Дать определение и назвать характеристики следующих видов остойчивости судна: поперечная, начальная, при больших углах крена, статическая, динамическая, аварийная.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения равновесия воздействием внешних кренящих нагрузок, вновь возвращаться в первоначальное положение после прекращения этого воздействия.

Остойчивость - одно из основных мореходных качеств, сохранение и поддержание ее является важнейшей задачей экипажа судна.

Вертикально плавающее судно при появлении внешних моментов в первый момент не оказывает им противодействия (поскольку вес и сила поддержания проходят по одной прямой). Вследствие отсутствия этого противодействия судно начинает наклоняться, изменяя конфигурацию подводного объема и «теряя симметрию» погруженного объёма. Процесс наклонения заканчивается тогда, когда внутренний (восстанавливающий) момент достигает величины внешнего момента и наступает новое состояние равновесия, теперь уже - для наклоненного судна. И это состояние будет сохраняться, пока внешний момент не изменится или не исчезнет. Как только это произойдет, восстанавливающий момент заставит судно принять вновь вертикальное положение, т. е. «восстановит» судно. При любом изменении баланса между внешним кренящим и восстанавливающим моментом судно будет изменять свое положение на поверхности воды в направлении действия большего по величине момента.

Такова физическая картина, рассматриваемая в разделе теории остойчивости, называемом статической остойчивостью.

При прочих условиях, когда процесс наклонения рассматривается протекающим во времени, а внешний кренящий и восстанавливающий моменты изменяются по величине (и во времени) следует учитывать инерцию самого судна и окружающей жидкости. Этот круг вопросов составляет предмет динамической остойчивости.

Таким образом, статическая остойчивость изучает равновесные состояния судна под действием постоянных внешних моментов, и условия этого равновесия, а динамическая остойчивость занимается комплексом проблем, включая опрокидывание судна в реальных условиях его эксплуатации.

Если рассматривать наклонения в продольной (диаметральной) и в поперечной (в плоскости миделя) плоскостях, то можно говорить о продольной и поперечной остойчивости судна.

Теория продольной остойчивости позволяет рассчитать и предсказать дифферент судна и его посадку на тихой воде, что очень важно для экипажа при решении проблем загрузки судна, обеспечения прочности, определения количества груза на судне, безопасной его посадки, заливаемости, слемминга и т.д.

Теория поперечной остойчивости позволяет судоводителю

-оценивать уровень безопасности мореплавания,

-планировать и осуществлять действия по распределению грузов и запасов на судне,

-выполнять необходимые расчеты по методикам контроля остойчивости Регистра судоходства и ИМО,

-обосновывать те или иные действия по изменению загрузки судна.

Кроме того, существует условное методическое разделение остойчивости на начальную остойчивость и остойчивость при больших наклонениях.

Начальная поперечная остойчивость. Система сил, действующих на судно.

При крене остойчивость рассматривается как начальная при углах до 10-15°. В этих пределах восстанавливающее усилие пропорционально углу крена и может быть определено при помощи простых линейных зависимостей.

При этом делается допущение, что отклонения от положения равновесия вызываются внешними силами, которые не изменяют ни вес судна, ни положение его центра тяжести (ЦТ). Тогда погруженный объем не изменяется по величине, но изменяется по форме.

В литературе по теории судна принято совмещать на рисунке сразу два положения судна – прямое и с креном. Накрененному положению соответствует новое положение ватерлинии относительно судна, которому соответствует постоянный погруженный объем, однако, форма подводной части накрененного судна уже не обладает симметрией: правый борт погружен больше левого (Рис.1).

Все ватерлинии, соответствующие одному значению водоизмещения судна (при постоянном весе судна) принято называть равнообъемными.

Рис.1. Схема образования восстанавливающего момента.

Если отвлечься от реального распределения сил веса судна и гидростатического давления, заменив их действие сосредоточенными равнодействующими, то приходим к схеме (Рис.1). В центре тяжести судна приложена сила веса, направленная во всех случаях перпендикулярно к ватерлинии. Параллельно ей действует сила плавучести, приложенная в центре подводного объема судна – в так называемом центре величины (точка С).

