Как найти остойчивость судна - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Остойчивость судов, лодок, катамаранов или яхт — это свойство, позволяющее плавсредству регулировать равновесие и противостоять воздействующим на него внешним факторам, которые могут вызвать крен или дифферент. Под понятием равновесие принимается положение плавсредства, имеющее допустимую величину углов дифферента и крена.

Отклоненное от такого положения плавучее средство должно самостоятельно возвращаться к сбалансированному равновесию. Иными словами остойчивость отвечает за балансирование судов на водной поверхности и проявляется когда оно выходит из изначального равновесия.

Остойчивость – одно из ключевых качеств судна, помогающее ему бороться с сильным ветром, волнами, штормом и иными внешними воздействиями. Каждое судно обладает своим запасом остойчивости (зависит от водоизмещения), уберегающим его от опрокидывания.

Виды и критерии остойчивости судна

В зависимости от плоскости наклонения различают два вида остойчивости судна: поперечная отвечает за балансирование при крене, продольная – при дифференте. Большинство морских судов имеют удлиненную форму своего корпуса, следовательно, они наиболее уязвимы при крене, нежели при дифференте.

По этой причине при постройке морского судна уделяется особое внимание именно его поперечной остойчивости. К продольному виду особых требований нет, так как удлиненные суда практически невозможно перевернуть через нос или корму.

По характеру воздействующих на судно сил бывает динамическая и статическая остойчивость, различие в которых зависит от воздействующих внешних факторов и определяется по следующим критериям:

Статическая – рассматривается, когда воздействуют статические силы (их величина не меняется).
Динамическая – при динамическом воздействии. Например, ветер с порывами разной величины, различной высоты волны.

По наклонению остойчивость разделяют на остойчивость на больших углах наклона и начальную остойчивость (на малых углах).

Расчет остойчивости судна

На плавучее средство оказывают воздействие 2 силы: вес самого плавсредства – точка его приложения именуется центром тяжести (ЦТ) и воздействие воды – точка приложения именуется центром величины (ЦВ). Когда судно (лодка, катамаран, яхта) находится в выровненном положении, вышеуказанные силы располагаются на одной вертикальной линии и совпадают с диаметральной плоскостью (ДП).

Допустим, что внешняя сила накренила плавсредство, тогда по причине увеличения подводного объема одного борта и уменьшения его у другого центр величины перемещается в сторону накрененного борта.

Сила поддержания в точке М (обозначение метацентра) пересекает ДП. Указанная точка является своеобразным рычагом, при нажатии на который плавсредство наклоняется на угол θ. Длина данного рычага представляет собой отрезок от ЦТ до М, обозначается она h и называется высотой метацентра.

Пример диаграммы устойчивости для катамарана и плота:

Плечо остойчивости рассчитывается по формуле I = h Sinθ, где h – это величина нормируемая. Для расчета нормируемой величины применяется формула h = rМ + ZC — ZG. Обозначение приведенных в формуле величин:

ZC — высота ЦВ над основной плоскостью (ОП);
ZG — высота ЦТ над основной плоскостью;
rМ — высота М над центром величины — метацентрический радиус, характеризующий влияние ватерлинии на общую остойчивость плавучего средства.

После постройки корабля или маломерного судна величина h подвергается экспериментальному тестированию, для которого используется опыт кренования. На корабле, который не имеет крена, в сторону одного из бортов двигают определенный груз P на расстояние b.

Таким образом искусственно создается момент крена МКР. Корабль приходит в положение, при котором МКР = МВОССТ, приобретая некоторый угол крена θ. Здесь величина h рассчитывается по следующей формуле: h = Pb/(Dθ). А угол крена измеряется отвесом или кренометром.

Безусловно, остойчивость следует увеличивать любыми средствами, потому что это поможет уменьшить угол крена и повысить плавучесть и непотопляемость судна. В некоторых случаях бывает опасение, что если у плавучего средства завышена остойчивость, то его раскачивание станет порывистым, потому что плавсредство «настроено» на внешне воздействие коротких волн.

Суда, имеющие небольшое водоизмещение и низкую посадку, часто подвергаются сильному раскачиванию при малом волнении водной поверхности, но это вовсе не означает, что они могут не выдержать штормового ветра и перевернуться. Стандарты ГИМС определяют, что величина плеча остойчивости любых вариантов нагрузки (кроме пустых судов), должна быть больше 0.5 м.

