Стійкість судна залежить від відношення. Основи теорії судна. Експлуатаційні, морехідні та маневрені якості. Чинники, що впливають на стійкість судна

Експлуатаційні якості судна

Найбільш характерними для маломірного судна експлуатаційними якостями є: пасажиромісткість,вантажопідйомність, водотоннажність і швидкість.

Пасажиромісткість - показник, що дорівнює кількості обладнаних місць для розміщення людей на судні. Пасажиромісткість залежить від вантажопідйомності:

п = G/100, чол. (З багажем), або п =G/75 , чол. (без багажу)

При цьому округлення отриманого результату проводиться до цілого цілого числа. На маломірному судні наявність обладнаних сидячих місць має відповідати встановленої для судна пасажиромісткості.

Пасажиромісткість орієнтовно можна розрахувати за формулою:

N=Lнб Bнб/K, Чол.,

де К -емпіричний коефіцієнт, що приймається рівним: для моторних та гребних човнів - 1,60; для катерів – 2,15.

Вантажопідйомність- Корисне навантаження судна, що включає в себе масу людей і багажу відповідно до пасажиромісткості. Розрізняють дедвейт та чисту вантажопідйомність.

Дедвейт -це різниця між водотоннажністю в повному вантажі і порожньому.

Чиста вантажопідйомність -це маса лише корисного вантажу, який може прийняти судно.

Для великих суден одиницею зміни вантажопідйомності є тонна, для малих - кг. Вантажопідйомність можна розрахувати за формулами, а можна визначити і досвідченим шляхом. Для цього на судно при водотоннажності порожньому, але з постачанням та запасом пального, послідовно поміщають вантаж до досягнення судном ватерлінії, що відповідає мінімальній висоті надводного борту. Маса вміщеного вантажу відповідає вантажопідйомності судна.

Водотоннажність . Розрізняють два види водотоннажності - масове (вагове) та об'ємне.

Масова (вагова) водотоннажність - це маса судна, що знаходиться на плаву, рівна масі витісненої судном води. Одиницею виміру є тонна.

Об'ємна водотоннажність V - це обсяг підводної частини судна м3. Розрахунок проводиться через основні виміри:

V = SL ВТ,

де S - коефіцієнт повноти водотоннажності, рівний для маломірних суден 0,35 - 0,6, причому менше значення коефіцієнта властиве для невеликих суден з гострими обводами. Для водовипромінюючих катерів S = 0,4 - 0,55, глиссирующих S = 0,45 - 0,6, моторних човнів 5 - 0,35 - 0,5, вітрильних суденцей коефіцієнт коливається від 0,15 до 0,4.

Швидкість.

Швидкість – це відстань, що проходить судном за одиницю часу. На морських суднах швидкість вимірюється у вузлах (миля на годину), але в суднах внутрішнього плавання - кілометрів на годину (км/ч). Судноводію маломірного судна рекомендується знати три швидкості: найбільшу (максимальну), яку судно розвиває за максимальної потужності двигуна; найменшу (мінімальну), за якої судно слухається керма; середню - найбільш економну за порівняно великих переходів. Швидкість залежить від потужності двигуна, розмірів та форми корпусу, завантаження судна та різних зовнішніх факторів: хвилювання, вітру, течії тощо.

Морехідні якості судна

Здатність судна триматися на плаву, взаємодіяти з водою, не перевертатися і не йти на дно при затопленні характеризується його морськими якостями. До них відносяться: плавучість, стійкість і непотоплюваність.

Плавучість.Плавучість - це здатність судна триматися поверхні води, маючи задану осадку. Чим більше вантажу поміщати на судно, тим глибше воно занурюватиметься у воду, але не втратить плавучості доти, доки вода не почне надходити всередину корпусу.

У разі течі в корпусі або пробоїни, а також потрапляння води під час штормової погоди всередину судна збільшується його маса. Тому судно повинне мати запас плавучості.

Запас плавучості -це непроникний для води об'єм корпусу судна, що знаходиться між вантажною ватерлінією та верхньою кромкою борту. За відсутності запасу плавучості судно затоне при попаданні всередину корпусу навіть невеликої кількості води.

Необхідний для безпечного плавання судна запас плавучості забезпечується наданням судну достатньої висоти надводного борту, а також наявності водонепроникних закриттів і переборок між відсіками та блоками плавучості — конструктивними елементами всередині корпусу маломірного судна у вигляді суцільного блоку з матеріалу (наприклад, пінопласту), що має . За відсутності таких перебірок і блоків плавучості будь-яка пробоїна підводної частини корпусу призводить до повної втрати запасу плавучості та загибелі судна.

Запас плавучості залежить від висоти надводного борту - що вище надводний борт, то більше вписувалося запас плавучості. Цей запас нормується мінімальною висотою надводного борту, залежно від величини якої для конкретного маломірного судна встановлюються район безпечного плавання та припустиме віддалення від берега. Однак зловживати висотою надводного борту не можна, оскільки це відбивається на іншій не менш важливій якості - стійкості

Стійкість.Постійність - це здатність судна протистояти силам, що викликає його спосіб, а після припинення дії цих сил (вітер, хвиля, переміщення пасажирів та ін) повертатися в початкове положення рівноваги. Одне і те судно може мати хорошу стійкість при розміщенні в ньому вантажу близько до днища і може частково або повністю втратити стійкість, якщо вантаж або людей розмістити трохи вище

Розрізняють два види стійкості: поперечну та поздовжню. Поперечна стійкість проявляється за крену судна, тобто. при способах його на борт. Під час плавання на судно діють дві сили: тяжкості та підтримки. Равнодіюча D (рис. 1, а) сили тяжіння судна, спрямована вниз, буде умовно прикладена в точці G, яка називається центром тяжіння (ЦТ), а рівнодіюча А сил підтримки, спрямована вгору, буде умовно прикладена в центрі тяжіння З зануреною у воду частини судна, що називається центром величини (ЦВ). Коли судно не має диферента та крену, ЦТ та ЦВ будуть розташовані в діаметральній площині судна (ДП).

Рис 1 Розташування рівнодіючих сил тяжкості та підтримки щодо один одного при різних положеннях судна

Значення ho характеризує стійкість судна при малих способах. Положення точки М цих умовах майже залежить від кута крену ф.

Сила D і рівна їй сила підтримки А утворюють пару з плечем /, що створює відновлюючий момент MB=Dl. Цей момент прагне повернути судно у початкове становище. Зауважимо, що ЦТ при цьому знаходиться нижче за точку М.

Тепер уявімо, що на палубу цього ж судна покладено додатковий вантаж (рис. 1, в). В результаті ЦТ розташується значно вище, і при крені точка М виявиться нижчою за нього. Пара сил, що утворюється при цьому, створюватиме вже не відновлюючий, а перекидальний момент Мопр. Отже, судно буде нестійке і перекинеться.

на поперечну стійкістьсудна великий вплив має ширина корпусу: чим ширший корпус, тим стійкіше судно, і, навпаки, чим корпус вже і вище, тим стійкість буде гірше.

Для маломірних швидкісних суден (особливо при русі на великої швидкостіпід час хвилювання) далеко не завжди вирішеною проблемою є і збереження поздовжньої стійкості.

У кільових маломірних суден початкова метацентрична висота дорівнює, як правило, 0,3 - 0,6 м. Остійність судна залежить від завантаження судна, переміщення вантажів, пасажирів та інших причин. Чим більше метацентрична висота, тим більше відновлюючий момент і стійкіше судно, проте при великій стійкості судно має різку хитавицю. Покращує стійкість низьке розташування двигуна, паливного бака, сидінь та відповідне розміщення вантажів та людей.

При шквальному вітрі, сильному ударі хвилі об борт і в деяких інших випадках крен судна збільшується швидко і виникає динамічний момент, що хрещує. У цьому випадку крен судна буде збільшуватися і після досягнення рівності моменту, що хрещує і відновлює. Це відбувається через дію сили інерції. Зазвичай такий крен вдвічі більше крену від статичної дії такого ж моменту, що хрінить. Тому плавання за штормової погоди, особливо маломірних суден, дуже небезпечне.

Поздовжня стійкістьдіє при способах судна на ніс чи корму, тобто. при кільовій хитавиці. Цю стійкість судноводію слід враховувати під час руху на високих швидкостях під час хвилювання, т.к. "закопавшись" носом у воду катер або мотолодка може не відновити свого початкового положення і затонути, а іноді й перевернутися.

Чинники, що впливають на стійкість судна:

а) На стійкість судна найбільш відчутно впливає його ширина: чим більше вона по відношенню до його довжини, висоті борту та осідання, тим вище стійкість.

б) стійкість невеликого судна підвищується, якщо змінити форму зануреної частини корпусу при великих кутах крену. На цьому твердженні, наприклад, засновано дію бортових булів та пінопластового привального бруса, які при зануренні у воду створюють додатковий - момент, що відновлює.

в) Стійкість погіршується за наявності на судні паливних баків із дзеркалом поверхні від борту до борту, тому ці баки повинні мати внутрішні перегородки

г) На стійкість найбільше впливає розміщення на судні пасажирів і вантажів, їх слід розташовувати якомога нижче. Не можна допускати на судні малих розмірів під час його руху сидіння людей на борту та їхнє довільне переміщення. Вантажі повинні бути надійно закріплені, щоб виключити їх несподіване зміщення з місць укладання. погодних умовнеобхідно відвести судно в укриття та перечекати негоду. Якщо цього зробити неможливо через значну відстань до берега, то в штормових умовах потрібно намагатися тримати судно "носом на вітер", викинувши плавучий якір і працюючи двигуном на малому ходу.