Вследствие того, что поведение (и происхождение) этих сил не зависят друг от друга, они уже не действуют вдоль одной линии, а образуют пару сил, параллельных и перпендикулярных действующей ватерлинии В₁Л₁. В отношении силы веса Р можно сказать, что она остается вертикальной и перпендикулярной поверхности воды, а накрененное судно отклоняется от вертикали, и лишь условность рисунка требует отклонять вектор силы веса от диаметральной плоскости. Специфику такого подхода легко себе уяснить, если представить ситуацию с закрепленной на судне видеокамерой, дающей на экране поверхность моря, наклоненную на угол, равный углу крена судна.

Полученная пара сил создаёт момент, который принято называть восстанавливающим моментом. Этот момент противодействует внешнему кренящему моменту и является главным объектом внимания в теории остойчивости.

Величина восстанавливающего момента может быть вычислена по формуле (как для любой пары сил) как произведение одной (любой из двух) силы на расстояние между ними, называемое плечом статической остойчивости

Центр тяжести G при таком наклонении не меняет своего положения, а центр величины (ЦВ) С как центр тяжести погруженного объема перемещается по некоторой кривой СС1 в сторону наклонения и занимает новое положение C1. Перемещение центра величины происходит вследствие изменения формы погруженного объема: с левого борта он уменьшился, а с правого борта увеличился. Сила плавучести Fo, приложенная в центре величины, направлена по нормали к траектории его перемещения.

Поперечный метацентр – это точка, являющаяся центром кривизны той траектории, по которой центр величины перемещается при накренении судна.

Следовательно, метацентр (так же как и центр величины) является специфической точкой, поведение которой исключительно определяется лишь геометрией формы судна в подводной части и его осадкой.

Положение метацентра, соответствующее посадке судна без крена, принято называть начальным поперечным метацентром.

Расстояние между центром тяжести судна и начальным метацентром в конкретном варианте загрузки, измеренное в диаметральной плоскости (ДП), называется начальной поперечной метацентрической высотой.

Оценить значение начальной поперечной метацентрической высоты h₀ можно, пользуясь выражением:

h₀ = z_M0 - z_G,

где z_G и z_M0 – аппликаты центра тяжести и начального поперечного метацентра, соответственно, отсчитываемые от основной плоскости, в которой располагается начало связанной с судном системы координат ОХYZ (Рис. 3).

Аппликата центра тяжести z_G рассчитывается в зависимости от загрузки судна, а аппликата начального поперечного метацентра z_M0 в зависимости от осадки выбирается из элементов кривых теоретического чертежа или гидростатических таблиц.

Рис. 3. Начальная поперечная метацентрическая высота

Рис. 3. Начальная поперечная метацентрическая высота

ОСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ БОЛЬШИХ УГЛАХ КРЕНА.

При больших углах наклонения судно нельзя считать прямостенным в пределах изменения формы подводного объема; симметрия входящей и выходящей частей площади наклонной ватерлинии значительно нарушается, что приводит к смещению оси пересечения двух равнообъемных ватерлиний. Перемещение Ц.В. при больших углах крена происходит уже не по дуге окружности, а по кривой переменной кривизны. Это равносильно тому, что поперечный метацентр не остается в постоянной точке m на ДП, как это было при малых углах крена, а смещается в новую точку. Следовательно, и расстояние между метацентром и Ц.В. - поперечный метацентрический радиус - является переменной величиной. Из сказанного следует, что метацентрическая высота уже не может служить критерием поперечной остойчивости. По этим соображениям, решая вопросы остойчивости при больших углах крена, нельзя пользоваться метацентрической формулой поперечной остойчивости и всеми полученными на ее основании формулами, в которые входит значение поперечной метацентрической высоты.

Восстанавливающий момент, являющийся мерой статической остойчивости судна при больших углах крена, будет равен: Мθ = D' × lст.

Основная задача расчета остойчивости при больших углах крена сводится к определению плеча lст восстанавливающего момента в зависимости от угла крена θ.

Статическая остойчивость — рассматривается при действии статических сил, то есть приложенная сила не изменяется по величине.

Динамическая остойчивость — рассматривается при действии изменяющихся (то есть динамических) сил, например ветра, волнения моря, подвижки груза и т. п.

