Остойчивость судна зависит от отношения. Основы теории судна. Эксплуатационные, мореходные и маневренные качества. Факторы, влияющие на остойчивость судна

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

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.

Рис 91. Диаграмма статической остойчивости

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 диаметральной плоскости 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. 91), что оценит остойчивость судна.

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

Если центр тяжести судна расположен ниже центра величины, 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. 92, 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 центр тяжести расположен выше центра величины, то возможны три случая остойчивости, которые судоводитель должен хорошо знать.

Первый 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. 92, б).

Рис. 92. 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.

Второй случай неостойчивого судка при безразличном равновесии.

Метацентрическая высота h = 0. Если центр тяжести лежит выше центра величины, то при крене линия действия силы поддержания проходит через центр тяжести MG = 0 (рис. 93).

В данном случае центр величины всегда располагается на одной вертикали с центром тяжести, 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.

Третий случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии.

Метацентрическая высота h<0. Центр тяжести расположен выше центра величины, а в наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает след диаметральной плоскости ниже центра тяжести (рис. 94).

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.

Для того чтобы судно плавало в заданном равновесном положении относи-тельно поверхности воды, оно должно не только удовлетворять условиям рав-новесия, 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 ха-рактеристикой 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 Мкр.

Если Мкр, 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 воз-никновению углового ускорения и инерционных сил. Остойчивость, проявля-ющаяся при таком наклонении, называется динамической.

Статическая остойчивость характеризуется возникновением восста-навливающего 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 С 1 и сила поддержания, перпендикулярная новой действующей ватерлинии В 1 Л 1 , 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 опреде-ляется расстоянием от поперечного метацентра m до центра величины С и обозначается буквой r.

Поперечный метацентрический радиус может быть вычислен с помощью формулы:

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 Мкр накренилось так, что исходная ватерлиния ВЛ с новой действующей ватерлинией В 1 Л 1 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 С 1 .

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 В 1 Л 1 . Таким образом, силы Р и D’, параллельные друг другу, не лежат на одной вертикали и, следовательно, образуют пару сил с плечом GK, где точка К — 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 Мθ.

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 поло-жительна — судно остойчиво. На рис. 2 показано расположение сил, действующих на судно, которое соответствует положительному восста-навливающему 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 Мкр. 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 попе-речного 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 = Z C ± r - Z G ;

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 лекции — ).

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

Рис. 6

• где К - точка киля;
• В - центр величины (Centre of buoyancy);
• G — центр тяжести (Centre of gravity);
• М - поперечный метацентр (metacentre);
• КВ - аппликата центра величины;
• KG - аппликата центра тяжести;
• КМ — аппликата поперечного метацентра;
• ВМ - поперечный метацентрический радиус (Radius of metacentre);
• BG - возвышение центра тяжести над центром величины;
• GM - поперечная метацентрическая высота (Metacentric height).

Плечо статической остойчивости, обозначаемое в на шей литературе как GK, в иностранной литературе обозначается - GZ.

Предлагается к прочтению:

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.

«...Осторожней! - пискнул одноглазый капитан. Но было уже поздно. Слишком много любителей скопилось на правом борту васюкинского дредноута. Переменив центр тяжести, барка не стала колебаться и в полном соответствии с законами физики перевернулась».

Этот эпизод из классической литературы может быть использован как наглядный пример потери остойчивости от перемещения центра тяжести из-за скопления пассажиров на одном борту. Не всегда, к сожалению, дело ограничивается забавным купанием: потеря остойчивости нередко приводит к гибели судна, а зачастую и людей, иногда - по нескольку сот человек одновременно (вспомним совсем еще недавнюю трагедию - гибель теплохода «Булгария»... - прим. ред.).