Действия человека, который управляет плавучим средством в аварийной ситуации – это отдельно изучаемая тема. Для подробного ознакомления с ней судоводителям-любителям следует почерпнуть информацию об остойчивости в специализированной профессиональной литературе, в которой разбираются случаи, связанные с аварийной остойчивостью при посадке судна на мель или получении им пробоины, в результате которой плавсредство может заполняться водой.

Надеемся, теперь вы знаете такое понятие как остойчивость судна и примерно представляете как её рассчитывать.

Если у вас есть вопросы — задайте их в комментариях. Ну а в следующей статье Вы узнаете, как пользоваться лазерным дальномером.

Post Views:
21 442

Источник

Остойчивость (stability) – одно из важнейших мореходных качеств судна, с которым связаны чрезвычайно важные вопросы, касающиеся безопасности плавания. Утрата остойчивости почти всегда означает гибель судна и очень часто экипажа. В отличие от изменения других мореходных качеств уменьшение остойчивости не проявляется видимым образом, и экипаж судна, как правило, не подозревает о грозящей опасности до последних секунд перед опрокидыванием. Поэтому изучению этого раздела теории корабля необходимо уделять самое большое внимание.

СодержаниеСвернуть

Основные понятия и определения
Условия остойчивости

Основные понятия и определения

Для того чтобы судно плавало в заданном равновесном положении относительно поверхности воды, оно должно не только удовлетворять условиям равновесия, но и быть способным сопротивляться внешним силам, стремящимся вывести его из равновесного положения, а после прекращения действия этих сил – возвращаться в первоначальное положение. Следовательно, равновесие судна должно быть устойчивым или, другими словами, судно должно обладать положительной остойчивостью.

Таким образом, остойчивость – это способность судна, выведенного из состояния равновесия внешними силами, вновь возвращаться к первоначальному положению равновесия после прекращения действия этих сил.

Остойчивость судна связана с его равновесием, которое служит характеристикой последней. Если равновесие судна устойчивое, то судно обладает положительной остойчивостью; если его равновесие безразличное, то судно обладает нулевой остойчивостью, и, наконец, если равновесие судна неустойчивое, то оно обладает отрицательной остойчивостью.

Танкер Капитан Ширяев
Источник: fleetphoto.ru

В этой главе будут рассматриваться поперечные наклонения судна в плоскости мидель-шпангоута.

Остойчивость при поперечных наклонениях, т. е. при возникновении крена, называется поперечной. В зависимости от угла наклонения судна поперечная остойчивость делится на остойчивость при малых углах наклонения (до 10-15 град), или так называемую начальную остойчивость, и остойчивость при больших углах наклонения.

Наклонения судна происходят под действием пары сил; момент этой пары сил, вызывающий поворот судна вокруг продольной оси, будем называть кренящим Mкр .

Если Mкр, приложенный к судну, нарастает постепенно от нуля до конечного значения и не вызывает угловых ускорений, а следовательно, и сил инерции, то остойчивость при таком наклонении называется статической.

Кренящий момент, действующий на судно мгновенно, приводит к возникновению углового ускорения и инерционных сил. Остойчивость, проявляющаяся при таком наклонении, называется динамической.

Статическая остойчивость характеризуется возникновением восстанавливающего момента, который стремится возвратить судно в первоначальное положение равновесия. Динамическая остойчивость характеризуется работой этого момента от начала и до конца его действия.

Рассмотрим равнообъемное поперечное наклонение судна. Будем считать, что в исходном положении судно имеет прямую посадку. В этом случае сила поддержания D′ действует в ДП и приложена в точке С – центре величины судна (Centre of buoyancy-В).

Рис. 1

Допустим, что судно под действием кренящего момента получило поперечное наклонение на малый угол θ. Тогда центр величины переместится из точки С в точку С₁ и сила поддержания, перпендикулярная новой действующей ватерлинии В₁Л₁, будет направлена под углом θ к диаметральной плоскости. Линии действия первоначального и нового направлении силы поддержания пересекутся в точке m. Эта точка пересечения линии действия силы поддержания при бесконечно малом равнообъемном наклонении плавающего судна называется поперечным мета центром (metacentre).

