Глава 3. НЕПОТОПЛЯЕМОСТЬ КОРАБЛЯ

 

 

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ КОРАБЛЯ

 

Что такое теоретический чертеж корабля?

 

Теоретический чертеж - графическое изображение внутренней поверхности наружной обшивки корабля. Для деревянных и пластмассовых судов на теоретическом чертеже изображают наружную поверхность корпуса.

Теоретический чертеж строится в связанной с кораблем прямоугольной координатной системе Oxyz (рис.3.1).

Рис 3.1. Прямоугольная координатная система Oxyz, связанная

с кораблём

Три взаимно перпендикулярные координатные плоскости образуют главные плоскости теоретического чертежа:

-       диаметральную плоскость (ДП) - продольную плоскость симметрии корпуса корабля;

-       основную плоскость (ОП) - продольную плоскость, перпендикулярную к ДП и проходящую через средний, прямолинейный участок килевой линии (от ОП измеряется осадка, высота борта и расстояние до ЦТ корабля);

-       плоскость мидель-шпангоута (миделя или ½) - поперечную плоскость, перпендикулярную к ДП и ОП и проходящую через середину расчетной длины корабля.

Линия пересечения ДП с ОП называется продольной основной линией, а линия пересечения ОП с плоскостью миделя - поперечной основной линией.

Пересечение ДП с поверхностью корабля дает линии киля, штевней и верхней палубы

Сечения корпуса плоскостями, параллельными ДП, ОП, и плоскостью миделя называются соответственно батоксами, теоретическими ватерлиниями и шпангоутами (рис.3.2). Проекции этих линий на ДП называются боком, на ОП - полуширотой, на плоскость миделя - корпусом.

Батоксы, теоретические ватерлинии и шпангоуты наносят равноотстоящими друг от друга Число батоксов составляет обычно 4-6 на один борт. Диаметральное сечение рассматривается как нулевой батокс. Число теоретических ватерлиний принимают равным 10-15 (включая нулевую, лежащую в основной плоскости). Ватерлиния, соответствующая нормальному водоизмещению, называется конструктивной ватерлинией (КВЛ).

Перпендикуляры к ОП, проведенные через точки пересечения КВЛ с линиями штевней, называют носовым и кормовым перпендикулярами. Расстояние между ними принимают за расчетную длину корабля. Это расстояние делят теоретическими шпангоутами (общее число их - 21) на 20 равных частей - теоретических шпаций. Нумеруют шпангоуты от носа к корме. Плоскость миделя соответствует 10-му теоретическому шпангоуту.

Теоретический чертеж является одним из основных проектных чертежей корабля. Его используют для расчетного и экспериментального (с помощью изготовленных по нему моделей)

 

определения характеристик мореходных качеств корабля, для разработки проектных чертежей, для разметки на плазе и контроля за правильностью сборки корпуса корабля при постройке, доковании и т.п.

 

Что относится к главным размерам (размерениям)

корабля?

 

Главные размеры (размерения) корабля можно разделить на две группы:

-  конструктивные размеры, не связанные с положением корабля относительно поверхности воды;

-  размеры, связанные с этим положением и характеризующие деление корабля на надводную и подводную части.

К первой группе главных размеров относятся (рис.3.3):

L_max - наибольшая длина - расстояние по длине между крайними точками носовой и кормовой оконечностей корпуса;

В_max - наибольшая ширина - расстояние по ширине между крайними точками корпуса;

Н_б - высота борта при миделе - расстояние от линии пересечения верхней палубы и борта корабля до ОП, измеренное на миделе.

Во вторую группу главных размеров корабля входят (рис.3.3):

L_квл - длина по КВЛ - расстояние по длине между крайними точками КВЛ (между носовым и кормовым перпендикулярами, отвечающими соответственно 0 и 20-му теоретическим шпангоутам);

В_квл - ширина по КВЛ - расстояние по ширине между крайними точками КВЛ;

Т_квл - осадка (или углубление) по КВЛ - расстояние между ОП и плоскостью КВЛ;

Н_н.б - высота надводного борта при миделе - разность высоты борта при миделе и осадки по КВЛ (Н_н.б = Н_б ‑ Т_квл).

 

 

 

Рис.3.3. Главные размеры (размерения) корабля

 

При посадке корабля по любую теоретическую ватерлинию его длина, ширина и осадка обозначаются буквами L, В и Т без индексов.

Главные размеры L_max, B_max, Н_б и осадка Т с поправками на выступающие части являются габаритными размерами корабля, которые позволяют оценивать возможность прохода корабля в узкостях и шлюзах, по мелководному фарватеру, при швартовках, постановке в док и в других случаях.

 

Что называется посадкой корабля

и какими параметрами она характеризуется?