В истории мирового судостроения зарегистрирован ряд случаев, подобных происшедшему в начале века с американским многопалубным речным пароходом «Генерал Слокам». Его конструкторы предусмотрели все для удобства пассажиров, но не проверили, как будет судно вести себя, если сразу все 700 его обитателей поднимутся на верхнюю прогулочную палубу и одновременно подойдут к борту, чтобы полюбоваться открывшимся видом...

Потеря остойчивости - одна из наиболее распространенных причин аварий малых судов. Вот почему каждый из капитанов, независимо от того, как выглядит его судно - байдарка это или, скажем, водоизмещающий катер, каждый из тех, кто отдыхает на воде, должен иметь представление о «законах физики», незнание которых дорого обошлось васюкинцам. Другими словами, о том мореходном качестве судна, которое кораблестроители называют остойчивостью.

Остойчивость - это способность судна сопротивляться кренящему действию внешних сил и возвращаться в прямое положение после прекращения этого действия. Появился этот термин у нас в XVIII веке, когда Россия стала морской державой; по происхождению и по смыслу он является разновидностью распространенного слова «устойчивость».

С устойчивостью равновесия мы постоянно сталкиваемся в быту. Для нас не секрет, что стул опрокинуть легче, чем диван; а пустой шкаф - легче, чем заполненный книгами. Кантуя тяжелый ящик через ребро, мы сначала прикладываем наибольшее усилие, потом нам становится легче и, наконец, когда условная линия, проведенная вертикально через центр тяжести ящика, пройдет над ребром, ящик переворачивается уже сам, без нашего участия. Убедившись, что низкий широкий ящик труднее перекантовать, чем высокий и узкий, а тяжелый - труднее, чем легкий, мы можем прийти к выводу, что устойчивость тела на твердой поверхности определяется его весом и расстоянием по горизонтали от центра тяжести до края опорной плоскости - плечом рычага . Чем больше вес и плечо, тем устойчивее тело.

Этот простой закон действителен и для плавающего судна, но здесь дело осложняется тем, что вместо твердой поверхности опорой для «переворачиваемого» судна служит вода. В принципе, как и в только что описанном случае, остойчивость судна определяется его весом и плечом - взаимным расположением точек приложения двух сил.

Одна из них - это и есть вес, т. е. сила тяжести , приложенная в центре тяжести судна (ЦТ) и всегда направленная вертикально вниз.

Другая - сила плавучести или сила поддержания . По закону Архимеда для плавающего судна эта сила по величине равна силе тяжести, но направлена вертикально вверх. Точка приложения равнодействующей сил поддержания и есть точка опоры судна! Находится эта точка в центре погруженного в воду объема корпуса и называется центром плавучести или центром величины (ЦВ).

Когда судно свободно плавает в прямом положении, ЦВ всегда находится на одной вертикали с ЦТ, а действующие на судно равные и противоположно направленные силы уравновешены. Но вот на судно начали действовать кренящие силы . Это не обязательно перемещение пассажиров; это может быть порыв ветра или, если речь идет о яхте, просто давление его на паруса, крутая волна, рывок буксирного троса, центробежная сила на крутой циркуляции, подъем купальщика из воды через борт и т. п. и т. д.

Действие момента этой кренящей силы, т. е. кренящего момента , наклоняет - кренит судно. При этом ЦТ судна положения не меняет, если, конечно, это не тот самый «васюкинский» случай и на судне нет таких грузов, которые могут переместиться в сторону наклона. Поскольку и при крене судно продолжает плавать, т. е. продолжает действовать закон Архимеда, увеличению погруженного объема со стороны входящего в воду борта соответствует равное уменьшение погруженного объема с противоположного, выходящего из воды борта. Не будем забывать: вес судна от действия кренящего момента не изменяется; следовательно, и общая величина погруженного объема должна остаться неизменной!

Из-за этого перераспределения подводного объема положение ЦВ изменяется - он отходит в сторону накренения судна; в результате возникает момент сил поддержания, стремящийся восстановить прямое положение судна и поэтому называемый восстанавливающим моментом .