Непотоплюваність.Непотоплюваність – це здатність судна після затоплення частини судна зберігати плавучість.

Непотоплюваність забезпечується конструктивно - розподілом корпусу на водонепроникні відсіки, обладнанням судна блоками плавучості та водовідливними засобами.

Незатоплювані обсяги корпусу найчастіше є блоками з пінопласту. Необхідна його кількість та розташування розраховуються для забезпечення аварійного запасу плавучості та підтримки аварійного судна у положенні "на рівному кілі".

Безумовно, що в умовах сильного хвилювання далеко не кожна пробоїна. моторний човента катер забезпечать виконання цих вимог.

Маневрені якості маломірного судна

До основних маневрених якостей судна відносяться: керованість, циркуляція, ходкість та інерція

Керованість.Керованість - це здатність судна утримувати на ходу заданий напрямок руху при незмінному положенні керма (стійкість на курсі) і змінювати на ходу напрямок свого руху під дією керма (поворотливість).

Стійкістю на курсіназивається властивість судна зберігати прямолінійний напрямок руху. Якщо судно при прямому положенні керма відхиляється від курсу, таке явище прийнято називати ризиковістю судна.

Якщо судно при прямому положенні керма відхиляється від курсу, таке явище прийнято називати ризиковістю судна.

Причини, що викликають ризик, можуть бути постійними і тимчасовими. До постійних належать причини, пов'язані з конструктивними особливостями судна: тупі носові обводи корпусу, невідповідність довжини судна його ширині, недостатня площа пера руля, вплив обертання гребного гвинта

Тимчасова ризиковість може бути викликана неправильним завантаженням судна, вітром, мілководдям, нерівною течією і т.п.

Поняття "стійкість на курсі" та "поворотливість" є суперечливими, проте ці якості притаманні практично всім судам і характеризують їхню керованість.

На керованість впливає багато факторів та причин, головними з яких є дія керма, робота гвинта та їх взаємодія.

Поворотливість- властивість судна змінювати напрямок руху під дією керма. Ця якість насамперед залежить від правильного співвідношення довжини та ширини корпусу, форми його обводів, а також від площі пера керма.

Особливості керованості судна під час переходу з переднього ходу на задній

Під час проведення швартових операцій чи необхідності терміново зупинити судно (небезпека зіткнення, запобігання посадки на мілину, надання допомоги людині за бортом та інших.) доводиться переходити з переднього ходу задній. У цих випадках судноводій повинен враховувати, що в перші секунди при зміні роботи гвинта правого обертання з переднього ходу на задній корма стрімко покотиться вліво, при гвинті лівого обертання - вправо.

Причини, що впливають на керованість

Крім керма і гвинта, що обертається, на стійкість і поворотливість судна впливають і інші причини, а також цілий ряд конструктивних особливостей судна: відносини головних розмірів, форми обводів корпусу, параметрів керма і гвинта. Керованість залежить від умов плавання: характеру завантаження судна, гідрометеорологічних чинників.

ЦиркуляціяЯкщо під час руху судна перекласти кермо в будь-яку сторону, судно почне повертатися і опише на воді криву лінію. Ця крива, що описується центром тяжкості судна при обороті, називається лінією циркуляції (рис. 2), а відстань між діаметральною площиною судна на прямому курсі та його діаметральною площиною після повороту на зворотний курс (180) - тактичним діаметром циркуляції. Чим менше тактичний діаметрциркуляції, тим краще вважається поворотність судна. Ця крива близька до кола, а її діаметр є мірою поворотливості судна

Вимірюється діаметр циркуляції зазвичай, у метрах. Для маломірних моторних суден розмір тактичного діаметра циркуляції здебільшого дорівнює 2-3 довжин судна. Кожному водієві необхідно знати діаметр циркуляції судна, яким йому доводиться керувати, тому що від цього залежить правильне і безпечне маневрування. Швидкість судна на циркуляції зменшується до 30%. Ніколи не слід забувати, що при русі кривою на судно діє відцентрова сила (рис. 3), спрямована від центру кривизни у зовнішню сторону і прикладена до центру тяжкості судна.

Рис 2 Циркуляція / - Лінія циркуляції, 2 - тактичний діаметр циркуляції, 3 - діаметр циркуляції, що встановилася

Дрейфу судна, що виникає від відцентрової сили, перешкоджає сила опору води — бічний опір, точка застосування якої розташована нижче центру тяжіння. В результаті виникає пара сил, що створює крен на борт, протилежний напрямку повороту. Нахил збільшується з підвищенням центру тяжкості судна над центром бічного опору та зі зменшенням метацентричної висоти.

Збільшення швидкості при повороті і зменшення діаметра циркуляції значно збільшують крен, що може призвести до перекидання судна. Тому ніколи не робіть різких поворотів під час руху судна на великій швидкості.

На відміну від звичайних судин судин з глісуючими обводами на циркуляції отримують крен у внутрішню сторону (рис. 4). Походить це від додаткової підйомної сили, що виникає на корпусі при бічному зміщенні у зв'язку з обводами, що глісують. Одночасно з цим відбувається ковзання під дією відцентрової сили на зовнішню сторону, чому у глісуючих суден порівняно з водовипромінюючими суднами циркуляція дещо більша.

Крім діаметра циркуляції слід знати та її час, тобто. час, протягом якого судно робить поворот на 360°.

Названі елементи циркуляції залежать від водотоннажності судна та характеру розміщення вантажу за його довжиною, а також від швидкості ходу. На малій швидкості діаметр циркуляції менший.

Хідкість.Хідкість - це здатність судна рухатися з певною швидкістю при заданій потужності двигуна, долаючи при цьому сили опору руху.

Рух судна можливий лише за наявності певної сили, яка здатна подолати опір води – упор. При незмінній швидкості величина упору дорівнює величині опору води. Швидкість ходу судна та упор пов'язані наступною залежністю:

R. V = ho-N.де: V - швидкість судна; К – опір води; N – потужність двигуна; ho -ККД = 0,5.

Це рівняння показує, що зі збільшенням швидкості зростає опір води. Однак ця залежність має різний фізичний зміст і характер для водоймних суден і глісуючих.

Так наприклад, при швидкості водовипромінюючого судна до величини, що дорівнює V = 2 ÖL, км/год (L - довжина судна, м), опір води До складається з опору тертя води про обшивку корпусу і опору форми, що створюється завихрення води. Коли швидкість цього судна перевищує зазначену величину, починають утворюватися хвилі і до двох опор додається третє - хвильове. Хвильовий опір різко зростає зі збільшенням швидкості.

Для глісуючих суден характер опору води такий самий як і для водовипромінюючих та величини швидкості V = 8 ÖL км/год. Однак при подальшому збільшенні швидкості судно отримує значний диферент на корму і його ніс піднімається. Цей режим руху носить назву перехідної (від водовипромінюючого до глісуючого). Характерною ознакою початку гліссування є мимовільне збільшення швидкості судна. Це викликано тим, що після підйому носової частини загальний опір води судну знижується, воно хіба що " підспливає " і збільшує швидкість при постійної потужності.

При глиссировании виникає ще одне вид опору води - бризкове, а хвильове опір і опір форми різко знижуються та його величини практично зводяться нанівець.

Таким чином на ходкість судна впливають чотири види опору:

опір тертя- залежить від площі змоченої поверхні судна, від якості її обробки та ступеня обростання (водорослями, молюсками тощо);

опір форми- залежить від обтічності корпусу судна, яка у свою чергу тим краще, чим гостріший кормовий край і чим більша довжина судна в порівнянні з шириною;

хвильовий опір- залежить від форми носового краю та довжини судна, чим довше судно, тим менше хвилеутворення;

бризковий опір- Залежить від відношення ширини корпусу до його довжини.

Висновок: 1. Найменший опір води випробовують водовипромінюючі судна з вузьким корпусом, круглясними обводами та загостреними носовими та кормовими краями.

2. У глісуючих суден, за відсутності хвилювання, широкий плоскодонний корпус з транцевою кормою забезпечує найменший опір води при найбільшій гідродинамічній підйомній силі.

Більше морехідні глісуючі судна з кілеватим або напівкільуватим корпусом. Підвищення швидкості цих суден досягається поздовжніми реданами та вилицьовими бризковідбійниками.

Інерція.Дуже важливою маневреною якістю судна є його інерція. Її зазвичай прийнято оцінювати довжинами гальмівного шляху, вибігу та шляхи розгону, а також їх тривалістю. Відстань, яка проходить судно за проміжок часу від моменту перемикання двигуна з повного ходу вперед на задній хід до моменту остаточної зупинки судна, називається гальмівним шляхом. Ця відстань зазвичай виражається у метрах, рідше – у довжинах судна. Відстань, що проходить судном за проміжок часу від моменту зупинки двигуна, що працює на передній хід, до зупинки судна під дією сили опору води, називається вибігом. Відстань, що проходить судно з моменту включення двигуна на передній хід до моменту придбання повної швидкості при заданому режимі роботи двигуна, називається шляхом розгону. Точне знання водієм зазначених вище якостей свого судна у великій мірі забезпечує безпеку маневрування у вузьках та на рейдах із обмеженими умовами плавання. Пам'ятайте! Моторні судна не мають гальм, тому для погашення інерції їм часто потрібно значно більше відстані та часу, ніж, скажімо, автомобілю

Взаємним розташуванням вантажу на судні судноводій завжди може знайти найбільш вигідне значення метацентричної висоти, при якій судно буде досить стійким і менше зазнавати хитавиці.