 

Посадкой называется положение корабля относительно поверхности спокойной воды. Для характеристики посадки используют следующие параметры:

-       среднюю осадку (осадку на миделе) Т, осадку носом Т_н и осадку кормой Т_к;

-       угол дифферента ф и дифферент А;

-       угол крена q.

Положительными принято считать крен на правый борт и дифферент на нос. Параметры Т, Т_н, T_к, j и D связаны между собой зависимостями:

В этих формулах L - расчетная длина корабля.

При малом значении yj можно считать, что tgj » j.

 

Какие могут быть типовые случаи посадки корабля?

 

При эксплуатации корабля возможны следующие случаи посадки:

1) корабль сидит прямо и на ровный киль, т.е. без крена и дифферента (рис.3.4). В этом случае q=j=0 и посадка характеризуется средней осадкой Т=Т_н=T_к;

Рис.3.4. Посадка корабля прямо и на ровный киль

 

2) корабль сидит прямо, но имеет дифферент (рис.3.5). В данном положении q=0 и посадка определяется двумя параметрами в одном из следующих сочетаний: Т и j, Т_н и T_к или Т и D.

3) корабль сидит на ровный киль, но с креном (рис.3.6). В этом положении j=0 и посадка характеризуется параметрами Т и q;

4) корабль имеет крен и дифферент (рис.3.7). Посадка характеризуется тремя параметрами в одном из следующих сочетаний: Т, j и q; Т_н, T_к и q или Т, D и q.

В нормальных эксплуатационных условиях наиболее характерной является посадка корабля прямо и с небольшим дифферентом (q=0, j - малый).

Рис.3.5. Посадка корабля прямо, но с дифферентом

Рис.3.6. Посадка корабля на ровный киль, но с креном

Рис.3.7. Посадка корабля с креном и дифферентом

 

Как практически определяют параметры посадки корабля?

 

Посадку корабля можно определить по маркам осадки, мерным стеклам и осадкомерам, кренометрам и дифферентометрам.

Марки осадок представляют собой нанесенные на бортах кораблей цифры или другие знаки, показывающие осадку корабля (теоретическую и с учетом выступающих частей) при том шпангоуте, на котором они нанесены.

У кораблей применяют кодирование системы марок. Начало отсчета приводится в соответствующих корабельных инструкциях.

Марки осадок наносятся на обоих бортах в носу и в корме, а также в средней части корабля. В общем случае они располагаются не на 0, 10 и 20-м шпангоутах, в плоскостях которых измеряются осадки Т_н, Т, T_к.

Мерные стекла представляют собой сообщенные с забортной водой стеклянные трубки, устанавливаемые перпендикулярно к ОП в ДП или с обоих бортов внутри корабля, в районах марок осадок.

Осадкомеры состоят из чувствительного элемента, воспринимающего забортное давление в районе измерения осадки, линии связи (дистанционной передачи) и установленного на том или ином посту (командном пункте) прибора, преобразующего поступающую информацию в данные об осадке.

На ходу корабля, при волнении и качке мерные стекла и осадкомеры будут давать большие погрешности. Для уменьшения погрешностей предусматривают демпфирование (гашение колебаний) в трубке, сообщающей мерное стекло с забортной водой. Кроме того, надо по шкале поправок учитывать влияние скорости хода.

Для измерения крена применяют маятниковые и пузырьковые (статические демпфированные) кренометры и в особых случаях инклинограф.

Углы дифферента измеряются по маятниковым и пузырьковым (с большей базой) дифферентометрам.

 

Что называется плавучестью корабля и

какие силы действуют на плавающий корабль?

 

Плавучестью корабля называется его способность плавать с заданной посадкой, неся на себе все грузы, необходимые для выполнения свойственных ему задач.

На плавающий без движения корабль действуют две категории сил:

-       силы тяжести всех его частей и предметов;

-       силы гидростатического давления, действующие на погруженную часть корабля.

Эти силы сводят к двум равнодействующим.

Равнодействующая сил тяжести всех частей и предметов корабля называется силой тяжести корабля Р. Эта сила всегда направлена вертикально вниз и приложена в центре тяжести (ЦТ) корабля, обозначается буквой G (рис.3.8).

 

Рис.3.8. Силы статические, действующие на плавающий корабль

 

Равнодействующая гидростатических давлений, называемая силой плавучести, всегда направлена вертикально вверх, по величине равна массе вытесненной кораблем воды (gV) и приложена в центре тяжести погруженного объема корабля С, называемом центром величины (ЦВ).

Координатами т.G являются x_g, y_g, z_g, а координатами т.С - х_с, у_с, z_с (рис.3.9).