Силы, наклоняющие корабль, могут действовать постепенно (медленное затопление бортовых отсеков, перемещение твердых грузов и т. п.) или быстро и даже мгновенно (шквальный "ветер, бортовой залп орудий, воздействие взрывной волны, поступление воды через большие, пробоины, обрыв буксирного троса при натяжении и т. п.). В первом случае рассматривают статическую остойчивость, во втором—динамическую остойчивость.

Статическая остойчивость характеризуется диаграммой статической остойчивости.

Рис. 4. Диаграмма статической остойчивости.

Плечо восстанавливающего момента l и сам момент М_в имеют геометрическую интерпретацию в виде Диаграммы статической остойчивости (ДСО) (Рис.4). ДСО – это графическая зависимость плеча восстанавливающего момента l (θ) или самого момента М_в (θ) от угла крена θ.

Этот график, как правило, изображают для крена судна только на правый борт, поскольку вся картина при крене на левый борт для симметричного судна отличается только знаком момента М_в (θ).

Значение ДСО в теории остойчивости очень велико: это не только графическая зависимость М_в (θ); ДСО содержит в себе исчерпывающую информацию о состоянии загрузки судна с точки зрения остойчивости. ДСО судна позволяет решать многие практические задачи в данном рейсе и является отчетным документом для возможности начать загрузку судна и отправку его в рейс.

Динамическая остойчивость характеризуется диаграммой динамической остойчивости (ДДО).

ДДО представляет собой графическую зависимость работы восстанавливающего момента от угла крена.

Такую диаграмму целесообразно построить заранее, сразу после построения ДСО, и использовать при решении динамических задач.

График ДДО обладает свойствами интегральной кривой по отношению к графику подынтегральной функции, т.е. к ДСО. При углах крена θ = 0 и θ = θ₃, где М_в = 0, ДДО должна иметь экстремальные точки, т.е. минимум и максимум, соответственно, а при угле крена θ = θ_m, где М_в(θ) принимает максимальное значение – ДДО будет иметь точку перегиба. Важно отметить, что ДДО при всех вариантах остойчивости судна (при всех h₀) должна в начале координат иметь горизонтальную касательную.

Из прочих свойств ДДО можно отметить следующие:

- чем больше значение начальной метацентрической высоты h^испр, тем выше проходит ДДО, (т.к. ДСО также проходит выше и имеет большую площадь),

так же будет возрастать угол заката, поскольку у соответствующих ДСО он увеличивается с ростом исходной МВ (h₀^испр),

Величину l_дин(θ^*) называют, по аналогии, плечом динамической остойчивости, хотя искать ему геометрическую интерпретацию не следует – эта величина получена чисто формальным путем. Размерность l_дин – [м · рад].

Аварийная остойчивость характеризует поврежденное судно с затопленными отсеками.

Категории затопленных отсеков.Затопленные отсеки судна в зависимости от характера затопления подразделяются на сле­дующие основные категории (рис. 16):

отсеки первой категории, затопленные полностью, независимо от того, имеют ли они сообщение с забортной водой или не имеют (рис. 16, а);

отсеки второй категории, затопленные частично и не имеющие сообщения с забортной водой (рис. 16, б);

отсеки третьей категории, затопленные частично и имеющие сообщение с забортной водой через пробоину; при этом уровень воды в затопленных отсеках совпадает с ватерлинией поврежден­ного судна (рис. 1б, в).

Коэффициенты проницаемости.Объем затопленного отсека, вычисленный по теоретическому чертежу без вычета объема находящихся в отсеке предметов и на­бора корпуса, называется его теоре­тическим объемом υ_т.

Фактическим объемом затопленного отсека υ на­зывается объем отсека нетто, т. е. за вычетом объема предметов и конст­рукций, находящихся в затопленной части отсека. Отношение μ = υ / υ_тназывается коэффициентом проницае­мости затопленного отсека.

Площадь s поверхности воды в затопленном отсеке также отлича­ется от теоретической площади s_т, поскольку часть ее будут занимать площади сечений предметов, нахо­дящихся в отсеке. Соответствующее отношение μ_s = s / s_т называется коэффициентом проницаемости ва­терлинии затопленного отсека.

Наконец, для собственных момен­тов инерции поверхности воды в за­топленном отсеке имеем μ_i= i_x / i_xт, μ_ig= i_g / i_g . Коэффициенты μ, μ_s, μ _ix, μ _iy для одного и того же уровня за­топления отсека различны; однако в практических расчетах этим разли­чием пренебрегают и приближенно считают μ_s = μ _ix = μ _iy = μ .