Можно дать другое определение метацентру: центр кривизны кривой перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным мета центром.

Радиус кривизны кривой перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным мета центрическим радиусом (или малым метацентрическим радиусом) (Radius of metacentre). Он определяется расстоянием от поперечного метацентра m до центра величины С и обозначается буквой r.

Поперечный метацентрический радиус может быть вычислен с помощью формулы:

r=Ix / V,

т. е. поперечный метацентрический радиус равен моменту инерции Ix площади ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, деленному на соответствующее этой ватерлинии объёмное водоизмещение V.

Условия остойчивости

Допустим, что судно, находящееся в прямом положении равновесия и плавающее по ватерлинию ВЛ, в результате действия внешнего кренящего момента Mкр накренилось так, что исходная ватерлиния ВЛ с новой действующей ватерлинией В₁Л₁ образует малый угол θ. Вследствие изменения формы погруженной в воду части корпуса распределение гидростатических сил давления, действующих на эту часть корпуса, также изменится. Центр величины судна переместится в сторону крена и перейдет из точки С в точку С₁.

Сила поддержания D′, оставаясь неизменной, будет направлена вертикально вверх перпендикулярно новой действующей ватерлинии, а ее линия действия пересечет ДП в первоначальном поперечном метацентре m.

Положение центра тяжести судна остается неизменным, а сила веса Р будет перпендикулярна новой ватерлинии В₁Л₁. Таким образом, силы P и D′, параллельные друг другу, не лежат на одной вертикали и, следовательно, образуют пару сил с плечом GK, где точка K – основание перпендикуляра, опущенного из точки G на направление действия силы поддержания.

Пара сил, образованная весом судна и силой поддержания, стремящаяся возвратить судно в первоначальное положение равновесия, называется восстанавливающей парой, а момент этой пары – восстанавливающим моментом Mθ.

Вопрос об остойчивости накрененного судна решается направлением действия восстанавливающего момента. Если восстанавливающий момент стремится вернуть судно в первоначальное положение равновесия, то восстанавливающий момент положителен, остойчивость судна также положительна – судно остойчиво. На рис. 2 показано расположение сил, действующих на судно, которое соответствует положительному восстанавливающему моменту. Нетрудно убедиться, что такой момент возникает, если ЦТ лежит ниже метацентра.

Рис. 2

Рис. 3

На рис. 3 показан противоположный случай, когда восстанавливающий момент отрицателен (ЦТ лежит выше метацентра). Он стремится еще больше отклонить судно из положения равновесия, т. к. направление его действия совпадает с направлением действия внешнего кренящего момента Mкр. В этом случае судно не остойчиво.

Теоретически можно допустить, что восстанавливающий момент при наклонении судна равен нулю, т. е. сила веса судна и сила поддержания располагаются на одной вертикали, как это показано на рис. 4.

Рис. 4

Отсутствие восстанавливающего момента приводит к тому, что после прекращения действия кренящего момента судно остается в наклоненном положении, т. е. судно находится в безразличном равновесии.

Таким образом, по взаимному положению поперечного метацентра m и Ц.Т. G можно судить о знаке восстанавливающего момента или, иными словами, об остойчивости судна. Так, если поперечный метацентр находится выше центра тяжести (рис. 2), то судно остойчиво.

Если поперечный метацентр расположен ниже центра тяжести или совпадает с ним (рис. 3, 4) судно не остойчиво.

Отсюда возникает понятие мета центрической высоты (Metacentric height): поперечной метацентрической высотой называется возвышение поперечного метацентра над центром тяжести судна в начальном положении равновесия.

Поперечная метацентрическая высота (рис. 2) определяется расстоянием от центра тяжести (т. G), до поперечного метацентра (т. m), т. е. отрезком mG. Этот отрезок является постоянной величиной, т. к. и Ц.Т. , и поперечный метацентр не изменяют своего положения при малых наклонениях. В связи с этим его удобно принимать в качестве критерия начальной остойчивости судна.