Для прямого положения y_g = y_с = 0; x_g и х_с в большинстве случаев имеют отрицательные значения, так как центр тяжести смещен в корму от миделя;

 

z_с » (0,5-0,6) Т, z_g = (0,5-0,8) Н_б; z_g > z_с.

 

Рис.3.9. Положение ЦТ и ЦВ в прямоугольной системе координат

 

Каковы условия равновесия плавающего корабля?

 

Условиями равновесия корабля являются:

-       равенство силы тяжести корабля и силы плавучести (P=gV);

-       ЦТ и ЦВ должны лежать на одной вертикали.

Если Р больше gV, то корабль погрузится по новую ватерлинию, а если Р меньше gV - всплывет.

Если при P=gV не соблюдается второе условие, то корабль под действием момента М = Рl будет поворачиваться до тех пор, пока т.G и С не окажутся на одной вертикали (рис.3.10).

Рис.3.10. Действие момента, когда ЦТ и ЦВ не на одной вертикали

 

Что понимается под водоизмещением корабля

и в каких единицах оно измеряется?

 

Водоизмещение является мерой плавучести корабля. Различают объемное водоизмещение V, равное объему погруженной части корабля, и массовое водоизмещение M_v, равное согласно, закону Архимеда массе вытесненной кораблем воды. Объемное водоизмещение измеряется в м³, массовое - в т.

Связь между объемным и массовым водоизмещением определяется выражением

M_v=rV,

где r - плотность забортной воды, т/м³.

 

Что называется нагрузкой корабля?

 

Нагрузка корабля - это совокупность всех находящихся на корабле постоянных и переменных грузов Нагрузка характеризуется массами всех корабельных грузов т_i и координатами центров масс этих грузов x_i y_i, z_i. Суммарными характеристиками нагрузки являются масса корабля М и сила тяжести корабля Р, а также координаты центра масс или ЦТ корабля x_g, y_g, z_g, которые вычисляются по формулам:

 

 

Нагрузка рассчитывается при проектировании корабля и уточняется в процессе его постройки и испытаний. Расчеты нагрузки выполняются в табличной форме. При этом однородные грузы (объединяются в разделы нагрузки: корпус, бронирование, вооружение, механизмы, боеприпасы, ГСМ и пресная вода, команда, снабжение и провизия, балласт и др. Каждый из разделов  нагрузки разбивается на группы, подгруппы и статьи.

По результатам расчета всей нагрузки корабля составляется сводная таблица нагрузки.

 

Что понимается под постоянными и переменными

грузами на корабле?

 

Постоянные грузы - это грузы, которые не изменяются в процессе эксплуатации корабля (корпус, бронирование, вооружение, механизмы и т. п.).

К переменным грузам относятся грузы, которые принимаются на корабль или снимаются с него (расходуются) в процессе службы. Это все виды запасов (боеприпасы, топливо, масла, пресная вода), команда с багажом, провизия и т.п. Для десантных кораблей и судов обеспечения главную часть переменных грузов составляют перевозимые грузы. Переменные грузы можно подразделить на штатные и нештатные.

 

Как классифицируют водоизмещение корабля

в зависимости от его нагрузки?

 

Нагрузка корабля может существенно меняться в процессе эксплуатации за счет приема, расходования и перемещения переменных грузов.

С учетом изменения нагрузок различают следующие типовые водоизмещения:

наибольшее водоизмещение - водоизмещение корабля с дополнительными, сверх предусмотренных спецификацией переменными грузами, принятыми в специально оборудованные для этого помещения;

полное водоизмещение - водоизмещение полностью построенного корабля со всеми переменными грузами, предусмотренными спецификацией к размещению на корабле;

нормальное водоизмещение - полное водоизмещение корабля за вычетом 50% предусмотренных в проекте запасов топлива, смазочного масла и питательной воды;

стандартное водоизмещение - полное водоизмещение корабля за вычетом всех запасов топлива, смазочного масла и питательной воды;

водоизмещение порожнем - водоизмещение полностью построенного корабля без переменных грузов и с совершенно сухой механической установкой.

 

Что такое масштаб Бонжана?

 

Масштаб Бонжана - совокупность кривых, дающих зависимость погруженных площадей шпангоутов (w_i) от осадки и построенных у следов соответствующих шпангоутов на ДП. На длине корабля между перпендикулярами построена сетка. Вертикальные линии - следы теоретических шпангоутов (0-20), горизонтальные - следы теоретических ватерлиний.

 

Выбирают три масштаба: вертикальный для осадок, горизонтальный для расставления шпангоутов и масштаб для площадей шпангоутов (рис.3.11).

Основное назначение масштаба Бонжана - вычисление объемного водоизмещения и абсциссы ЦВ для случая посадки корабля с дифферентом D > 0,005L.