Пока судно остойчивость сохраняет, восстанавливающий момент, возрастая по мере увеличения крена, становится равен моменту кренящему и, поскольку он направлен в противоположную сторону, полностью «парализует» его действие. Это значит, что, если величина кренящих сил больше не изменится, судно так и будет плавать с постоянным креном; если же действие кренящих сил прекратится и кренящего момента не станет, восстанавливающий момент немедленно спрямит судно.

Обратившись к схеме 2, мы можем предположить, что величина возникающего при крене восстанавливающего момента будет тем больше, чем больше плечо - расстояние по горизонтали между новым положением ЦВ и неизменным положением ЦТ; поэтому оно и называется плечом остойчивости . Пока есть это плечо - действует восстанавливающий момент - судно сохраняет , но как только при дальнейшем нарастании крена плечо исчезнет - ЦВ окажется на одной вертикали с ЦТ, никаких дальнейших усилий для опрокидывания судна уже не потребуется, оно остойчивость потеряет - опрокинется.

Чем дальше в сторону наклонения может уходить центр величины - чем больше плечо остойчивости, тем труднее перевернуть судно, т. е. тем оно остойчивее. Именно поэтому широкое судно всегда будет заметно остойчивее узкого. На четырехвесельном яле, имеющем ширину 1,6 м, гребцы могут вставать и ходить без особого риска, а вот на академической восьмерке шириной 0,7 м достаточно одному гребцу сильнее упереться ногой или чуть выше поднять весло, чтобы возник угрожающий крен!

Особенно важно иметь достаточную ширину на самых малых судах. Заметно влияет на их остойчивость и полнота ватерлинии, т. е. показатель того, какую долю прямоугольника, стороны которого составлены максимальной длиной и шириной, занимает площадь действующей ватерлинии. При прочих равных условиях суда с большей полнотой ватерлинии всегда остойчивее тех, у которых ватерлинии в носу и корме острые.

Остойчивость, особенно при малых углах наклонения, во многом зависит и от формы корпуса - от распределения объемов подводной части корпуса. Ведь, в конечном счете, остойчивость определяется не просто шириной действующей ватерлинии, а положением «точки опоры» - центра фактически погруженного объема.

С точки зрения остойчивости наименее выгодны полукруглые сечения, по условиям ходкости часто применяемые для водоизмещающих судов; близкие к полукруглому сечения имеют корпуса гребных академических лодок, а также относительно узких и длинных катеров, не рассчитанных на глиссирование. Прямоугольное сечение обладает более высокими характеристиками начальной остойчивости; такого рода сечения делают на лодках минимальной длины - тузиках и челноках-плоскодонках. Если же раздвинуть подводные объемы к бортам за счет уменьшения осадки (и объема) в средней части, остойчивость выиграет еще больше: подобную форму имеют корпуса таких новейших универсальных малых лодок, как, например, «Спортиак» и «Дельфин».

Идя по тому же пути, можно еще больше увеличить остойчивость, разрезав корпус вдоль - по ДП - и расставив узкие половинки на какую-то ширину. Так мы подошли к идее двухкорпусного судна, которая находит воплощение в конструкциях как тихоходных плавучих дач или надувных плотов, так и рассчитанных на рекордные скорости гоночных моторных либо парусных катамаранов.

С увеличением углов наклона все большее значение приобретает и форма надводной части корпуса в районе, входящем в воду при крене. Наглядный пример - отсутствие остойчивости у имеющего круглое сечение бревна: при любом его «крене» - повороте вокруг оси - никакого дополнительного объема в воду не входит, форма погруженной части и положение ЦВ не изменяются, восстанавливающего момента не возникает.

По той же причине вреден и некогда модный завал бортов на моторках. Оно и понятно: при нарастании крена ширина ватерлинии не только не увеличивается, а иногда и наоборот - уменьшается! Поэтому на резких поворотах нередко переворачивались старые «Казанки», имевшие завал бортов внутрь в и без того довольно узкой кормовой части.