Нахиляючим моментом називається добуток ваги вантажу, що переміщується впоперек судна, на плече, що дорівнює відстані переміщення. Якщо людина вагою 75 кг,що сидить на банку, переміститься поперек судна на 0,5 м,то кренний момент дорівнюватиме 75 * 0,5 = 37,5 кг/м.

Рис. 91.Діаграма статичної стійкості

Для зміни моменту, що нахиляє судно на 10°, треба завантажити судно до водотоннажності абсолютно симетрично щодо діаметральної площини.

Завантаження судна слід перевірити по осадах, що вимірюються з обох бортів. Креномер встановлюється строго перпендикулярно до діаметральної площини таким чином, щоб він показав 0°.

Після цього треба переміщати вантажі (наприклад, людей) на заздалегідь розмічені відстані, поки креномер не покаже 10°. Досвід для перевірки слід зробити так: нахилити судно на один, а потім на інший борт.

Знаючи моменти, що кріплять судно на різні (до найбільшого можливого) кути, можна побудувати діаграму статичної стійкості (рис. 91), що оцінить стійкість судна.

Стійкість можна збільшувати за рахунок збільшення ширини судна, зниження ЦТ, пристрою кормових булів.

Якщо центр тяжіння судна розташований нижче центру величини, то судно вважається вельми стійким, оскільки сила підтримки при крені не змінюється за величиною та напрямом, але точка її застосування зміщується у бік нахилу судна (рис. 92, а).

Тому при крені утворюється пара сил з позитивним моментом, що відновлює, що прагнуть повернути судно в нормальне вертикальне положення па прямий кіль. Легко переконатися, що h>0, при цьому метацентрична висота дорівнює 0. Це типово для яхт з важким кілем і нетипово для більш великих судівіз звичайним пристроєм корпусу.

Якщо центр тяжіння розташований вище за центр величини, то можливі три випадки стійкості, які судноводій повинен добре знати.

Перший випадок стійкості.

Метацентрична висота h>0. Якщо центр тяжіння розташований вище центру величини, то при похилому положенні судна лінія дії сили підтримки перетинає діаметральну площину вище центру тяжіння (рис. 92 б).

Мал. 92.Випадок стійкого судна

У цьому випадку також утворюється пара сил з позитивним моментом, що відновлює. Це притаманно більшості судів нормальної форми. У цьому випадку стійкість залежить від корпусу і положення центру ваги по висоті.

При крені борт, що крениться, входить у воду і створює додаткову плавучість, що прагне вирівняти судно. Однак при крені судна з рідкими та сипучими вантажами, здатними переміщатися у бік крену, центр ваги також зміститься у бік крену. Якщо центр тяжіння при крені переміститься за вертикальну лінію, що з'єднує центр величини з метацентром, судно перекинеться.

Другий випадок нестійкого судка при байдужій рівновазі.

Метацентрична висота h = 0. Якщо центр тяжіння лежить вище за центр величини, то при крене лінія дії сили підтримки проходить через центр тяжіння MG = 0 (рис. 93).

У даному випадку центр величини завжди розташовується на одній вертикалі з центром тяжіння, тому пара сил, що відновлюється, відсутня. Без впливу зовнішніх сил судно не може повернутись у пряме положення.

В даному випадку особливо небезпечно і зовсім неприпустимо перевозити на судні рідкі та сипкі вантажі: при найменшій хитавиці судно перевернеться. Це властиво шлюпкам із круглим шпангоутом.

Третій випадок нестійкого судна за нестійкої рівноваги.

Метацентрична висота 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).

Остійність (stability) — одна з найважливіших морехідних якостей судна, з яким пов'язані надзвичайно важливі питання безпеки плавання. Втрата стійкості майже завжди означає загибель судна і часто екіпажу. На відміну від зміни інших морехідних якостей зменшення стійкості не проявляється видимим чином, і екіпаж судна, як правило, не підозрює про небезпеку, що загрожує, до останніх секунд перед перекиданням. Тому вивченню цього розділу теорії корабля необхідно приділяти найбільшу увагу.

Для того щоб судно плавало в заданому рівноважному положенні щодо поверхні води, воно повинно не тільки задовольняти умовам рівноваги, але і бути здатним чинити опір зовнішнім силам, що прагнуть вивести його з рівноважного положення, а після припинення дії цих сил - повертатися в початкове становище. Отже, рівновага судна має бути стійкою або, іншими словами, судно має мати позитивну стійкість.

Таким чином, стійкість - це здатність судна, виведеного зі стану рівноваги зовнішніми силами, знову повертатися до початкового положення рівноваги після припинення дії цих сил.

Остійність судна пов'язана з його рівновагою, яка служить характеристикою останньої. Якщо рівновага судна стійка, то судно має позитивну стійкість; якщо його рівновага байдужа, то судно має нульову стійкість, і, нарешті, якщо рівновага судна нестійка, то воно має негативну стійкість.

Танкер Капітан Ширяєв
Джерело: fleetphoto.ru

У цьому розділі розглядатимуться поперечні способи судна в площині мідель-шпангоуту.

Остійкість при поперечних способах, т. е. у разі виникнення крену, називається поперечної. Залежно від кута способу судна поперечна стійкість ділиться на стійкість при малих кутах способу (до 10-15 град), або так звану початкову стійкість, і стійкість при великих кутах способу.

Нахилення судна відбуваються під впливом пари сил; момент цієї пари сил, що викликає поворот судна навколо поздовжньої осі, будемо називати кренним Мкр.

Якщо Мкр, прикладений до судна, наростає поступово від нуля до кінцевого значення і не викликає кутових прискорень, а отже, і сил інерції, то стійкість при такому способі називається статичною.

Момент, що діє на судно миттєво, призводить до виникнення кутового прискорення та інерційних сил. Остійність, що виявляється при такому способі, називається динамічною.

Статична стійкість характеризується виникненням відновлювального моменту, який прагне повернути судно в початкове положення рівноваги. Динамічна стійкість характеризується роботою цього моменту від початку до кінця його дії.

Розглянемо рівнооб'ємний поперечний спосіб судна. Вважатимемо, що у вихідному положенні судно має пряму посадку. В цьому випадку сила підтримки D' діє в ДП і прикладена в точці С - центр величини судна (Centre of buoyancy-В).

Мал. 1

Припустимо, що судно під дією моменту, що хрещує, отримало поперечний спосіб на малий кут θ. Тоді центр величини переміститься з точки С в точку С 1 і сила підтримки, перпендикулярна до нової діючої ватерлінії В 1 Л 1 буде спрямована під кутом θ до діаметральної площини. Лінії дії початкового та нового напрямку сили підтримки перетнуться у точці m. Ця точка перетину лінії дії сили підтримки при нескінченно малому рівнооб'ємному способі плаваючого судна називається поперечним мета центром (metacentre).

Можна дати інше визначення метацентр: центр кривизни кривої переміщення центру величини в поперечній площині називається поперечним мета центром.

Радіус кривизни кривої переміщення центру величини у поперечній площині називається поперечним мета центричним радіусом (або малим метацентричним радіусом) (Radius of metacentre). Він визначається відстанню від поперечного метацентру m до центру величини З і позначається буквою r.

Поперечний метацентричний радіус може бути обчислений за допомогою формули:

тобто поперечний метацентричний радіус дорівнює моменту інерції Ix площі ватерлінії щодо поздовжньої осі, що проходить через центр тяжкості цієї площі, поділеному на відповідну цій ватерлінії об'ємну водотоннажність V.

Умови стійкості

Припустимо, що судно, що знаходиться в прямому положенні рівноваги і плаває по ватерлінії ПЛ, в результаті дії зовнішнього моменту, що хрещує Мкр нахилилося так, що вихідна ватерлінія ПЛ з новою діючою ватерлінією В 1 Л 1 утворює малий кут θ. Внаслідок зміни форми зануреної у воду частини корпусу, розподіл гідростатичних сил тиску, що діють на цю частину корпусу, також зміниться. Центр величини судна переміститься у бік крену і перейде з точки С до точки С1.

Сила підтримки D', залишаючись незмінною, буде спрямована вертикально вгору перпендикулярно до нової діючої ватерлінії, а її лінія дії перетне ДП у початковому поперечному метацентрі m.

Положення центру тяжкості судна залишається незмінним, а сила ваги Р буде перпендикулярна до нової ватерлінії В 1 Л 1 . Таким чином, сили Р і D', паралельні одна одній, не лежать на одній вертикалі і, отже, утворюють пару сил із плечем GK, де точка К - основа перпендикуляра, опущеного з точки G на напрямок дії сили підтримки.

Пара сил, утворена вагою судна і силою підтримки, що прагне повернути судно в початкове положення рівноваги, називається парою, що відновлює, а момент цієї пари - відновлюючим моментом Мθ.