Объемное водоизмещение и абсцисса ЦВ вычисляются по формулам:

где DL = L/20 - вычисляется с учетом масштаба;

w₀, ..., w₂₀ - погруженные площади шпангоутов, равные отрезкам от точек пересечения действующей ватерлинии с теоретическими шпангоутами до соответствующих кривых w_i = fz_i.

Все расчеты ведутся в табличной форме.

 

Что такое диаграмма Фирсова?

 

Диаграмма Г.А.Фирсова представляет собой графическую зависимость между водоизмещением корабля, абсциссой ЦВ и осадками носом и кормой (рис.3.12). Цифры, стоящие на кривых, показывают, к каким значениям водоизмещения и абсциссы ЦВ относится данная кривая.

Диаграмма позволяет по известным осадкам Т_н и Т_к, не производя расчетов, определять с достаточной для эксплуатации точностью объемное водоизмещение и абсциссу ЦВ.

Способ использования диаграммы ясен из рис.3.12.

 

Рис.3.12. Диаграмма Г.А.Фирсова

 

Что понимается под запасом плавучести корабля?

 

Запасом плавучести называется весь непроницаемый для воды объем корпуса корабля, расположенный выше действующей ватерлинии. В запас плавучести неповрежденного корабля

включается объем корпуса до верхней непроницаемой палубы. Объем надстроек в запас плавучести не включается. Чем больше запас плавучести, тем больше воды может принять корабль, оставаясь на плаву. По образному выражению С.О.Макарова, запас плавучести есть запас жизненной силы корабля.

У кораблей, имеющих седловатость палубы (подъем оконечностей) или полубак, практически может быть использована лишь часть запаса плавучести, ограниченная сверху ватерлинией, являющейся касательной к открытой палубе. Непроницаемые объемы, расположенные выше такой ватерлинии, играют существенную роль в улучшении его мореходности (всхожести на волну, незаливаемости) и остойчивости при больших наклонениях.

Для бронированных кораблей рассматривают боевой запас плавучести - непроницаемый объем корабля, расположенный выше ватерлинии и защищенный броней.

 

Как вычисляется запас плавучести

неповрежденного корабля?

 

Запас плавучести определяется по формулам:

где А₀ - запас плавучести;

V_н.к ‑ непроницаемый для воды полный объем корпуса, м³;

V - водоизмещение по действующую ватерлинию, м³.

Приближенно А₀» SH_н.б, м³,

где S ‑ площадь действующей ватерлинии, м²;

 H_н.б ‑ высота надводного борта, м.

Запас плавучести можно определить также по кривой объемного водоизмещения (кривой грузового размера - рис.3.13), по шкале изменения запаса плавучести в зависимости от средней осадки или водоизмещения (рис.3.14).

Рис.3.13. Кривая грузового размера

(кривая объемного водоизмещения)

Рис.3.14. Шкала для определения запаса плавучести

 

Если корабль имеет дифферент D>0,005L, то за запас плавучести принимают разность между полным объемом корпуса и объемным водоизмещением, определяемым по масштабу Бонжана или диаграмме Фирсова.

У современных надводных кораблей запас плавучести значительно превышает стандартное водоизмещение корабля (на 100% и более).

Запас боевой плавучести составляет 30-50% от стандартного водоизмещения.

 

Что называется кривыми элементов

теоретического чертежа?

 

Кривые элементов теоретического чертежа (рис.3.15) представляют собой графические зависимости от осадки корабля водоизмещения (V), координат ЦВ (х_с, z_c), площади ватерлинии (S), абсциссы ЦТ площади ватерлинии (x_f) и ее поперечного и продольного моментов инерции (J_x, J_yf), поперечного и продольного метацентрических радиусов (r и R).

Кривые элементов теоретического чертежа служат для определения перечисленных параметров без выполнения каких-либо вычислений. Ими можно пользоваться лишь при условии, что корабль не имеет крена и дифферента.

Для определения элементов теоретического чертежа необходимо провести горизонтальную линию, соответствующую осадке корабля, и в точках ее пересечения с кривыми снять искомые величины.

Кривые элементов теоретического чертежа рассчитываются в конструкторском бюро и входят в состав корабельной справочной документации.

 

Что называется остойчивостью корабля

и какие виды остойчивости различают?

 

Остойчивостью называется способность корабля, выведенного из положения равновесия воздействием внешних сил, вновь возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения действия этих сил.

Различают поперечную остойчивость, которая проявляется при поперечных наклонениях корабля, и продольную остойчивость, которая рассматривается при продольных наклонениях.

Различают также статическую и динамическую остойчивости.

Статическая остойчивость рассматривается при статическом воздействии сил, вызывающих плавное (при малой угловой скорости) наклонение корабля (перекачка топлива, воды и масла, перемещение грузов и т.п.).