И наоборот: мерами, повышающими остойчивость, являются развал бортов и закрепление по их верхним кромкам дополнительных элементов плавучести. Объяснение простое: при крене входят в воду объемы именно там, где они нужнее всего для опоры - где они дают большое плечо. В принципе, судно с развалом шпангоутов в надводной части и с относительно узкой ходовой ватерлинией сочетает хорошие скоростные качества с высокой остойчивостью. Такую форму корпуса имели, например, старинные галеры, где, как известно, мощность «двигателя» была ограниченной, а требования к скорости и мореходности - довольно высокими. С той же целью по бортам легких казацких «чаек» привязывали над водой пучки сухого камыша.

По сути дела тем же приемом пользуются наши туристы-парусники, прикрепляя к бортам байдарок надувные баллоны. Еще более эффективным средством повышения остойчивости байдарок при плавании под парусом служат бортовые поплавки, смонтированные на поперечинах. На ровном киле они идут над водой и не тормозят движение. Когда же давление ветра на парус накреняет байдарку-тримаран, подветренный поплавок входит в воду и служит дополнительной опорой, расположенной очень выгодно - далеко от ДП.

Подобной же цели служат и различные бортовые наделки на глиссирующих моторных судах - були и спонсоны : они улучшают остойчивость катера или мотолодки и на стоянке и на ходу. Та же «Казанка» становится более безопасной даже при эксплуатации с «Вихрем» благодаря установке дополнительных объемов плавучести - кормовых булей, входящих в воду при явной перегрузке кормы или при крене на стоянке. При движении прямо вперед нижняя рабочая поверхность булей находится выше ходовой ватерлинии, а при опасных для «Казанки» резких поворотах эта поверхность начинает «работать»: образующаяся на ней при глиссировании гидродинамическая подъемная сила препятствует увеличению крена на циркуляции.

Длина действующей ватерлинии , хотя и в меньшей мере, чем ширина, тоже существенно влияет на остойчивость самых малых судов. Вот показательный случай. Однажды испытывалась секционная туристская байдарка. В одноместном трехсекционном варианте лодка оказалась слишком «спортивной»: те, кто не имел опыта гребли на «академичках», неизменно опрокидывались у самого берега. Однако достаточно было добавить еще одну среднюю секцию длиной 0,8 м, как та же самая лодка становилась «спокойным» туристским судном.

Остойчивость очень тесно связана с другим мореходным качеством судна - непотопляемостью. Подчеркнем: оба этих качества и значительной мере определяет фактическая высота надводного борта . Если надводный борт низкий, то уже при небольших углах крена палуба будет входить в воду, начнет уменьшаться ширина действующей ватерлинии, а с этого момента станет падать плечо остойчивости и восстанавливающий момент. Открытые - беспалубные лодки после входа в воду верхней кромки борта сразу заливаются и опрокидываются (именно так пострадали не искушенные в теории корабля васюкинцы!). Ясно, что чем выше надводный борт, тем больше и допустимый угол крена, критическое значение которого называют углом заливания .

Самый наглядный показатель опасного увеличения крена и приближения к углу заливания - уменьшение надводной высоты борта со стороны крена лодки. Излишне говорить, что чем меньше лодка, тем опаснее любой крен, тем важнее каждый сантиметр фактической высоты надводного борта! Совершенно недопустимо превышение указанной изготовителем грузоподъемности лодки (перегрузка)! Представляет опасность такое расположение грузов, при котором лодка имеет крен уже в момент отхода от берега: ведь это сразу же уменьшает фактическую высоту борта и запас остойчивости вашей лодки!

Не случайно речь идет о фактической высоте надводного борта. История «большого» судостроения знает множество случаев, когда целые и невредимые суда теряли остойчивость только из-за того, что при крене у поверхности воды случайно оказывались какие-либо открытые отверстия в борту.