Питання про стійкість накрененного судна вирішується напрямом дії моменту, що відновлює. Якщо момент, що відновлює, прагне повернути судно в початкове положення рівноваги, то відновлюючий момент позитивний, стійкість судна також позитивна - судно стійке. На рис. 2 показано розташування сил, що діють на судно, яке відповідає позитивному відновлюючому моменту. Неважко переконатися, що такий момент виникає, якщо ЦТ лежить нижче за метацентр.

Мал. 2 Мал. 3

На рис. 3 показаний протилежний випадок, коли відновлюючий момент негативний (ЦТ лежить вище за метацентр). Він прагне ще більше відхилити судно з положення рівноваги, тому що напрямок його дії збігається з напрямком дії зовнішнього моменту, що хрещує Мкр. В цьому випадку судно не стійке.

Теоретично можна припустити, що відновлюючий момент при способі нахилення судна дорівнює нулю, тобто сила ваги судна і сила підтримки розташовуються на одній вертикалі, як це показано на рис. 4.

Мал. 4

Відсутність відновлювального моменту призводить до того, що після припинення дії моменту, що хрещує, судно залишається в нахиленому положенні, тобто судно знаходиться в байдужій рівновазі.

Таким чином, за взаємним положенням поперечного метацентру m і Ц.Т. G можна будувати висновки про знак відновлюючого моменту чи, інакше кажучи, про стійкість судна. Так, якщо поперечний метацентр знаходиться вище за центр тяжіння (рис. 2), то судно стійке.

Якщо поперечний метацентр розташований нижче центру тяжіння або збігається з ним (рис. 3, 4), судно не стійке.

Звідси виникає поняття мета центричної висоти (Metacentric height): поперечною метацентричною висотою називається підвищення поперечного метацентру над центром тяжкості судна в початковому положенні рівноваги.

Поперечна метацентрична висота (мал. 2) визначається відстанню від центру тяжкості (т. G), до поперечного метацентру (т. m), тобто відрізком mG. Цей відрізок є постійною величиною, тому що і Ц.Т. і поперечний метацентр не змінюють свого положення при малих способах. У зв'язку з цим його зручно приймати як критерій початкової стійкості судна.

Якщо поперечний метацентр перебуватиме вище центру тяжкості судна, то поперечна метацентрична висота вважається позитивною. Тоді умову стійкості судна можна дати у наступному формулюванні: судно стійке, якщо його поперечна метацентрична висота позитивна. Таке визначення зручне тим, що воно дозволяє судити про стійкість судна, не розглядаючи його способу, тобто при вугіллі нахилу рівному нулю, коли відновлюючий момент взагалі відсутній. Щоб встановити, які дані необхідно мати для отримання значення поперечної метацентричної висоти, звернімося до рис. 5, на якому показано відносне розташування центру величини, центру тяжкості G і поперечного метацентру m судна, що має позитивну початкову поперечну стійкість.

Мал. 5

З малюнка видно, що поперечна метацентрична висота h може бути визначена однією з наступних формул:

h = Z C ± r - Z G;

Поперечна метацентрична висота визначається найчастіше за допомогою останньої рівності. Аплікату поперечного метацентру Zm може бути знайдено за метацентричною діаграмою. Основні труднощі щодо поперечної метацентричної висоти судна виникають щодо аплікати центру тяжкості ZG, визначення якої виробляється з допомогою зведеної таблиці навантаження мас судна (питання розглядалося в лекції — ).

В іноземній літературі позначення відповідних точок та параметрів стійкості може виглядати так, як зазначено нижче на рис. 6.

Мал. 6

• де К - точка кіля;
• В – центр величини (Centre of buoyancy);
• G - центр тяжкості (Centre of gravity);
• М – поперечний метацентр (metacentre);
• КВ – аплікату центру величини;
• KG – аплікату центру тяжіння;
• КМ - аплікату поперечного метацентру;
• ВМ – поперечний метацентричний радіус (Radius of metacentre);
• BG - підвищення центру тяжкості над центром величини;
• GM – поперечна метацентрична висота (Metacentric height).

Пліч стотичної стійкості, що позначається в нашій літературі як GK, в іноземній літературі позначається - GZ.

Пропонується до прочитання:

Теоретично поперечної стійкості розглядаються способи судна, що відбуваються в площині міделя, причому зовнішній момент, званий нахиляючим моментом, також діє в площині міделя.

Не обмежуючись поки малими способами судна (вони будуть розглянуті як окремий випадок у розділі «Початкова стійкість»), розглянемо загальний випадок нахилення судна від дії постійного в часі зовнішнього моменту, що хрещує. На практиці такий хрещення може виникати, наприклад, від дії постійного за силою вітру, напрям якого збігається з поперечною площиною судна - площиною міделя. При впливом цього моменту, що кренить, судно має постійний крен на протилежний борт, величина якого визначається силою вітру і відновлюючим моментом з боку судна.

У літературі з теорії судна прийнято поєднувати малюнку відразу два становища судна – пряме і з креном. Нахиленому положенню відповідає нове положення ватерлінії щодо судна, якому відповідає постійний занурений об'єм, проте форма підводної частини накраненого судна вже не має симетрії: правий борт занурений більше лівого (Рис.1).

Усі ватерлінії, що відповідають одному значенню водотоннажності судна (при постійній вазі судна) прийнято називати рівнооб'ємними.

Точне зображення малюнку всіх равнообъемных ватерліній пов'язані з великими труднощами розрахункового характеру. Теоретично судна існує кілька методик для графічного зображення рівнооб'ємних ватерліній. При дуже малих кутах крену (при нескінченно малих рівнооб'ємних способах) можна скористатися наслідком з теореми Л. Ейлера, згідно з яким дві рівнооб'ємні ватерлінії, що відрізняються на нескінченно малий кут крену, перетинаються по прямій, що проходить через їх загальний центр тяжкості площі (при кінцевих твердження втрачає чинність, оскільки кожна ватерлінія має свій центр тяжкості площі).

Якщо відволіктися від реального розподілу сил ваги судна та гідростатичного тиску, замінивши їх дію зосередженими рівнодіючими, то приходимо до схеми (Рис.1). У центрі тяжкості судна прикладена сила ваги, спрямована завжди перпендикулярно до ватерлінії. Паралельно їй діє сила плавучості, прикладена у центрі підводного обсягу судна – у так званому центрі величини(крапка З).

Внаслідок того, що поведінка (і походження) цих сил не залежать одна від одної, вони вже не діють вздовж однієї лінії, а утворюють пару сил, паралельних та перпендикулярних діючій ватерлінії У 1 Л 1. Щодо сили ваги Рможна сказати, що вона залишається вертикальною та перпендикулярною поверхні води, а нахилене судно відхиляється від вертикалі, і лише умовність малюнка вимагає відхиляти вектор сили ваги від діаметральної площини. Специфіку такого підходу легко собі усвідомити, якщо уявити ситуацію із закріпленою на судні відеокамерою, що дає на екрані поверхню моря, нахилену на кут, що дорівнює куту крену судна.

Отримана пара сил створює момент, який прийнято називати відновлюючим моментом. Цей момент протидіє зовнішньому моменту, що хрещує, і є головним об'єктом уваги в теорії стійкості.

Величина відновлювального моменту може бути обчислена за формулою (як для будь-якої пари сил) як добуток однієї (кожної з двох) сили на відстань між ними, зване плечем статичної стійкості:

Формула (1) вказує на те, що і плече і сам момент залежить від кута нахилу судна, тобто. є змінними (у сенсі крену) величини.

Однак, не при всіх випадках напрямок відновлювального моменту відповідатиме зображенню на Рис.1.

Якщо центр тяжкості (внаслідок особливостей розміщення вантажів по висоті судна, наприклад, при надлишку вантажу на палубі) виявляється досить високо, може виникнути ситуація, коли сила ваги виявиться праворуч від лінії дії сили підтримки. Тоді їхній момент діятиме у протилежному напрямку та сприятиме накрененню судна. Разом із зовнішнім моментом, що кренить, вони будуть перекидати судно, оскільки інших протидіючих моментів більше немає.

Ясно, що в цьому випадку слід оцінювати цю ситуацію як неприпустиму, тому що судно не має стійкості. Отже, при високому положенні центру ваги судно може втрачати цю важливу морехідну якість – стійкість.

На морських водовипромінюючих суднах можливість здійснювати вплив на стійкість судна, «керувати» нею, надається судноводію лише шляхом раціонального розміщення вантажів та запасів за висотою судна, що визначають положення центру тяжкості судна. Як би там не було, вплив членів екіпажу на положення центру величини виключено, оскільки воно пов'язане з формою підводної частини корпусу, яка (за постійної водотоннажності та осідання судна) незмінна, а за наявності крену судна змінюється без участі людини і залежить тільки від осідання. Вплив людини форму корпусу закінчується на стадії проектування судна.

Таким чином, дуже важливе для безпеки судна положення центру ваги по висоті знаходиться у «сфері впливу» екіпажу і потребує постійного контролю за допомогою спеціальних обчислень.

Для розрахункового контролю наявності у судна «позитивної» стійкості використовується поняття метацентру та початкової метацентричної висоти.

Поперечний метацентр- Це точка, що є центром кривизни траєкторії, по якій центр величини переміщується при нахиленні судна.

Отже, метацентр (як і і центр величини) є специфічної точкою, поведінка якої виключно визначається лише геометрією форми судна у підводної частини та її осадкою.

Положення метацентру, що відповідає посадці судна без крену, прийнято називати початковим поперечним метацентром.

