля (устойчивость на курсе) и изменять на ходу направление своего движения под действием руля (поворотливость).

Устойчивостью на курсе называется свойство судна сохранять прямолинейное направление движения. Если же судно при прямом положении руля отклоняется от курса, то такое явление принято называть рыскливостью судна.

Если же судно при прямом положении руля отклоняется от курса, то такое явление принято называть рыскливостью судна.

Причины, вызывающие рыскливость, могут быть постоянными и временными. К постоянным относятся причины, связанные с конструктивными особенностями судна: тупые носовые обводы корпуса, несоответствие длины судна его ширине, недостаточная площадь пера руля, влияние вращения гребного винта

Временная рыскливость может быть вызвана неправильной загрузкой судна, ветром, мелководьем, неровным течением и т п.

Понятие "устойчивость на курсе" и "поворотливость" являются противоречимыми, однако эти качества присущи практически всем судам и характеризуют их управляемость.

На управляемость влияет много факторов и причин, главными из которых являются действие руля, работа винта и их взаимодействие.

Поворотливость — свойство судна изменять направление движения под действием руля. Это качество в первую очередь зависит от правильного соотношения длины и ширины корпуса, формы его обводов, а также от площади пера руля.

Особенности управляемости судна при переходе с переднего хода на задний

При проведении швартовых операций или необходимости срочно остановить судно (опасность столкновения, предотвращение посадки на мель, оказание помощи человеку за бортом и др.) приходится переходить с переднего хода на задний. В этих случаях судоводитель должен учитывать, что в первые секунды при перемене работы винта правого вращения с переднего хода на задний, корма стремительно покатится влево, при винте левого вращения - вправо.

Причины, влияющие на управляемость

Кроме руля и вращающегося винта на устойчивость и поворотливость судна влияют и другие причины, а также целый ряд конструктивных особенностей судна: отношения главных размерений, формы обводов корпуса, параметров руля и винта. Управляемость зависит и от условий плавания: характера загрузки судна, гидрометеорологических факторов.

Циркуляция Если во время движения судна переложить руль в какую-либо сторону, то судно начнет поворачиваться и опишет на воде кривую линию. Эта кривая, описываемая центром тяжести судна при обороте, называется линией циркуляции (рис. 2), а расстояние между диаметральной плоскостью судна на прямом курсе и его диаметральной плоскостью после поворота на обратный курс (180) — тактическим диаметром циркуляции. Чем меньше тактический диаметр циркуляции, тем лучшей считается поворотливость судна. Эта кривая близка к окружности, а ее диаметр служит мерой поворотливости судна

Измеряется диаметр циркуляции обычно в метрах. Для маломерных моторных судов размер тактического диаметра циркуляции в большинстве случаев равен 2—3 длинам судна. Каждому водителю необходимо знать диаметр циркуляции судна, которым ему приходится управлять, так как от этого во многом зависит правильное и безопасное маневрирование. Скорость судна на циркуляции уменьшается до 30%. Никогда не следует забывать, что при движении по кривой на судно действует центробежная сила (рис. 3), направленная от центра кривизны во внешнюю сторону и приложенная к центру тяжести судна.

Рис 2 Циркуляция

/—линия циркуляции, 2 — тактический диаметр циркуляции, 3 — диаметр установившейся циркуляции

Возникающему от центробежной силы дрейфу судна препятствует сила сопротивления воды — боковое сопротивление, точка приложения которой расположена ниже центра тяжести. В результате возникает пара сил, создающая крен на борт, противоположный направлению поворота. Крен увеличивается с повышением центра тяжести судна над центром бокового сопротивления и с уменьшением метацентрической высоты.

Увеличение скорости при повороте и.уменьшение диаметра циркуляции значительно увеличивают крен, что может привести к опрокидыванию судна. Поэтому никогда не делайте резких поворотов при движении судна на большой скорости.

В отличие от обычных водоизмещающих судов суда с глиссирующими обводами на циркуляции получают крен во внутреннюю сторону (рис. 4). Происходит это от дополнительной подъемной силы, возникающей на корпусе при боковом смещении в связи с глиссирующими обводами. Одновременно с этим происходит скольжение под действием центробежной силы во внешнюю сторону, отчего у глиссирующих судов по сравнению с водоизмещающими судами циркуляция несколько больше.