Динамическая остойчивость рассматривается при динамическом воздействии сил, приводящих к быстрым наклонениям корабля (воздействие на корабль взрывной и ударной волн, шквального ветра, затопления отсеков через большие пробоины и т. п.).

Остойчивость в пределах малых углов наклонения (q = 10‑12° и j = 2-3°) называется начальной остойчивостью.

 

 

 

Рис.3.15. Кривые элементов теоретического чертежа

 

Что называется метацентром и метацентрическим

радиусом?

 

В прямом положении сила плавучести действует вертикально вверх в ДП. После наклонения корабля на угол q или j ЦВ переместится в точку С_q или С_j и сила плавучести будет действовать под углом q или j ДП или к плоскости Æ(рис.3.16 и 3.17).

Точка пересечения линии действия сил плавучести в прямом _и наклоненном положениях корабля является поперечным (или продольным) метацентром и обозначается буквой m (или М). При малых углах наклонения и постоянном водоизмещении метацентры занимают определенные и постоянные положения.

 

Рис.3.16. Поперечные метацентр и метацентрический радиус

Рис.3.17. Продольные метацентр и метацентрический радиус

 

Возвышение метацентра над ЦВ (радиус кривизны траектории ЦВ) называется соответственно поперечным (r) или продольным (R) метацентрическим радиусом:

где J_x - момент инерции площади ватерлинии относительно продольной центральной оси Ох;

J_yf - момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной центральной оси Оу, проходящей через ЦТ площади ватерлинии.

Значение R больше значения r в 50-100 раз.

Как видно из формул, при данном водоизмещении величины r и R зависят от J_x и J_yf. С потерей площади ватерлинии метацентрические радиусы равны нулю.

 

Что называется метацентрической высотой?

 

Метацентрической высотой называется возвышение метацентра над центром тяжести корабля в положении равновесия.

Метацентрическую высоту при нулевом значении крена и дифферента именуют начальной метацентрической высотой или просто метацентрической высотой.

В зависимости от плоскости наклонения корабля различают поперечную метацентрическую высоту h и продольную метацентрическую высоту Н.

Из рис.3.18 видно, что

Рис.3.18. Схема к определению начальной поперечной

метацентрической высоты

 

h = r-a,

где a=z_g-z_c - возвышение ЦТ над ЦВ.

Аналогично получим

Н = R-a.

Так как R >> r, то Н >> h .

 

Как вычисляют метацентрические высоты

неповрежденного корабля?

 

Если корабль сидит прямо и имеет незначительный дифферент (D<0,005L), то метацентрические высоты могут определяться с помощью кривых элементов теоретического чертежа. В этом случае:

-       определяют объемное водоизмещение корабля V;

-       по кривой объемного водоизмещения V=f(T) находят среднюю осадку Т;

-       по кривым элементов теоретического чертежа для получения осадки Т определяют r, R и z_c;

-       рассчитывают аппликату ЦТ корабля

Рис.3.19. Схема для вычисления поперечной и продольной метацентрических высот

 

где Р_н=g V_н ‑ сила тяжести корабля при нормальном водоизмещении;

z_gн ‑ аппликата точки приложения Р_н;

р_i и z_i ‑ сила тяжести и аппликаты принятых или снятых грузов;

вычисляют метацентрические высоты (рис.3.19):

h = r + z_c-z_g и H=R+z_c-z_g.

В условиях эксплуатации корабля практическое значение имеет определение поперечной метацентрической высоты h, так как продольная метацентрическая высота H неповрежденного корабля всегда положительна и во много раз превышает значение h.

При плавании неповрежденного корабля поперечную метацентрическую высоту h определяют также по номограмме, показывающей ее значения на различных этапах расходования топлива.

 

Как возникают восстанавливающие моменты

при наклонениях корабля?

 

При воздействии на корабль внешнего кренящего момента m_кр он наклоняется на угол q (рис.3.20). При этом ЦТ корабля не изменит своего положения, а ЦВ перейдет в т. С_q.

Рис.3.20. Момент восстанавливающий при поперечном наклонении

 

После наклонения корабля силы Р и g, V образуют пару сил с плечом GK. Момент этой пары называется поперечным восстанавливающим моментом т_q, так как он противодействует кренящему моменту и по прекращении действия последнего возвращает корабль в первоначальное положение. Чем больше восстанавливающий момент т_q, тем остойчивее корабль.

Из рис.3.20 видно, что т_q = PGK. В то же время GK = mGsinq = hsinq. Следовательно, т_q = Phsinq = gVhsinq.

При продольных наклонениях под воздействием дифферен-тующего момента М_диф (рис.3.21) возникает продольный восстанавливающий момент М_j = РGК. Но так как GK=MGsinj = Hsinj, то М_j = PHsinj = gVHsinj.