Відстань між центром тяжкості судна та початковим метацентром у конкретному варіанті завантаження, виміряна в діаметральній площині (ДП), називається початковою поперечною метацентричною висотою.

На малюнку видно, що нижчий розташовується центр тяжкості по відношенню до постійного (для даної опади) початковому метацентру, то більше буде метацентрична висота судна, тобто. тим більше виявляється плече моменту, що відновлює, і сам цей момент.

Таким чином, метацентрична висота є важливою характеристикою, яка служить контролю наявності у судна стійкості. І чим більше її величина, тим більше при тих же кутах нахилу буде величина моменту, що відновлює, тобто. протидія судна накрененню.

При малих нахилення судна метацентр приблизно знаходиться на місці початкового метацентру, оскільки траєкторія центру величини (точки З) близька до кола, і його радіус постійний. З трикутника з вершиною в метацентрі випливає корисна формула, справедлива при малих кутах крену ( θ <10 0 ÷12 0):

де кут крену θ слід використовувати у радіанах.

З виразів (1) і (2) легко отримати вираз:

яке показує, що плече статичної стійкості та метацентрична висота не залежать від ваги судна та його водотоннажності, а являють собою універсальні характеристики стійкості, за допомогою яких можна порівнювати стійкість судів різних типів та розмірів.

Так для суден з високим положенням центру тяжіння (лісовози) початкова метацентрична висота набуває значення h 0≈ 0 – 0,30 м, для суховантажних суден h 0≈ 0 – 1,20 м, для балкерів, криголамів, буксирів h 0> 1,5 ÷ 4,0 м.

Проте, метацентрична висота негативних значень не повинна приймати. Формула (1) дозволяє зробити інші важливі висновки: оскільки порядок величин відновлювального моменту визначається в основному величиною водотоннажності судна Р, то плече статичної стійкості є «керівною величиною», що впливає на діапазон зміни моменту М впри даному водотоннажності. І від найменших змін l (θ)за рахунок неточностей його обчислення або похибок вихідної інформації (дані, що знімаються з суднових креслень, або параметри, що заміряються на судні) істотно залежить величина моменту М в, Що визначає здатність судна чинити опір нахилам, тобто. визначального його стійкість.

Таким чином, початкова метацентрична висота відіграє роль універсальної характеристики стійкості, що дозволяє судити про її наявність та величину безвідносно від розмірів судна.

Якщо простежити за механізмом стійкості при великих кутах крену, то виявляться нові особливості моменту, що відновлює.

При довільних поперечних способах судна кривизна траєкторії центру величини Ззмінюється. Ця траєкторія - вже не коло з постійним радіусом кривизни, а є якоюсь плоскою кривою, що має в кожній своїй точці різні значення кривизни і радіуса кривизни. Як правило, цей радіус з креном судна збільшується і поперечний метацентр (як початок цього радіусу) виходить з діаметральної площини і переміщається по траєкторії, відстежуючи переміщення центру величини в підводній частині судна. При цьому, зрозуміло, саме поняття метацентричної висоти стає незастосовним, і лише момент, що відновлює (і його плече l(θ)) залишаються єдиними характеристиками стійкості судна при більших способах.

Однак, при цьому початкова метацентрична висота не втрачає своєї ролі бути основною вихідною характеристикою стійкості судна в цілому, оскільки від її величини, як від якогось «коефіцієнта масштабу» залежить порядок величин моменту, що відновлює, тобто. її непряме впливом геть стійкість судна великих кутах крену зберігається.

Отже, контролю стійкості судна, здійснюваного перед завантаженням, необхідно першому етапі оцінити значення початкової поперечної метацентрической висоти h 0, користуючись виразом:

де z G і z M 0 – аплікати центру тяжкості та початкового поперечного метацентру, відповідно, що відраховуються від основної площини, в якій знаходиться початок пов'язаної з судном системи координат ОХYZ (Рис. 3).

Вираз (4) одночасно відображає ступінь участі судноводія у забезпеченні стійкості. Вибираючи та контролюючи положення центру ваги судна по висоті, екіпаж забезпечує стійкість судна, а всі геометричні характеристики, зокрема, Z M 0, повинні бути надані проектантом у вигляді графіків від осаду d, які називаються кривими елементів теоретичного креслення.

Подальший контроль за стійкістю судна здійснюється за методикою Морського Регістру судноплавства (РС) або за методикою Міжнародної Морської Організації (ІМО).

Плечо відновлюючого моменту lі сам момент М вмають геометричну інтерпретацію у вигляді діаграми статичної стійкості (ДСО) (рис.4). ДЗГ – це графічна залежність плеча відновлювального моменту l(θ) або самого моментуМ в (θ) від кута крену θ .

Цей графік, як правило, зображують для крену судна лише на правий борт, оскільки вся картина при крені на лівий борт для симетричного судна відрізняється лише знаком моменту М в (θ).

Значення ДСО в теорії стійкості дуже велике: це не лише графічна залежність М в(θ); ДЗГ містить у собі вичерпну інформацію про стан завантаження судна з погляду стійкості. ДЗГ судна дозволяє вирішувати багато практичних завдань у даному рейсі і є звітним документом для можливості розпочати завантаження судна та відправлення його в рейс.

Як властивості ДЗЗ можна відзначити такі:

• ДЗГ конкретного судна залежить тільки від взаємного розташування центру тяжкості судна Gта початкового поперечного метацентру m(або значенням метацентричною висотою h 0) та водотоннажністю Р(або осадом d ср) та враховує наявність рідких вантажів та запасів за допомогою спеціальних поправок,
• форма корпусу конкретного судна проявляється у ДСО через плече l (θ), жорстко пов'язане з формою обводів корпусу , яке відображає усунення центру величини Зу бік борту, що входить у воду при нахиленні судна.
• метацентрична висота h 0, обчислена з урахуванням впливу рідких вантажів та запасів (див. нижче), проявляється на ДСО як тангенс кута нахилу дотичної до ДСО у точці θ = 0, тобто:

Для підтвердження правильності побудови ДЗГ на ній роблять побудову: відкладають кут θ = 1 рад (57,3 0) і будують трикутник з гіпотенузою, що стосується ДСО при θ = 0, і горизонтальним катетом θ = 57,3 0. Вертикальний (протилежний) катет повинен виявитися рівним метацентричній висоті h 0у масштабі осі l(М).

• ніякі дії не можуть змінити виду ДЗЗ, крім зміни величин вихідних параметрів h 0і Р, оскільки ДЗГ відображає в якомусь сенсі незмінну форму корпусу судна за допомогою величини l (θ);
• метацентрична висота h 0фактично визначає вид та довжину ДЗГ.

Кут крену θ = θ 3, При якому графік ДСО перетинає вісь абсцис, називається кутом заходу ДСО. Кут заходу сонця θ 3визначає тільки те значення кута крену, при якому сила ваги і сила плавучості діятимуть вздовж однієї прямої і l(θ 3) = 0. Судити про перекидання судна при крені

θ = θ 3не буде вірним, оскільки перекидання судна починається набагато раніше – незабаром після подолання максимальної точки ДЗГ. Точка максимуму ДЗВ ( l = l m (θ m)) свідчить лише про максимальне видалення сили ваги від сили підтримки. Однак, максимальне плече l mта кут максимуму θ mє важливими величинами при контролі стійкості та підлягають перевірці на відповідність відповідним нормативам.

ДЗГ дозволяє вирішувати багато завдань статики судна, наприклад, визначати статичний кут крену судна при дії на нього постійного (незалежного від крену судна) моменту, що хрещує М кр= Const. Цей кут крену може бути визначений з умови рівності моменту, що хрінить і відновлює. М (θ) = М кр. Практично це завдання вирішується як завдання щодо знаходження абсциси точки перетину графіків обох моментів.

Діаграма статичної стійкості відображає можливість судна створювати момент, що відновлює, при нахиленні судна. Її вид має строго конкретний характер, що відповідає параметрам завантаження судна тільки в цьому рейсі ( Р = Рi , h 0 = h 0 i). Судновод, який займається судні питаннями планування рейсу навантаження і розрахунками стійкості, має побудувати конкретну ДСО для двох станів судна у майбутньому рейсі: з постійним початковим розташуванням вантажу і за 100 % і за 10 % суднових запасов.

Щоб мати можливість будувати діаграми статичної стійкості при різних поєднаннях водотоннажності та метацентричної висоти, він користується допоміжними графічними матеріалами, що є в судновій документації за проектом цього судна, наприклад, пантокаренами, або універсальною діаграмою статичної стійкості.

Пантокарени поставляються на судно проектувальником у складі інформації про стійкість та міцність для капітана. є універсальними графіками для даного судна, що відображають форму його корпусу в частині стійкості.

Пантокарени (Рис. 6) зображені у вигляді серії графіків (при різних кутах крену (θ = 10,20,30,….70˚)) залежно від ваги судна (або його опади) деякої частини плеча статичної стійкості, що називається плечем стійкості форми – lф(Р, θ ).

Плечо форми – це відстань, на яку переміститься сила плавучості щодо вихідного центру величини Cοпри крені судна (рис. 7). Зрозуміло, що це зміщення центру величини пов'язане лише з формою корпусу і залежить від положення центру тяжкості по висоті. Набір значень плеча форми при різних кутах крену (при конкретній вазі судна Р=Рi) знімають з графіків пантокарень (Рис. 6).