Если поперечный метацентр будет находиться выше центра тяжести судна, то поперечная метацентрическая высота считается положительной. Тогда условие остойчивости судна можно дать в следующей формулировке: судно остойчиво, если его поперечная метацентрическая высота положительна. Такое определение удобно тем, что оно позволяет судить об остойчивости судна, не рассматривая его наклонения, т. е. при угле крена равном нулю, когда восстанавливающий момент вообще отсутствует. Чтобы установить, какими данными необходимо располагать для получения значения поперечной метацентрической высоты, обратимся к рис. 5, на котором показано относительное расположение центра величины С, центра тяжести G и поперечного метацентра m судна, имеющего положительную начальную поперечную остойчивость.

Рис. 5

Из рисунка видно, что поперечная метацентрическая высота h может быть определена по одной из следующих формул:

h=r±a;

h=ZC±r–ZG;

h=Zm–ZG.

Поперечная метацентрическая высота определяется зачастую с помощью последнего равенства. Аппликата поперечного метацентра Zm может быть найдена по метацентрической диаграмме. Основные трудности при определении поперечной метацентрической высоты судна возникают при определении аппликаты центра тяжести ZG, определение которой производится с использованием сводной таблицы нагрузки масс судна (вопрос рассматривался в статье – Плавучесть судна).

В иностранной литературе обозначение соответствующих точек и параметров остойчивости может выглядеть так, как указано ниже на рис. 6.

Рис. 6

где:

K – точка киля;
B – центр величины (Centre of buoyancy);
G – центр тяжести (Centre of gravity);
M – поперечный метацентр (metacentre);
KB – аппликата центра величины;
KG – аппликата центра тяжести;
KM – аппликата поперечного метацентра;
BM – поперечный метацентрический радиус (Radius of metacentre);
BG – возвышение центра тяжести над центром величины;
GM – поперечная метацентрическая высота (Metacentric height).

Плечо статической остойчивости, обозначаемое в нашей литературе как GK, в иностранной литературе обозначается – GZ.

Предлагается к прочтению:
Кривая водоизмещения, грузовой размер и грузовая шкала
Изменение средней осадки судна при приеме и снятии (расходовании) грузов

Сноски

Источник

Расчёт остойчивости судна.

Общие требования к остойчивости неповреждённого судна.

Аварии,
происходящие по причине потери
остойчивости судна, по своим последствиям
относятся к самым тяжёлым (судно обычно
опрокидывается в течение нескольких
секунд и спастись при этом удаётся
немногим или вообще никому из находившихся
на его борту). Поэтому неудивительно,
что международные и национальные органы,
отвечающие в различных государствах
за безопасность плавания и безопасность
постройки и эксплуатации судов, приняли
ряд документов, регламентирующих
требования к их остойчивости. Судоводители
должны знать и соблюдать эти требования
как в процессе погрузки и выгрузки
судна, так и в течение рейса. Основными
такими документами являются конвенция
СОЛАС и принимаемые в развитие её
Международной морской организацией
(ИМО) Международные Кодексы. В первую
очередь речь идёт о так называемом
«Международном кодексе по остойчивости
судов в неповреждённом состоянии»
(«Intact
Stability
Code»,
одобренном резолюцией Морского комитета
по безопасности ИМО (RESOLUTION
MSC.267(85)) от 4 декабря 2008), вступившем в
силу с 1 июля 2010 года.
При перевозке различных специфических
видов грузов (не зерновых навалочных,
зерновых навалочных, лесных и т.д.)
применяются специальные требования костойчивости,
изложенные в соответствующих Международных
Кодексах. Правила классификационных
обществ, которым поднадзорны морские
суда, строятся на базе упомянутых выше
Кодексов и, в ряде случаев, применяют
более жёсткие требования к остойчивости
по сравнению с требованиями Кодексов.

Требования
Международного кодекса по остойчивости
судов в неповреждённом состоянии:

Требования к
метацентрической высоте и диаграмме
статической остойчивости:

Величина начальной
поперечной метацентрической высоты
должна составлять не менее 0,15 м.
Величина
плеча статической остойчивости должна
быть не менее 0,2 м при угле крена 30
градусов или более. Плечо статической
остойчивости должно достигать максимума
при угле крена не менее 25 градусов. Для
судов, поднадзорных Российскому
Морскому Регистру Судоходства (РМРС)
данное требование звучит так: «плечо
статической остойчивости должно быть
не менее 0,25 м для судов, длиной до 80
метров включительно и не менее 0,2 м для
судов длиной 105 метров и более. Минимальное
плечо для судов, длиной от 80 до 105 метров
находится линейным интерполированием».
Угол заката
диаграммы статической остойчивости
для судов, поднадзорных РМРС, должен
составлять не менее 60 градусов.