Кроме диаметра циркуляции следует знать и ее время, т.е. время, за которое судно делает поворот на 360°.

Названные элементы циркуляции зависят от водоизмещения судна и характера размещения груза по его длине, а также от скорости хода. На малой скорости диаметр циркуляции меньше.

Ходкость. Ходкость - это способность судна двигаться с определенной скоростью при заданной мощности двигателя, преодолевая при этом силы сопротивления движению.

Движение судна возможно только при наличии определенной силы, которая способна преодолеть сопротивление воды - упор. При постоянной скорости величина упора равна величине сопротивления воды. Скорость хода судна и упор связаны следующей зависимостью:

R . V= ho- N. где: V - скорость судна; К - сопротивление воды; N - мощность двигателя; ho -КПД=0,5.

Это уравнение показывает, что с увеличением скорости возрастает и сопротивление воды. Однако эта зависимость имеет различный физический смысл и характер для водоизмещающих судов и глиссирующих.

Так например, при скорости водоизмещающего судна до величины равной V = 2 ÖL, км/ч (L - длина судна, м), сопротивление воды К складывается из сопротивления трения воды об обшивку корпуса и сопротивления формы, которое создается завихрениями воды. Когда скорость этого судна превышает указанную величину, начинают образовываться волны и к двум сопротивлениям добавляется третье - волновое. Волновое сопротивление резко возрастает с увеличением скорости.

Для глиссирующих судов характер сопротивления воды такой же как и для водоизмещающих да величины скорости V = 8 ÖL км/ч. Однако, при дальнейшем увеличении скорости судно получает значительный дифферент на корму и его нос поднимается. Этот режим движения носит название переходной (от водоизмещающего к глиссирующему). Характерным признаком начала глиссирования служит самопроизвольное увеличение скорости судна. Это явление вызвано тем, что после подъема носовой части общее сопротивление воды судну снижается, оно как бы "подвсплывает" и наращивает скорость при неизменной мощности.

При глиссировании возникает еще один вид сопротивления воды - брызговое, а волновое сопротивление и сопротивление формы резко снижаются и их величины практически сводятся к нулю.

Таким образом на ходкость судна влияют четыре вида сопротивления:

сопротивление трения - зависит от площади смоченной поверхности судна, от качества ее обработки и степени обрастания (водорослями, моллюсками и т.п.);

сопротивление формы - зависит от обтекаемости корпуса судна, которая в свою очередь тем лучше, чем острее кормовая оконечность и чем больше длина судна по сравнению с шириной;

волновое сопротивление - зависит от формы носовой оконечности и длины судна, чем длиннее судно, тем меньше волнообразование;

брызговое сопротивление - зависит от отношения ширины корпуса к его длине.

Вывод: 1. Наименьшее сопротивление воды испытывают водоизмещающие суда с узким корпусом, круглоскулыми обводами и заостренными носовыми и кормовыми оконечностями.

2. У глиссирующих судов, при отсутствии волнения, широкий плоскодонный корпус с транцевой кормой обеспечивает наименьшее сопротивление воды при наибольшей гидродинамической подъемной силе.

Более мореходные глиссирующие суда с килеватым или полукилеватым корпусом. Повышение скорости этих судов достигается продольными реданами и скуловыми брызгоотбойниками.

Инерция. Очень важным маневренным качеством судна является его инерция. Ее обычно принято оценивать длинами тормозного пути, выбега и пути разгона, а также их продолжительностью. Расстояние, которое проходит судно за промежуток времени от момента переключения двигателя с полного хода вперед на задний ход до момента окончательной остановки судна, называется тормозным путем. Это расстояние обычно выражается в метрах, реже — в длинах судна. Расстояние, проходимое судном за промежуток времени от момента остановки двигателя, работающего на передний ход, до полной остановки судна под действием силы сопротивления воды, называется выбегом. Расстояние, которое проходит судно с момента включения двигателя на передний ход до момента приобретения полной скорости при заданном режиме работы двигателя, называется путем разгона. Точное знание водителем указанных выше качеств своего судна в большой степени обеспечивает безопасность маневрирования в узкостях и на рейдах со стесненными условиями плавания. Помните! Моторные суда не имеют тормозов, поэтому для погашения инерции им зачастую требуется значительно больше расстояния и времени, чем, скажем, автомобилю