Любопытную историю рассказывает академик А. П. Крылов. Перед выходом в первое плавание 84-пушечного корабля «Кинг Джордж» (происходило это в 1782 г. в Портсмуте) его специально накренили для исправления какой-то неисправности кингстонов. Края нижнего ряда открытых орудийных портов оказались при этом на уровне лишь на 5-8 см выше поверхности воды. Старший офицер, не отдавая себе отчета в опасном положении корабля, когда именно эти 5-8 см, а не обычные 8 м, являлись фактической высотой борта, приказал вызвать команду к орудиям для подъема флага. Очевидно, матросы бежали по накрененному борту и незначительного увеличения крена оказалось достаточно, чтобы корабль лег на борт и унес на дно более 800 человек...

Итак, необходимыми условиями остойчивости судна являются достаточные его ширина и высота борта. Внесем теперь уточнение. Дело в том, что остойчивость принято подразделять на начальную (в пределах угла крена до 10-20°) и на остойчивость при больших наклонениях . Для малых судов важны, в первую очередь, ширина и характеристики именно начальной остойчивости: до остойчивости на больших углах крена чаще всего «дело не доходит», так как угол заливания обычно лежит в пределах начальной остойчивости. Для более крупных мореходных и закрытых - запалубленных судов важнее высота надводного борта, обеспечивающая остойчивость при больших наклонениях.

Теперь отметим еще одно совершенно очевидное и практически очень важное условие: судно тем остойчивее, чем ниже расположен его центр тяжести . Каждый знает, чему обязаны своей высокой «остойчивостью» ваньки-встаньки и неваляшки! По собственному опыту всем хорошо известно, как начинает раскачиваться любая небольшая лодка, когда в ней встают во весь рост и пытаются пройти от одной банки до другой: при увеличении высоты ЦТ (плеча) намного возрастает величина кренящего момента, хотя сам вес человека и не изменяется...

Именно поэтому на тех же байдарках, ширина которых, как правило, находится на опасном минимальном пределе, сидеть приходится практически прямо на днище. Другой пример. Когда на ялах ставят мачту, появляется приложенная на некоторой высоте сила давления ветра на паруса; чтобы компенсировать возникающий при этом значительный кренящий момент, приходится увеличивать остойчивость тем же способом - всей команде пересаживаться с банок на днище.

И третий пример. Редакторы сборника знакомились с довольно узкой двухместной лодкой (см. фото), спроектированной с расчетом на греблю длинными распашными веслами. Ходовые качества лодки оказались отличными, однако было и одно «но»: пока автор проекта перегонял лодку к месту испытаний, ему уже довелось перевернуться! Оказались в воде и пробовавшие лодку редакторы. Однако достаточно было понизить высоту банок на 150 мм - положение изменилось.

Несмотря на самый строгий режим экономии веса, на те суда, к остойчивости которых предъявляются особенно жесткие требования, приходится специально для понижения ЦТ принимать «мертвый груз» - балласт . Обычно крейсерские яхты и спасательные катера несут постоянный твердый балласт, закрепляемый так низко, как только это допускает конструкция судна. (Чем ниже удается разместить балласт, тем меньше его понадобится для обеспечения определенной высоты ЦТ всего судна!) На таких судах ЦТ стараются располагать под ЦВ. Тогда максимальное значение плеча остойчивости будет достигаться при очень большом крене - вплоть до 90". Для сравнения достаточно сказать, что большинство обычных морских катеров опрокидывается уже при крене 60-75°.

Иногда принимают временный жидкий балласт. Так, на мореходных мотолодках и катерах с килеватыми обводами днища низкую начальную остойчивость на стоянке (валкость) нередко приходится компенсировать приемом воды в специальные балластные цистерны в днищевой части, которые при движении опоражниваются автоматически.