Рис.3.21. Момент восстанавливающий при продольном наклонении

 

Что такое метацентрические формулы остойчивости?

 

Метацентрические формулы остойчивости - это формулы для определения восстанавливающих моментов при малых наклонениях, когда справедливы допущения о том, что в процессе наклонения метацентры не перемещаются и кривые центров величины являются окружностями.

Различают метацентрическую формулу поперечной остойчивости т_q = Phsinq = gVhsinq и метацентрическую формулу продольной остойчивости М_j = PНsinj = gVНsinj.

Для малых углов sinq » q и sinj » j, и тогда метацентрические формулы принимают вид

Последние формулы являются приближенно верными при малых наклонениях (q = 10-15° и j = 2-3°), когда еще допустимо считать линейной зависимость восстанавливающих моментов от углов крена и дифферента. Практически применимость формулы для т_в ограничивается меньшим из углов q_п и q_с, при которых у борта не входит в воду верхняя палуба или не оголяется скула корпуса. Формула для М_j применима при дифференте только до входа в воду палубы или оголения днища в оконечности.

Метацентрические формулы остойчивости могут использоваться для определения восстанавливающих моментов, коэффициентов остойчивости или крена и дифферента корабля в зависимости от того, какая из этих величин неизвестна.

Чаще всего по метацентрическим формулам определяют угол крена или дифферента. Так как корабль будет наклоняться до состояния равновесия, когда будет равенство кренящего или дифферентующего момента с восстанавливающими, т.е. т_кр = т_q = gVhq или M_диф = М_j =gVhj = gVHD/L, to углы наклонения и дифферента могут определяться по формулам:

 

Как вычислить момент, кренящий корабль на один градус,

и момент, дифферентующий корабль на 1 см?

 

Пусть угол крена q равен 1⁰ (или 1/57,3 = 0,0175 рад), тогда момент, кренящий корабль на один градус, кН×м/град (тс×м/град), будет равен

Если дифферент D = 1 см = 0,01 м, то момент, дифферентующий корабль на 1 см, кН×м/см (тс×м/см), будет равен

В формулах для т₁° и М_1см удельный (объемный) вес g = 9,8‑1,025 кН/м³ (g = 1,025 тс/м³).

Конкретные значения т₁° и М_1см действительны только для определенных водоизмещении и в пределах малых углов наклонения их можно считать постоянными.

Знание т₁° и М_1см позволяет быстро определить:

-       крен и дифферент корабля под действием заданных моментов т_кр и М_диф.:

Если до воздействия заданных т_кр и М_диф корабль имел крен и дифферент, то найденные значения q и D надо рассматривать как добавочные - dq и dD;

-       значения т_кр или М_диф для наклонения до заданного угла крена q или дифферента D:

 

Каково условие начальной остойчивости корабля?

 

Достаточным условием начальной остойчивости корабля является расположение поперечного метацентра выше ЦТ, т. е. чтобы поперечная метацентрическая высота была положительной. В этом случае восстанавливающий момент, возникающий при накренении, стремится вернуть корабль в первоначальное положение равновесия (рис.3.20).

Рис.3.22. Действие восстанавливающего момента при отрицательной поперечной метацентрической высоте

При отрицательной поперечной метацентрической высоте, т.е. когда поперечный метацентр лежит ниже ЦТ корабля (рис.3.22),  восстанавливающий момент стремится еще больше отклонить корабль от положения равновесия. В этом случае корабль неостойчив.

Для суждения об остойчивости равновесия корабля достаточно проверить выполнение условия поперечной начальной остойчивости, так как продольный метацентр всегда располагается значительно выше поперечного.

 

Что называется остойчивостью формы

и остойчивостью нагрузки и как они влияют

на остойчивость корабля?

 

Восстанавливающие моменты m_q и М_y, возникающие при наклонениях корабля, можно выразить как результирующие моменты от воздействия двух пар сил (рис. 3.23).

Аналогично

М_y=gVHy=gV(R-a)y= gVRy‑gVay,

М_y= М_ф – М_н

Моменты М_ф = gVra и М_н = gVRy называются моментами остойчивости формы, так как зависят от формы погруженного объема корабля.

 

Рис.3.23. Схема к определению остойчивости формы и остойчивости нагрузки

Моменты m_н = gVaq и М_н = gVаy называются моментами остойчивости нагрузки (раньше назывались моментами остойчивости веса), так как они зависят от силы тяжести корабля и распределения грузов по высоте.

Моменты формы m_ф и М_ф увеличивают остойчивость корабля, а моменты нагрузки m_н и М_н уменьшают ее.

 

Что называют мерами начальной остойчивости?

Какие величины используют в качестве этих мер?