Щоб визначити плечі стійкості l(θ) та побудувати діаграму статичної стійкості у майбутньому рейсі необхідно доповнити плечі форми – плечима ваги l в, які легко розрахувати:

Тоді ординати майбутньої ДЗГ виходять за виразом:

Виконавши обчислення для двох станів навантаження ( Р зап.= 100% і 10%), будують на чистому бланку дві ДЗГ, що характеризують стійкість судна в цьому рейсі. Залишається виконати перевірку параметрів стійкості на їхню відповідність національним або міжнародним нормативам щодо стійкості морських суден.

Існує другий спосіб побудови ДЗГ, що використовує універсальну ДЗЗ даного судна (залежить від наявності на судні конкретних допоміжних матеріалів).

Універсальна ДЗГ(Рис.6а) поєднує у собі перетворені пантокарени визначення lфта графіки плечей ваги lв(θ). Щоб спростити вид графічних залежностей lв(θ) (див. формулу (6)) потрібно зробити заміну змінною q = sin θ , в результаті синусоїдальні криві lв(θ) трансформувалися у прямі лінії lв (q(θ)). Але щоб це здійснити, необхідно було прийняти нерівномірну (синусоїдальну) шкалу по осі абсцис θ .

На універсальній ДЗГ, що представляється проектантом судна, є обидва види графічних залежностей – l ф (Р,θ) та l в (z G ,θ). У зв'язку із зміною осі абсцис, графіки плеча форми l фвже не схожі на пантокарени, хоча містять у собі той же обсяг інформації про форму корпусу, що і пантокарени.

Для використання універсальної ДЗГ необхідно за допомогою вимірювача зняти з діаграми відстані по вертикалі між кривою l ф (θ, Р *)та кривий l в (θ, z G *)для кількох значень кута крену судна θ = 10, 20, 30, 40 … 70 0 що відповідатиме застосуванню формули (6а). А потім на чистому бланку ДСО побудувати ці величини як ординати майбутньої ДСО і з'єднати точки плавною лінією (вісь кутів крену на ДСО тепер приймається з рівномірною шкалою).

В обох випадках, і при використанні пантокарень, і при використанні універсальної ДСО, кінцева ДСО повинна бути однаковою.

На універсальній ДЗГ іноді присутня допоміжна вісь метацентричної висоти (праворуч), яка полегшує побудову конкретної прямої зі значенням z G * :відповідним деякому значенню метацентричної висоти h 0 * ,оскільки

Звернемося до способу визначення координат центру тяжкості судна X Gі Z G. В інформації про стійкість судна завжди можна знайти координати центру тяжкості порожнього судна абсцису x G 0та ординату z G 0.

Твори ваги судна на відповідні координати центру тяжкості називаються статичними моментами водотоннажності суднащодо площини міделя ( М х) та основної площини ( Мz); для порожнього судна маємо:

Для завантаженого судна ці величини можна обчислити, якщо підсумовувати відповідні статичні моменти для всіх вантажів, запасів у цистернах, баласту у баластових цистернах та порожнього судна:

Для статичного моменту МZнеобхідно додати спеціальну позитивну поправку, яка враховує небезпечний вплив вільних поверхонь рідких вантажів, запасів та баласту, що є в таблицях цистерн судна, ∆МZh:

Ця поправка штучно збільшує значення статичного моменту, щоб виходили найгірші значення метацентричної висоти, тим самим розрахунок ведеться із запасом у безпечний бік.

Розділивши тепер статичні моменти М Хі M Z випрна повну вагу судна в даному рейсі, отримуємо координати центру тяжкості судна за довжиною ( X G) та виправлену ( Z G випр), яку далі використовують для обчислення виправленої метацентричної висоти h 0 випр:

і потім – для побудови ДЗГ. Величина Z mo (d) знімається з кривих елементів теоретичного креслення для конкретної середньої осадки.

«...Обережніше! - пискнув одноокий капітан. Але було вже запізно. Занадто багато любителів зібралося на правому борту васюкінського дредноута. Змінивши центр ваги, барка не стала вагатися і в повній відповідності до законів фізики перекинулася».

Цей епізод із класичної літератури може бути використаний як наочний приклад втрати стійкостівід переміщення центру тяжкості через скупчення пасажирів однією борту. Не завжди, на жаль, справа обмежується кумедним купанням: втрата стійкості нерідко призводить до загибелі судна, а найчастіше і людей, іноді - по кілька сотень людей одночасно (згадаймо зовсім ще недавню трагедію - загибель теплохода «Булгарія»... - прим. ред. .).

В історії світового суднобудування зареєстровано низку випадків, подібних до того, що сталося на початку століття з американським багатопалубним річковим пароплавом «Генерал Слокам». Його конструктори передбачили все для зручності пасажирів, але не перевірили, як судно поводитиметься, якщо відразу всі 700 його мешканців піднімуться на верхню прогулянкову палубу і одночасно підійдуть до борту, щоб помилуватися видом, що відкрився.

Втрата стійкості - одна з найпоширеніших причин аварій малих суден. Ось чому кожен із капітанів, незалежно від того, як виглядає його судно – байдарка це чи, скажімо, водовипромінюючий катер, кожен із тих, хто відпочиває на воді, повинен мати уявлення про «закони фізики», незнання яких дорого обійшлося васюкінцям. Іншими словами, про ту морехідну якість судна, яке кораблебудівники називають стійкістю.

Стійкість- це здатність судна чинити опір кренящему дії зовнішніх сил і повертатися в пряме положення після припинення цієї дії. З'явився цей термін у нас у XVIII столітті, коли Росія стала морською державою; за походженням і за змістом є різновидом поширеного слова «стійкість».

Зі стійкістю рівноваги ми постійно стикаємося в побуті. Для нас не секрет, що стілець перекинути легше, ніж диван; а порожня шафа - легше, ніж заповнена книгами. Кантуючи важкий ящик через ребро, ми спочатку прикладаємо найбільше зусилля, потім нам стає легше і, нарешті, коли умовна лінія, проведена вертикально через центр тяжкості ящика, пройде над ребром, ящик перевертається вже сам, без нашої участі. Переконавшись, що низький широкий ящик важче перекантувати, ніж високий і вузький, а важкий – важче, ніж легкий, ми можемо дійти висновку, що стійкість тіла на твердій поверхні визначається його вагою та відстанню по горизонталі від центру тяжкості до краю опорної площини – плечем важеля. Чим більша вага і плече, тим стійкіше тіло.

Цей простий закон дійсний і для плаваючого судна, але тут справа ускладнюється тим, що замість твердої поверхні опорою для судна, що «перевертається», служить вода. У принципі, як і в щойно описаному випадку, стійкість судна визначається його вагою і плечем - взаємним розташуванням точок докладання двох сил.

Одна з них - це і є вага, тобто сила тяжіння, прикладена в центрі тяжкості судна (ЦТ) і завжди спрямована вертикально донизу.

Інша - сила плавучості або сила підтримки. За законом Архімеда для плаваючого судна ця сила за величиною дорівнює силі тяжкості, але спрямована вертикально нагору. Точка докладання рівнодіючої сил підтримки та є точка опори судна! Знаходиться ця точка в центрі зануреного у воду об'єму корпусу і називається центром плавучості або центром величини(ЦВ).

Коли судно вільно плаває в прямому положенні, ЦВ завжди знаходиться на одній вертикалі з ЦТ, а рівні, що діють на судно, і протилежно спрямовані сили врівноважені. Але ось на судно почали діяти сили, що кренять. Не обов'язково переміщення пасажирів; це може бути порив вітру або, якщо йдеться про яхту, просто тиск його на вітрила, крута хвиля, ривок буксирного троса, відцентрова сила на крутій циркуляції, підйом купальника з води через борт і т.д.

Дія моменту цієї сили, що кренить, тобто. хрещувального моменту, нахиляє - кренить судно. При цьому ЦТ судна положення не змінює, якщо, звичайно, це не той самий «васюкинський» випадок і на судні немає таких вантажів, які можуть переміститися у бік нахилу. Оскільки і при крені судно продовжує плавати, тобто продовжує діяти закон Архімеда, збільшенню зануреного об'єму з боку борту, що входить у воду, відповідає рівне зменшення зануреного об'єму з протилежного, що виходить з води борту. Не забуватимемо: вага судна від дії моменту, що хрещує, не змінюється; отже, і загальна величина зануреного обсягу має залишитися незмінною!

Через це перерозподіл підводного обсягу становище ЦВ змінюється - він відходить у бік накренення судна; в результаті виникає момент сил підтримки, що прагне відновити пряме становище судна і тому званий відновлюючим моментом.

Поки судно стійкість зберігає, що відновлює момент, зростаючи в міру збільшення крену, стає рівним моменту хрещеному і, оскільки він спрямований у протилежний бік, повністю «паралізує» його дію. Це означає, що, якщо величина сил, що кренять, більше не зміниться, судно так і плаватиме з постійним креном; якщо ж дія сил, що кренять, припиниться і моменту, що хрещує, не стане, відновлюючий момент негайно спрямує судно.

Звернувшись до схеми 2, ми можемо припустити, що величина, що виникає при крені відновлюючого моменту, буде тим більше, чим більше плече - відстань по горизонталі між новим положенням ЦВ і незмінним положенням ЦТ; тому воно і називається плечем стійкості. Поки є це плече - діє відновлюючий момент - судно зберігає, але як тільки при подальшому наростанні крену плече зникне - ЦВ виявиться на одній вертикалі з ЦТ, ніяких подальших зусиль для перекидання судна вже не буде потрібно, воно втратить стійкість - перекинеться.