Очень важно, чтобы ЦТ накрененного судна оставался на своем месте: неслучайно на парусных лодках все тяжелые предметы надежно закрепляют, чтобы предотвратить их смещение. Существуют, однако, грузы, которые считаются опасными, так как могут вызвать потерю остойчивости. Это всякого рода сыпучие грузы - от зерна и соли до свежей рыбы, произвольно пересыпающиеся в сторону наклона судна. (Именно от смещения сыпучего груза - зерна - во время урагана опрокинулся и погиб в 1957 г. огромный четырехмачтовый барк «Памир» - последний большой грузовой парусник дедвейтом 4500 т!) Особую опасность представляет жидкий груз. Не будем вдаваться в глубины теории корабля, но подчеркнем, что в данном случае снижает остойчивость не столько вес переливающегося жидкого груза, сколько именно площадь его свободной поверхности .

Как же, спросит читатель, плавают тогда по морям и океанам танкеры, перевозящие этот опасный жидкий груз? Во-первых, корпус танкера разделяют поперечными и продольными непроницаемыми переборками на отдельные отсеки - танки, а в верхней их части ставят так называемые отбойные переборки, дополнительно «разбивающие» свободную поверхность (разбивка же ее на 2 части дает уменьшение вредного влияния на остойчивость в 4 раза). Во-вторых, танки заливают полностью.

По тем же соображениям на катере лучше иметь два топливных бака поуже, чем один широкий. Все запасные цистерны перед штормовым переходом надо заполнять целиком (как говорят моряки - запрессовывать). Расходовать жидкости надо по очереди - сначала до конца из одной цистерны, потом из следующей, чтобы свободным уровень был только в одной из них.

Страшный враг малых судов - вода в трюме, даже если общий вес ее невелик. Однажды вышел на испытания новый рабочий катер. На первом же повороте было отмечено, что на циркуляции катер получает непривычно большой крен и очень «неохотно» выходит из него. Открыли кормовой люк - и увидели, что в ахтерпике гуляет вода, попавшая туда через едва заметную трещину в шве.

Очень важно своевременно осушать корпуса малых судов, принимать меры к тому, чтобы в свежую погоду вода не попадала внутрь через различные отверстия и неплотности.

С опасности от неорганизованных пассажиров мы начали этот разговор об остойчивости. Теперь, когда мы вооружены некоторыми основами теории, подчеркнем еще раз необходимость строго соблюдать установленные правила поведения на борту любых малых судов. Ведь по оплошности вставший на борт легкой мотолодки пассажир - огромная кренящая сила, составляющая почти 1/5 часть водоизмещения судна! А два пассажира, вздумавших одновременно пройти по борту «Прогресса-4» с рубкой - это реальная угроза опрокинуть судно (два таких случая с трагическим исходом произошли в Калинине прошлым летом).

Приглашая гостей на свой «крейсер», вежливо, но решительно проинструктируйте их, познакомьте с существующими правилами безопасности. На самых малых судах бывает нельзя вставать во весь рост и пересаживаться с места на место, а люди могут этого не знать!

До сих пор говорилось о том, что положение ЦТ изменяться не должно. Есть, однако, многочисленный класс спортивных судов, для которых всемерное перемещение ЦТ в сторону, противоположную крену, является важнейшим условием достижения высоких результатов. Речь идет об откренивании легких гоночных швертботов и катамаранов, а иногда и крейсерско-гоночных яхт. Вывешиваясь с помощью трапеции за борт, спортсмен своим весом отодвигает ЦТ и увеличивает плечо остойчивости, что и позволяет уменьшить крен, а то и избежать опрокидывания...

Наконец, следует иметь в виду, что даже судно, остойчивое в одних условиях, может оказаться недостаточно остойчивым в других. Остойчивость может различаться, в частности, на стоянке и во время движения. Поэтому приходится учитывать еще и ходовую остойчивость . Например, водоизмещающий катер, на стоянке даже не реагирующий на сидящего у борта пассажира, при плавании на волнах вдруг начинает крениться в его сторону. Оказывается, катер как бы «зависает», опираясь кормой и носом на гребни двух соседних волн, а из-за того, что вся его средняя часть, наиболее широкая, оказывается в волновой впадине, уменьшилась уже известная нам полнота ватерлинии и сразу же снизилась остойчивость.