 

Мерили начальной остойчивости называют величины, которые позволяют количественно оценивать это качество корабля.

К мерам начальной остойчивости относят восстанавливающие моменты m_в и М_y, коэффициенты остойчивости k_в и К_y, метацентрические высоты h и Н, а также момент m₁⁰, кренящий корабль на один градус, и момент М_1см, дифферентующий корабль на один сантиметр.

Восстанавливающие моменты (поперечный и продольный), хотя и выражают сущность остойчивости, неудобны для характеристики начальной остойчивости, так как при посадке корабля прямо и на ровный киль, т.е. когда она должна измеряться, эти моменты равны нулю.

Коэффициенты поперечной и продольной остойчивости соответственно k_в=Ph=gVh и К_y=PH=gVH характеризуют изменения сопротивляемости корабля наклонениям при изменениях водоизмещения. Они более удобны для практических целей, так как не зависят от углов наклонения. Коэффициенты остойчивости можно представить как восстанавливающие моменты, возникающие при наклонениях в один радиан k_в=m_q/q и К_y=M_y/y.

Метацентрические высоты h и Н могут рассматриваться как коэффициенты остойчивости, отнесенные к единице водоизмещения: h=k_q/gV и H=K_y/gV.

Правомерно использование в качестве мер начальной остойчивости момента m_1о, кренящего корабль на один градус, и момента M_1см, дифферентующего корабль на один сантиметр, так как их величины определяются из условия линейной зависимости восстанавливающих моментов от углов наклонения.

 

Что такое абсолютные и относительные меры

начальной остойчивости

 

Абсолютными мерами начальной остойчивости являются восстанавливающие моменты m_q и М_y и коэффициенты остойчивости k_q и К_y. Они непосредственно оценивают способность данного корабля противодействовать внешним моментам, отклоняющим его от положения равновесия. Если у одного корабля коэффициент остойчивости вдвое больше, чем у другого, то при одинаковых углах наклонения у первого возникает и вдвое больший восстанавливающий момент, а под действием одинаковых внешних моментов первый корабль наклонится на вдвое меньший угол.

Относительными мерами начальной остойчивости являются метацентрические высоты h и Н. Они позволяют сравнивать остойчивость разных кораблей при заданных условиях и сопоставить остойчивость проектируемого корабля с ранее построенными. Их значения лежат в пределах h=(0,7-1,5) м и Н=(0,8-1,5)L. Широкое применение метацентрических высот в качестве мер начальной остойчивости корабля обусловлено их простым геометрическим смыслом - возвышением метацентра над ЦТ корабля.

В условиях эксплуатации при изменении водоизмещения корабля значение восстанавливающего момента существенно изменяется, если даже метацентрическая высота остается неизменной или меняется незначительно. Поэтому для оценки начальной остойчивости корабля следует, как правило, пользоваться абсолютными мерами - коэффициентами остойчивости k_q и К_y. Их использование исключает возможные ошибки в оценке остойчивости и в аварийных случаях, когда в отсеки корабля поступает забортная вода.

 

Как изменяются посадка и остойчивость корабля

при переносе грузов в произвольном направлении?

 

Перенос груза в произвольном направлении - из точки А (х₁, y₁, z₁) в точку В (х₂, у₂, z₂) разбивают на три последовательных перемещения (рис.3.24):

Рис.3.24. Перенос груза в произвольном направлении

 

-       вертикальное - из точки А в точку д' (х₁, y₁, z₂);

-       горизонтально поперечное - из точки д' в точку д" (х₁, y₂, z₂);

-       горизонтально-продольное - из точки д" в точку В.

При вертикальном перемещении изменяется только остойчивость. Новые значения метацентрических высот

При горизонтально поперечном переносе груза корабль накренится на угол

При последующем горизонтально-продольном перемещении корабль получит дифферент

или

 

где

В приведенных формулах:

х₁, y₁, z₁ и х₂, у₂, z₂ ‑ координаты груза до и после перемещения соответственно;

x_f ‑ абсцисса ЦТ площади ватерлинии S.

 

Как изменяются посадка и остойчивость корабля

при приеме или расходовании малого груза

в произвольном месте корабля?

 

Прием малого груза (p<0,1P) в произвольном месте корабля производят условно в три последовательных этапа (рис.3.25):

-        -продольное перемещение груза по оси Ох в заданную точку С (х, у, z).

При приеме груза на вертикаль в точку A (x_f, О, z) крена и дифферента не будет, но изменятся средняя осадка и метацентрические высоты.

Изменение средней осадки

где S - площадь ватерлинии.

Изменения метацентрических высот

Новые метацентрические высоты будут

При горизонтально-поперечном перемещении принятого груза в точку В (x_f, у, z) появится крен

.