Чим далі у бік способу може йти центр величини - що більше плече стійкості, то важче перевернути судно, т. е. тим воно стійкіше. Саме тому широке судно завжди буде помітно стійкіше за вузьке. На чотиривесельному ялі, що має ширину 1,6 м, веслярі можуть вставати і ходити без особливого ризику, а ось на академічній вісімці шириною 0,7 м достатньо одному веслярові сильніше впертись ногою або трохи вище підняти весло, щоб виник загрозливий крен!

Особливо важливо мати достатню ширину на найменших суднах. Помітно впливає їх стійкість і повнота ватерлінії, т. е. показник того, яку частку прямокутника, боку якого складено максимальної довжиною і шириною, займає площу діючої ватерлінії. За інших рівних умов судна з більшою повнотою ватерлінії завжди стійкіші за ті, у яких ватерлінії в носі та кормі гострі.

Стійкість, особливо при малих кутах способу, багато в чому залежить і від форми корпусу - від розподілу об'ємів підводної частини корпусу. Адже, зрештою, стійкість визначається не просто шириною діючої ватерлінії, а положенням «точки опори» - центру фактично зануреного обсягу.

З погляду остійності найменш вигідні напівкруглі перерізи, за умовами ходкості, що часто застосовуються для водовипромінюючих суден; близькі до напівкруглого перерізу мають корпуси гребних академічних човнів, а також щодо вузьких та довгих катерів, не розрахованих на гліссування. Прямокутний переріз має більш високі характеристики початкової стійкості; такого роду перерізи роблять на човнах мінімальної довжини - тузиках і човниках-плоскодонках. Якщо ж розсунути підводні обсяги до бортів за рахунок зменшення опади (і об'єму) в середній частині, стійкість виграє ще більше: подібну форму мають корпуси таких новітніх малих малих човнів, як, наприклад, «Спортіак» і «Дельфін».

Ідучи тим же шляхом, можна ще більше збільшити стійкість, розрізавши корпус уздовж - по ДП - і розставивши вузькі половинки на якусь ширину. Так ми підійшли до ідеї двокорпусного судна, яка знаходить втілення в конструкціях як тихохідних плавучих дач або надувних плотів, так і розрахованих на рекордні швидкості моторних гоночних або вітрильних катамаранів.

Зі збільшенням кутів нахилу все більшого значення набуває і форма надводної частини корпусу в районі, що входить у воду при крені. Наочний приклад - відсутність стійкості у колоди, що має круглий переріз: при будь-якому його «крені» - повороті навколо осі - ніякого додаткового об'єму у воду не входить, форма зануреної частини і положення ЦВ не змінюються, відновлюючого моменту не виникає.

З тієї ж причини шкідливий і модний завал бортів на моторках. Воно і зрозуміло: при наростанні нахилу ширина ватерлінії не тільки не збільшується, а іноді і навпаки – зменшується! Тому на різких поворотах нерідко переверталися старі «Козанки», що мали завал бортів усередину і так досить вузької кормової частини.

І навпаки: заходами, що підвищують стійкість, є розвал бортів та закріплення по їх верхніх кромках додаткових елементів плавучості. Пояснення просте: при крені входять у воду обсяги саме там, де вони найпотрібніші для опори - де вони дають велике плече. В принципі, судно з розвалом шпангоутів у надводній частині та відносно вузькою ходовою ватерлінією поєднує хороші швидкісні якості з високою стійкістю. Таку форму корпусу мали, наприклад, старовинні галери, де, як відомо, потужність «двигуна» була обмеженою, а вимоги до швидкості та мореплавства – досить високими. З тією ж метою бортами легких козацьких «чайок» прив'язували над водою пучки сухого очерету.

По суті, тим самим прийомом користуються наші туристи-вірусники, прикріплюючи до бортів байдарок надувні балони. Ще ефективнішим засобом підвищення стійкості байдарок під час плавання під вітрилом служать бортові поплавці, змонтовані на поперечинах. На рівному кілі вони йдуть над водою і не гальмують рух. Коли тиск вітру на вітрило нахиляє байдарку-тримаран, підвітряний поплавець входить у воду і служить додатковою опорою, розташованою дуже вигідно - далеко від ДП.

Подібної ж мети служать і різні бортові наделки на глісуючих моторних суднах - були і спонсони: вони покращують стійкість катера або мотолодки і на стоянці та на ходу. Та ж «Козанка» стає безпечнішою навіть при експлуатації з «Вихором» завдяки встановленню додаткових обсягів плавучості - кормових булів, що входять у воду при явному перевантаженні корми або при крені на стоянці. При русі прямо вперед нижня робоча поверхня булів знаходиться вище ходової ватерлінії, а при небезпечних для «Козанки» різких поворотах ця поверхня починає «працювати»: гідродинамічна підйомна сила, що утворюється на ній при гліссуванні, перешкоджає збільшенню крену на циркуляції.

Довжина діючої ватерлінії, хоч і меншою мірою, ніж ширина, теж істотно впливає на стійкість найменших суден. Ось показовий випадок. Якось випробовувалась секційна туристична байдарка. В одномісному трисекційному варіанті човен виявився надто «спортивним»: ті, хто не мав досвіду веслування на «академічках», незмінно перекидалися біля самого берега. Однак достатньо було додати ще одну середню секцію довжиною 0,8 м, як той самий човен ставав «спокійним» туристським судном.

Остійність дуже тісно пов'язана з іншою морехідною якістю судна - непотоплюваністю. Підкреслимо: обидві ці якості та значною мірою визначає фактична висота надводного борту. Якщо надводний борт низький, то вже при невеликих кутах крену палуба входитиме у воду, почне зменшуватися ширина ватерлінії, що діє, а з цього моменту стане падати плече стійкості і відновлюючий момент. Відкриті - безпалубні човни після входу у воду верхньої кромки борту відразу заливаються і перекидаються (саме так постраждали не досвідчені теоретично корабля васюкінці!). Зрозуміло, що що вище надводний борт, то більше вписувалося і допустимий кут крену, критичне значення якого називають кутом заливання .

Найбільш наочний показник небезпечного збільшення крену та наближення до кута заливання – зменшення надводної висоти борту з боку крену човна. Зайве говорити, що чим менше човен, тим небезпечніший будь-який крен, тим важливіший кожен сантиметр фактичної висоти надводного борту! Цілком неприпустиме перевищення зазначеного виробником вантажопідйомності човна (перевантаження)! Небезпека має таке розташування вантажів, при якому човен має крен вже в момент відходу від берега: адже це відразу ж зменшує фактичну висоту борту і запас стійкості вашого човна!

Невипадково йдеться про фактичну висоту надводного борту. Історія «великого» суднобудування знає безліч випадків, коли цілі та неушкоджені судна втрачали стійкість лише через те, що при крені біля поверхні води випадково виявлялися якісь відкриті отвори в борту.

Цікаву історію розповідає академік А. П. Крилов. Перед виходом у перше плавання 84-гарматного корабля «Кінг Джордж» (відбулося це 1782 р. у Портсмуті) його спеціально нахилили для виправлення якоїсь несправності кінгстонів. Краї нижнього ряду відкритих гарматних портів виявилися при цьому лише на 5-8 см вище поверхні води. Старший офіцер, не усвідомлюючи небезпечне становище корабля, коли саме ці 5-8 см, а не звичайні 8 м, були фактичною висотою борту, наказав викликати команду до знарядь для підйому прапора. Очевидно, матроси бігли по нахиленому борту і незначного збільшення крену виявилося достатньо, щоб корабель ліг на борт і відніс на дно понад 800 людей.

Отже, необхідними умовами стійкості судна є його ширина і висота борту. Внесемо тепер уточнення. Справа в тому, що стійкість прийнято поділяти на початкову (в межах кута крену до 10-20 °) і на стійкість при великих способах. Для малих суден важливі, в першу чергу, ширина і характеристики саме початкової стійкості: до стійкості на великих кутах нахилу найчастіше «справа не доходить», оскільки кут заливання зазвичай лежить у межах початкової стійкості. Для більших морехідних і закритих - запалублених суден важливіше висота надводного борту, що забезпечує стійкість при великих способах.

Тепер відзначимо ще одну цілком очевидну і практично дуже важливу умову: судно тим стійкіше, чим нижче розташований його центр тяжіння. Кожен знає, чому зобов'язані своєю високою «стійкістю» ваньки-встаньки та неваляшки! З власного досвіду всім добре відомо, як починає розгойдуватися будь-який невеликий човен, коли в ньому встають на весь зріст і намагаються пройти від однієї банки до іншої: при збільшенні висоти ЦТ (плеча) набагато зростає величина моменту, що хрещує, хоча сама вага людини і не змінюється ...

Саме тому на тих же байдарках, ширина яких зазвичай знаходиться на небезпечній мінімальній межі, сидіти доводиться практично прямо на днище. Інший приклад. Коли на ялах ставлять щоглу, з'являється прикладена на певній висоті сила тиску вітру на вітрила; щоб компенсувати значний хрещення момент, що виникає при цьому, доводиться збільшувати стійкість тим же способом - всій команді пересідати з банок на днище.