На глиссирующих мотолодках возникающие при движении значительные гидродинамические силы поддержания остойчивость, как правило, увеличивают. Однако они же могут стать причиной опрокидывания: например, при слишком резком повороте изменение направления упора винта и резкое повышение (за счет дрейфа) давления у внешней к повороту скулы создают опасную пару сил, которая нередко и переворачивает лодку через внешний к повороту борт.

Наконец, кораблестроители отдельно анализируют случаи динамического приложения кренящих сил (есть и специальное понятие - динамическая остойчивость ): при внезапном и кратковременном приложении больших внешних нагрузок поведение судна может быть совершенно не похожим на классические схемы статической остойчивости. Вот почему в штормовых условиях, при неблагоприятном динамическом воздействии шквала и удара волны переворачиваются, казалось бы, абсолютно остойчивые яхты, специально рассчитанные на плавание в самых суровых океанских условиях. (Переворачивались же яхты Чичестера, Барановского, Льюиса и других смельчаков-одиночек! Тут тонкость в том, что кораблестроители предусмотрели и это: яхты немедленно вставали на ровный киль и снова становились остойчивыми.)

Разумеется, инженеров не удовлетворяют оценки вроде того, что «это судно - остойчивое, а то - не очень»; судостроители характеризуют остойчивость точными величинами, о которых будет рассказано в следующей статье.

При проектировании любого судна, будь то супертанкер или гребная лодка, конструкторы делают специальные расчеты остойчивости, а когда судно проходит испытания, первым делом проверяется соответствие фактической остойчивости проекту. Чтобы иметь гарантию, что остойчивость любого нового судна при нормальной грамотной эксплуатации его в тех условиях, на которые оно рассчитано, достаточна, наблюдающие организации типа Регистра СССР специально выпускают Нормы остойчивости , а затем следят за их соблюдением. Конструкторы, создающие проект судна, выполняют все расчеты, руководствуясь этими нормами остойчивости, проверяют - не опрокинется ли будущее судно под воздействием волны и ветра. Естественно, к отдельным типам судов предъявляются дополнительные требования. Так, пассажирские суда теперь проверяют на случаи скопления всех пассажиров у одного борта да еще при крене на циркуляции (при этом угол крена не должен превышать угла, при котором входит в воду палуба, и величины 12°). Буксирные суда проверяют на действие рывка буксирного троса, а речные буксиры - и на статическое воздействие буксирного троса.

Результаты расчетов вместе с инструкцией капитану судна оформляются в одном из наиболее важных судовых документов, называемом «Информация об остойчивости судна».

Для маломерных судов Речной Регистр признает также натурные испытания головного судна, выполненные по специальной программе. Эти испытания могут в сомнительных случаях заменить соответствующие расчеты.

Маломерный прогулочный флот, подконтрольный навигационно-техническим инспекциям, пока еще не имеет достаточно наглядных и простых норм остойчивости. Мореходные качества таких судов нормируются в основном установлением минимальной высоты надводного борта и отношения длины к ширине (от 2,3 до 1). В зависимости от высоты надводного борта HTИ (теперь ГИМС) делит маломерные суда на три класса: первый - с надводным бортом не менее 250 мм; второй - не менее 350 мм; третий - не менее 500 мм.

В инструкциях, прилагаемых к маломерным судам, выпускаемым промышленностью, обычно имеются основные рекомендации по соблюдению остойчивости. С правилами безопасности каждого судоводителя-любителя знакомят прежде, чем выдать ему удостоверение на право управления судном.

Е. А. Морозов, «КиЯ», 1978 г.