 

При горизонтально-продольном перемещении груза в заданную точку С (х, у, z) корабль получит дифферент

или

Причем осадка носом Т_н1=Т_н+dТ+(0,5L-х_f)y, осадка кормой Т_к1=Т_к+dТ+(0,5L-х_f)y. Средняя осадка Т₁=Т_н1+Т_к1/2.

При расходовании груза в приведенных формулах перед р и dТ следует ставить знак (-).

 

Что называется нейтральной плоскостью?

 

Нейтральной плоскостью называется горизонтальная плоскость, при приеме груза (снятии груза) на которую остойчивость корабля не изменяется, т.е.

В этом уравнении р/(Р+р) не может равняться нулю, следовательно,

Т+0,5dТ‑z‑h=0

Таким образом, чтобы поперечная метацентрическая высота не изменялась, груз необходимо принимать (снимать) на высоту

Это есть уравнение нейтральной плоскости для поперечной метацентрической высоты. Она лежит несколько ниже первоначальной ватерлинии (рис.3.26).

Нейтральная плоскость для коэффициента остойчивости при поперечных и продольных наклонениях определяется уравнением

т.е. она лежит выше ватерлинии на расстоянии 0,5dТ.

 

Рис.3.26. Схема расположения нейтральной плоскости

 

Отсюда практическое правило: прием груза ниже ватерлинии увеличивает начальную поперечную остойчивость корабля, а прием груза выше ватерлинии уменьшает ее (при снятии груза зависимость меняется на обратную).

 

Как влияют на остойчивость жидкие грузы

со свободной поверхностью?

 

Если отсек заполнен жидким грузом частично и в нем имеется свободная поверхность, то при наклонениях корабля уровень жидкости всегда будет располагаться параллельно ватерлинии, а ЦТ жидкого груза будет перемещаться в сторону наклонения. Появятся дополнительные моменты, действующие также в сторону наклонения (рис.3.27).

 

Рис.3.27. Влияние свободной поверхности жидкого груза

Метацентрические высоты уменьшаются на величины

dh=‑i_x/V и dY=‑i_y/V,

где i_x и i_y - моменты инерции свободной поверхности относительно осей, проходящих через ее ЦТ и параллельных осям Ох и Оу соответственно.

При наличии свободных поверхностей в нескольких цистернах учитывается суммарное уменьшение метацентрической высоты

Если цистерна имеет ширину b и длину l, то

т.е. при поперечных наклонениях на остойчивость большее влияние оказывает ширина цистерны b, а при продольных - длина l. Так, разделение ширины цистерны на три равные по ширине цистерны уменьшает dh в 9 раз (рис.3.28).

Формулы уменьшения метацентрических высот справедливы при толщине слоя воды l=(0,05-0,1) b. Это условие относится и к толщине воздушной подушки в цистерне.

 

Рис.3.28. Влияние разделения цистерны продольными переборками

 

Как в период эксплуатации корабля уменьшают влияние

на остойчивость свободной поверхности жидких грузов?

 

Для уменьшения влияния свободной поверхности жидких грузов на остойчивость корабля в процессе его эксплуатации необходимо:

-  жидкие грузы принимать до полного заполнения цистерн;

-  полностью осушать цистерны при расходовании жидких грузов, «мертвые» запасы должны быть минимальными;

-  не допускать перетекания жидких грузов между цистернами, держать трюмы сухими, особенно в широких отсеках.

 

Как влияют на остойчивость свободные поверхности

в сообщающихся цистернах, значительно удаленных

друг от друга?

 

Остойчивость корабля еще больше уменьшается при сообщающихся цистернах, значительно удаленных друг от друга (рис.3.29).

Рис.3.29. Влияние перетока жидкого груза со свободной поверхностью

 

В этом случае их следует рассматривать как одну общую цистерну, а момент инерции вычислять для каждой из них относительно оси, проходящей через их общий ЦТ:

где s₁ и s₂ - площади свободных поверхностей,

b₁ и b₂ - расстояния ЦТ s₁ и s₂ до ДП.

При s₁ и s₂, i_x1=i_x2, b₁=b₂=b/2 (здесь b – расстояние между центрами тяжести s₁ и s₂₎

 

Как влияют на остойчивость корабля подвешенные

и перекатывающиеся грузы?

 

Наличие на корабле незакрепленного подвижного груза уменьшает остойчивость на величину dh=pl/P, т.е. так же, как перемещение этого груза в точку подвеса (рис.3.30).

 

Рис.3.30. Схема подвешенного груза

 

Перекатывающийся груз можно рассматривать как подвешенный груз, где взамен длины подвеса l берется радиус кривизны r поверхности, по которой он перекатывается. Остойчивость уменьшается на величину (рис.3.31)

Рис.3.31. Схема перекатывающегося груза