Требования к
динамичесой остойчивости:

Площадь фигуры,
ограниченной осью абсцисс и диаграммой
статической остойчивости должна быть
не менее 0,055 метра на радиан до угла
крена в 30 градусов и не менее 0,09 метра
на радиан до угла крена в 40 градусов
или угла заливания, если его величина
составляет менее 40 градусов.
Площадь под
диаграммой статической остойчивости
между углами крена в 30 и 40 градусов или
между углом крена в 30 градусов и углом
заливания, если он меньше 40 градусов
должна составлять не менее 0,03 метра на
радиан.

Проверка
по
критерию
погоды
(Severe
wind and rolling criterion или
weather criterion):

Судно
должно быть способно выдерживать
совместное воздействие от постоянного
бортового ветра, шквала и качки от
волнения. При этом направление ветра
определённой силы считается перпендикулярным
диаметральной плоскости судна. Сила
ветра и соответствующее ей давление
ветра на надводную часть судна берутся
в зависимости от района плавания судна
(см. [2] и [20]). Считается, что в момент,
когда судно под воздействием волнения
накреняется на наветренный борт на угол
,
на него налетает шквал. При этом
динамическая остойчивость должна быть
достаточной, чтобы судно выдержало
совместное воздействие восстанавливающего
момента, направленного на противоположный
борт и совпадающего с ним по направлению
кренящего момента от шквала, как показано
на рис. 1, где:

—
плечо кренящего момента от воздействия
постоянного ветра.

—
угол крена от воздействия постоянного
ветра. Не должен

превышать
16 градусов или 80% от угла входа палубы
в воду, что

меньше.

—
угол крена «на ветер» от воздействия
бортовой качки.

—
угол заливания или 50 градусов, что
меньше.

—
плечо кренящего момента от воздействия
шквала.

Площадь
фигуры b
должна быть не менее площади фигуры a.

Рис.
1 Проверка остойчивости по критерию
погоды.

Указанные на рис.
1 величины находятся следующим образом:

(1),

где
—
давление ветра. Для судов неограниченного
района плавания Р=504 Па.

Для
судов ограниченного района плавания
R1,
поднадзорных

Российскому
морскому регистру – 353 Па. Для судов
ограниченных

районов
R2,
R2-RSN,
R3-RSN
– 252 Па.

—
боковая площадь парусности судна.

—
плечо кренящего момента от ветра.
Принимается равным расстоянию

по вертикали
от центра парусности до центра проекции
подводной

части
судна на диаметральную плоскость
(расположенного примерно

на
половине осадки).

—
ускорение свободного падения.

—
весовое водоизмещение судна.

(2).

(3),

где
коэффициент
для
судов с округлой скулой, не имеющих
днищевого и

скуловых
килей,
для
судов с острой (прямоугольной) скулой.
Для

судов,
имеющих скуловые и днищевой киль,
находится
по таблице 1.

Коэффициенты
инаходятся
по таблице 1.

(4).

Здесь
— средняя осадка судна.

—
аппликата центра тяжести судна с грузом,
запасами и балластом.

На
судах иностранной постройки для
обозначения этой величины

применяют
аббревиатуру
VCG – vertical centre of gravity. Её
находят по

формуле:

(5),

где
— весовое водоизмещение
судна порожнём.

—
массы всех грузов, находящихся на судне.

—
массы всех видов запасов (в основном –
топливо и пресная

вода),
находящихся на судне.

—
массы балласта, находящегося в различных
танках. Численно

равны
объёму балласта в каждом танке, умноженному
на

плотность
балласта.

Объём
балласта находится по калибровочным
таблицам из судовой документации по
замерам уровня балласта в танках. Если
танк полный, то берётся объём танка
также из судовой документации.

—
аппликаты центров тяжести судна порожнём,
различных