І третій приклад. Редактори збірки знайомилися з досить вузьким двомісним човном (див. фото), спроектованим з розрахунком на веслування довгими орними веслами. Ходові якості човна виявилися відмінними, проте було й одне «але»: поки автор проекту переганяв човен до місця випробувань, йому вже довелося перевернутись! Опинилися у воді і редактори, які пробували човен. Однак досить було знизити висоту банок на 150 мм – становище змінилося.

Незважаючи на найсуворіший режим економії ваги, на ті судна, до стійкості яких висуваються особливо жорсткі вимоги, доводиться спеціально для зниження ЦТ приймати «мертвий вантаж» - баласт. Зазвичай крейсерські яхти та рятувальні катери несуть постійний твердий баласт, що закріплюється так низько, як тільки це допускає конструкція судна. (Чим нижче вдається розмістити баласт, тим менше його знадобиться для забезпечення певної висоти ЦТ всього судна!) На таких судах ЦТ намагаються розташовувати під ЦВ. Тоді максимальне значення плеча стійкості досягатиметься при дуже великому крені - аж до 90". Для порівняння досить сказати, що більшість звичайних морських катерів перекидається вже при крені 60-75 °.

Іноді приймають тимчасовий баласт. Так, на морехідних мотолодках і катерах з кильуватими обводами днища низьку початкову стійкість на стоянці (валкість) нерідко доводиться компенсувати прийомом води в спеціальні баластові цистерни в днищевій частині, які при русі спорожнюються автоматично.

Дуже важливо, щоб ЦТ нахиленого судна залишався на своєму місці: невипадково на вітрильних човнах всі важкі предмети надійно закріплюють, щоб запобігти їх зміщенню. Існують, однак, вантажі, які вважаються небезпечними, оскільки можуть спричинити втрату стійкості. Це різного роду сипучі вантажі - від зерна і солі до свіжої риби, які довільно пересипаються у бік нахилу судна. (Саме від усунення сипучого вантажу - зерна - під час урагану перекинувся і загинув у 1957 р. величезний чотирищогловий барк "Памір" - останній великий вантажний вітрильник дедвейтом 4500 т!) Особливу небезпеку становить рідкий вантаж. Не будемо вдаватися в глибини теорії корабля, але підкреслимо, що в даному випадку знижує стійкість не стільки вага рідкого вантажу, що переливається, скільки саме площа його вільної поверхні.

Як же, запитає читач, плавають тоді морями та океанами танкери, які перевозять цей небезпечний рідкий вантаж? По-перше, корпус танкера розділяють поперечними і поздовжніми непроникними перебираннями на окремі відсіки - танки, а у верхній їхній частині ставлять так звані відбійні перебирання, що додатково «розбивають» вільну поверхню (розбивка ж її на 2 частини дає зменшення шкідливого впливу на стійкість у 4 рази). По-друге, танки повністю заливають.

З тих же міркувань на катері краще мати два паливні баки вже, ніж один широкий. Усі запасні цистерни перед штормовим переходом треба заповнювати цілком (як кажуть моряки – запресовувати). Витрачати рідини треба по черзі - спочатку до кінця з однієї цистерни, потім з наступної, щоб вільним рівень був лише в одній із них.

Страшний ворог малих суден - вода у трюмі, навіть якщо загальна вага її невелика. Якось вийшов на випробування новий робочий катер. На першому ж повороті було зазначено, що на циркуляції катер отримує незвично великий крен і дуже неохоче виходить з нього. Відкрили кормовий люк - і побачили, що в ахтерпику гуляє вода, що потрапила туди через ледь помітну тріщину у шві.

Дуже важливо своєчасно осушувати корпуси малих суден, вживати заходів для того, щоб у свіжу погоду вода не потрапляла всередину через різні отвори та нещільності.

З небезпеки від неорганізованих пасажирів ми розпочали цю розмову про стійкість. Тепер, коли ми озброєні деякими основами теорії, наголосимо ще раз на необхідності суворо дотримуватися встановлених правил поведінки на борту будь-яких малих суден. Адже за помилкою пасажир, що встав на борт легкої мотолодки, - величезна сила, що хрещує, що становить майже 1/5 частину водотоннажності судна! А два пасажири, які надумали одночасно пройти бортом «Прогресу-4» з рубкою - це реальна загроза перекинути судно (два таких випадки з трагічним результатом сталися в Калініні минулого літа).

Запрошуючи гостей на свій «крейсер», ввічливо, але рішуче проінструктуйте їх, познайомтеся з правилами безпеки. На найменших судах буває не можна вставати на весь зріст і пересідати з місця на місце, а люди можуть цього не знати!

Досі йшлося про те, що положення ЦТ не повинно змінюватися. Є, проте, численний клас спортивних судів, котрим всемірне переміщення ЦТ убік, протилежну крену, є найважливішою умовою досягнення високих результатів. Йдеться про відкренення легких гоночних швертботів і катамаранів, а іноді і крейсерсько-перегонових яхт. Вивішуючись за допомогою трапеції за борт, спортсмен своєю вагою відсуває ЦТ і збільшує плече стійкості, що дозволяє зменшити крен, а то й уникнути перекидання.

Зрештою, слід мати на увазі, що навіть судно, стійке в одних умовах, може виявитися недостатньо стійким в інших. Остійність може відрізнятися, зокрема, на стоянці та під час руху. Тому доводиться враховувати ще й ходову стійкість. Наприклад, водоймистний катер, на стоянці навіть не реагує на пасажира, що сидить біля борту, при плаванні на хвилях раптом починає кренитися в його бік. Виявляється, катер як би «зависає», спираючись кормою і носом на гребені двох сусідніх хвиль, а через те, що вся його середня частина, найбільш широка, виявляється у хвильовій западині, зменшилася вже відома нам повнота ватерлінії і одразу знизилася стійкість .

На глісуючих мотолодках значні гідродинамічні сили підтримки, що виникають при русі, стійкість, як правило, збільшують. Однак вони можуть стати причиною перекидання: наприклад, при занадто різкому повороті зміна напрямку упору гвинта і різке підвищення (за рахунок дрейфу) тиску у зовнішній до повороту вилиці створюють небезпечну пару сил, яка нерідко і перевертає човен через зовнішній до повороту борт.

Нарешті, кораблебудівники окремо аналізують випадки динамічного застосування сил, що кренять (є і спеціальне поняття - динамічна стійкість): при раптовому та короткочасному додатку великих зовнішніх навантажень поведінка судна може бути зовсім не схожою на класичні схеми статичної стійкості. Ось чому в штормових умовах, за несприятливого динамічного впливу шквалу і удару хвилі перевертаються, здавалося б, абсолютно стійкі яхти, спеціально розраховані на плавання в найсуворіших океанських умовах. (Переверталися ж яхти Чичестера, Барановського, Льюїса та інших сміливців-одинаків! Тут тонкість у тому, що кораблебудівники передбачили і це: яхти негайно вставали на рівний кіль і знову ставали стійкими.)

Зрозуміло, інженерів не задовольняють оцінки на кшталт те, що «це судно - стійке, бо - не дуже»; суднобудівники характеризують стійкість точними величинами, про які буде розказано в наступній статті.

При проектуванні будь-якого судна, будь то супертанкер або гребний човен, конструктори роблять спеціальні розрахунки стійкості, а коли судно проходить випробування, насамперед перевіряється відповідність фактичної стійкості проекту. Щоб мати гарантію, що стійкість будь-якого нового судна за нормальної грамотної експлуатації їх у тих умовах, на які воно розраховане, достатня, спостерігачі організації типу Реєстру СРСР спеціально випускають Норми стійкості, а потім стежать за їх дотриманням. Конструктори, що створюють проект судна, виконують всі розрахунки, керуючись цими нормами стійкості, перевіряють - чи не перекинеться майбутнє судно під впливом хвилі та вітру. Природно, окремих типів судів пред'являються додаткові вимоги. Так, пасажирські судна тепер перевіряють на випадки скупчення всіх пасажирів біля одного борту та ще й при крені на циркуляції (при цьому кут крену не повинен перевищувати кута, при якому входить у воду палуба, та величини 12°). Буксирні судна перевіряють на дію ривка буксирного троса, а річкові буксири - і статичний вплив буксирного троса.

Результати розрахунків разом з інструкцією капітану судна оформлюються в одному з найважливіших суднових документів, що називається «Інформація про стійкість судна».

Для маломірних судів Річковий реєстр визнає також натурні випробування головного судна, виконані за спеціальною програмою. Ці випробування можуть у сумнівних випадках замінити відповідні розрахунки.

Маломірний прогулянковий флот, підконтрольний навігаційно-технічним інспекціям, поки що не має достатньо наочних та простих норм стійкості. Морехідні якості таких суден нормуються переважно встановленням мінімальної висоти надводного борту та відношення довжини до ширини (від 2,3 до 1). Залежно від висоти надводного борту HTI (тепер ГІМС) ділить маломірні судна на три класи: перший - з надводним бортом не менше 250 мм; другий – не менше 350 мм; третій – не менше 500 мм.

В інструкціях, що додаються до маломірних суден, що випускаються промисловістю, зазвичай є основні рекомендації щодо дотримання стійкості. З правилами безпеки кожного судноводія-любителя знайомлять перед тим, як видати йому посвідчення на право керування судном.

Є. А. Морозов, «КІЯ», 1978