Что такое остойчивость судна определение

Поперечная остойчивость судна

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.

Основные понятия и определения

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

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

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

Танкер Капитан Ширяев
Источник: fleetphoto.ru

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

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

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

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

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

Рис. 1

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

Поперечный метацентрический радиус может быть вычислен с помощью формулы:

Условия остойчивости

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

Рис. 2 Рис. 3

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.

Рис. 5

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

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

Рис. 6

Источник

Что такое остойчивость

«. 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».

Устойчивость твердого тела. На примере кантования ящика наглядно показана роль плеча L — расстояния от ЦТ ящика до точки, вокруг которой производится поворот. Низкий и широкий ящик (1) кантовать труднее, чем узкий и высокий того же веса Р (2); плечо L > L1, угол поворота α > α1.

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.

Взаиморасположение точек приложения равнодействующих сил тяжести (ЦТ) и сил поддержания (ЦВ). 1 — плавающее судно не имеет крена. Силы тяжести и поддержания взаимоуравновешены, ЦТ и ЦВ расположены в диаметральной плоскости судна; 2 — при крене под действием каких-то внешних сил (светлая стрелка слева) в воду вошел дополнительный объем (заштрихован), ЦВ сместился в новое положение, образовался восстанавливающий момент сил; судно сохраняет остойчивость. L — плечо остойчивости.

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.

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.

Ватерлиния тузика. Большая полнота ватерлинии является одной из важных мер обеспечения остойчивости.

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».

Влияние формы поперечного сечения корпуса малого судна на остойчивость. Ширина ватерлинии и водоизмещение одинаковы. Характеристики начальной остойчивости варианта 1 будут в несколько раз выше, чем варианта 4.

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.

Поперечное сечение запорожской «чайки». Сочетание выгодных с точки зрения ходкости полукруглых поперечных сечений подводной части с большим развалом бортов и закреплением дополнительных элементов плавучести по верхним кромках бортов.

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.

Работа булей «Казанки» при резких поворотах на ходу. При крене начинает работать нижняя поверхность буля. Образующаяся на ней при глиссировании гидродинамическая подъемная сила D препятствует нарастанию крена.

Что произойдет, если все пассажиры вскочат со своих мест и бросятся к борту? ЦТ перемещается вверх и к борту, возникает момент пары сил, вызывающий дальнейшее увеличение крена, судно теряет остойчивость. Как только угол крена превысит значение угла заливания, вода хлынет в лодку через борт.

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.

Расположение балласта на яхте. Благодаря низкому положению ЦТ даже при очень большом крене судно остается остойчивым, образуется восстанавливающий момент.

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.

Испытания новой лодки. В узенькой лодке с высоко поднятыми банками гребец и пассажир (автор проекта) сразу почувствовали себя неуверенно. Через несколько минут от неосторожного движения веслом лодка опрокинулась.

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.

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.

Откренивание швертбота. Регулируя положение ЦТ — смещая его на наветренный борт, экипаж добивается уменьшения крена под действием ветра на парус.

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.

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.

Все эти правила и рекомендации обоснованы многолетним опытом. Их необходимо неукоснительно соблюдать на борту любого судна и в любых условиях!

Е. А. Морозов, «КиЯ», 1978 г.

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Источник