Влияние условий плавания на остойчивость судна

6.4.1. Статическое и динамическое давление ветра.Давление ветра на судно распределяется неравномерно и зависит от высоты расположения данной части судна над уровнем моря, степени ее обтекаемости и направления ветра по отношению к судну. На практике, принято считать, что давление ветра приводится к одной равнодействующей силе

Р_v = 0,0001 р_v А_v,

где р_v – давление ветра, Па; А_v – площадь парусности судна, м².

Давление ветра принимают по таблице (табл. 6), приводимой в Правилах Регистра, в зависимости от категории судна (ограниченного или неограниченного плавания) и возвышения центра парусности (ЦП), т.е. центра тяжести площади А_v над уровнем ватерлинии z.

Под площадью парусности понимают площадь проекции надводной части судна на диаметральную плоскость в прямом положении.

Рис.67. Определение кренящего момента при статическом

и динамическом давлении ветра.

Статическое давление ветра (рис. 67,а) вызывает дрейф судна, т.е. его движение в направлении, перпендикулярном ДП, с некоторой скорость V. При этом возникающие силы сопротивления воды R, с некоторым приближением можно считать, приложенным на половине осадки судна. В таком случае при статическом давлении ветра кренящий момент равен

m _кр.ст. = 0,0001 р_v А_v (z_п – d/2),

или m _кр.ст. = 0,0001 р_v А_v (z + d/2),

где z_п – аппликата центра парусности судна над основной плоскостью.

При динамическом давлении ветра, когда при налетевшем шквале сила давления ветра Р_v прикладывается к судну практически мгновенно, силы сопротивления воды еще не успевают развиться. Поступательному перемещению судна препятствуют силы инерции самого судна Р_ин.с, равнодействующая которых приложена в ЦТ судна, и сила инерции присоединенной массы воды Р_ин.в, которую судно увлекает за собой.

Таблица 6

Давление ветра р_v, Па

Можно считать, что точка приложения равнодействующих инерционных сил Р_ин находится на уровне ватерлинии (рис 67,б), поэтому кренящий момент от динамического приложенного давления ветра может быть найден по формуле

m _кр.дин. = 0,0001 р_v А_v z .

Углы крена Θ_ст и Θ_дин при действии статических или динамических кренящих моментов определяется при помощи диаграммы статической остойчивости.

6.4.2. Ветровой крен на волнении.Рассмотрим совместное влияние шквала ветра и волнения на судно (рис.68), которое под действием качки наклонилось: а) на наветренный борт; б) на подветренный борт.

Рис.68. Ветровой крен на волнении:

а – при крене на наветренный борт;

б – при крене на подветренный борт

В первом случае на судно действуют два одинаково направленных динамических момента: восстанавливающий m_Θ1 и кренящий m_кр.дин.

Динамический угол Θ_дин крена определяется по диаграмме статической остойчивости (рис. 68,а). Наибольший динамический момент m_дин.max, который судно с заданной диаграммой статической остойчивости способно выдержать не опрокидываясь, определяется полным использованием запаса динамической остойчивости, т.е. равенством площадей АВС и СDЕ на рис. 68,а.

Во втором случае динамическое наклонение судна создается разностью моментов m_Θ1 и m_кр.дин, так как кренящий и восстанавливающий моменты имеют разные знаки. Определение динамического угла крена показано на рис. 68,б.

Как видно, во время шквального ветра динамические углы крена будут более значительными в том случае, когда на волнении судно накренилось на наветренный борт. Эта ситуация, как более опасная для судов, принимается за расчетную при нормировании их остойчивости.

6.4.3. Обледенение судов.Для судов, плавающих в зимних сезонных зонах, установленных Правилами Регистра СССР о грузовой марке, учитывают возможность обледенения, влияние которого равносильно приему высоко расположенного груза, увеличивающего водоизмещение, аппликату ЦТ и площадь парусности и ухудшающего остойчивость. Особенно опасно асимметричное обледенение, создающее кренящий момент, действие которого в условиях пониженной остойчивости может приводить к возникновению значительных углов крена.

Малые суда обмерзают сильнее, чем крупные, что объясняется большей заливаемостью и забрызгиванием их при шторме, а также более крупными относительными размерами такелажа, рангоута, комингсов люков и других надводных частей судна. Помимо этого, верхние участки корпуса малых судов обмерзают интенсивнее соответствующих участков крупных судов, что приводит к неблагоприятному распределению ледовой нагрузки. Таким образом, даже при одинаковой скорости обмерзания, обледенение тем опаснее, чем меньше судно. Статистика гибели судов от обледенения включает главным образом сравнительно небольшие промысловые суда, поэтому эксплуатация малых судов (длиной менее 20 м) в условиях возможного обледенения, как правило, не допускается.

Для судов, плавающих севернее параллели 66,3⁰ N и южнее параллели 60⁰S, а также в Беринговом и Охотском морях, в Татарском проливе, Правила Регистра устанавливают расчетные нормы обледенения. Масса льда на квадратном метре площади общей горизонтальной проекции открытых палуб, включающих сумму горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия навесов, принимают равным 30 кг. Момент по высоте горизонтальной нагрузки определяют по возвышениям ЦТ соответствующих участков палуб и переходов. Масса льда на квадратный метр площади парусности - 15 кг. Для судов, плавающих в зимнее время в остальных районах зимней сезонной зоны, нормы обледенения принимают вдвое меньшими.

Диаграмма статической остойчивости, построенная с учетом обледенения, должна отвечать следующим требованиям: угол заката должен быть не менее 55⁰, максимальное плечо статической остойчивости для ограниченного района плавания – не менее 0,2 м. При крене не менее 25⁰.

6.4.4. Попутное волнение. Движение судна на волнении может привести к значительному снижению его остойчивости. Это обусловлено тем, что сечение судна поверхностью моря – «волновая ватерлиния» не плоская. Особенно резко влияние волнения на остойчивость проявляется при попутных курсовых углах, когда скорость судна близка к скорости бега волн. На подошве волны в воду входят более полные носовые и кормовые участки корпуса (J_x - увеличивается), что приводит к увеличению остойчивости по сравнению с тихой водой. На вершине волны более полные участки корпуса наоборот выходят из воды, и поэтому остойчивость судна снижается. Можно предположить, что наибольшее изменение остойчивости происходит при равенстве длины волны λ и судна L (λ = L), но поскольку наибольшие ординаты ватерлинии, обусловленные развалом бортов, как правило, находятся на расстоянии 0,6 ¸ 0,8 L, то опасная длина волны с учетом курсового угла будет

λ » к L cos φ⁰.

Опасными значениями являются к = 0,6 ¸ 0,8 и курсовые углы φ = 0¸40⁰.

Как видно из приведенной формулы, попутное волнение наиболее опасно для малых судов. По этой причине, скорость судна Vs (в уз.), длиной менее 20 метров при ходе на попутном волнении при длине равной или превышающей ее длину, не должна быть больше вычисленной по формуле

Vs = 1,4 .

Глава 7