Таким образом, употребляемые в расчетах элементы затопленных отсеков находят, умножая их теоретические значения на единый общий коэффициент проницаемости μ .

Коэффициенты проницаемости зависят от уровня воды в за­топленном отсеке. Однако и этим обстоятельством в практических расчетах пренебрегают и считают коэффициенты μ постоянными, не зависящими от высоты уровня влившейся в отсек воды.

Изменение начальной остойчивости и посадки судна при за­топлении малых отсеков первой и второй категорий. Затопление забортной водой малого отсека первой категории равносильно приему малого твердого груза, масса и координаты центра тяже­сти которого соответственно равны массе и координатам центра тяжести воды в отсеке. Поэтому приращение начальной остойчивости и изменение посадки судна после затопления отсека могут быть определены формулами (4.6) — (4.8), в которых следует принять m = ρυ, где υ — объем воды, поступившей в отсек; ρ — плот­ность забортной воды.

При затоплении отсека второй категории необходимо дополни­тельно учесть влияние свободной поверхности воды в отсеке. В этом случае приращение начальной остойчивости можно опреде­лить по формуле

где i_x — центральный момент инерции свободной поверхности воды в отсеке относительно продольной оси (определен­ный с учетом коэффициента проницаемости отсека). Затопление отсеков первой категории всегда увеличивает ос­тойчивость судна. Влияние затопления отсеков второй категории на остойчивость существенно зависит от размеров имеющейся в отсеках свободной поверхности воды. Неполное затопление расположенных вблизи и выше ватерлинии широких отсеков (например, в результате фильтрации из соседних затопленных от­секов или тушения пожаров) чрезвычайно сильно уменьшает начальную остойчивость и является одной из главных причин возникновения отрицательной начальной остойчивости повреж­денного судна.

Метацентр, центр величины и центр тяжести судна. Метацентрическая высота как мера начальной остойчивости судна. Признаки отрицательной начальной остойчивости судна и меры по ее улучшению.

Метацентр (от греч. μετα — через и лат. centrum — средоточие) — центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины в процессе наклонения судна. При малых наклонениях судна (примерно, до 10 градусов) метацентр можно считать неподвижным, при больших наклонениях метацентр начинает смещаться. Возвышение метацентра над центром тяжести судна называется метацентрической высотой.

В теории корабля различают два метацентра:

при наклонении судна в поперечной плоскости (крен), метацентр является поперечным, или малым.

при наклонении судна в продольной плоскости (дифферент) — продольным, или большим.

На практике судно испытывает наклонения в обеих плоскостях, и если определить для этого случая метацентр, он будет лежать выше поперечного, но ниже продольного. С этой точки зрения метацентрические высоты, рассматриваемые в теории, являются предельными.

Центр тяжести — точка приложения силы веса судна. Для определения его положения есть два пути: расчетный — составление т. наз. продольной и вертикальной нагрузки судна, производимое по его чертежам; второй — экспериментальное определение положения Ц. Т. С. на плаву.

Центр величины - центр масс погруженного объема тела (подводной части корпуса корабля (судна). Одновременно является точкой приложения всех гидростатических сил, выталкивающих плавающее тело на поверхность. Высота расположения центра величины относительно киля, зависящая от формы объема погруженной части, определяет остойчивость корабля (судна). Например, центр величины у острокильного судна находится выше, чем у судна с плоским дном при прочих равных размерах, этим и объясняется большая остойчивость острокильных судов. При возникновении дифферентов центр величины меняет свое положение.

Поперечное наклонение плавающего судна.

Метацентр обозначен M.

Центр величины обозначен C

Центр тяжести обозначен G

Меры начальной остойчивости

Для практики недостаточно простой качественной оценки — остойчиво судно или неостойчиво, так как степень остойчивости может быть различной, в зависимости от размеров, нагрузки и величины наклонения. Величины, дающие возможность количественно оценить начальную остойчивость, называются мерами начальной остойчивости.

Использование восстанавливающего момента в качестве меры начальной остойчивости неудобно, так как он зависит от угла наклонения. При бесконечно малых углах крена восстанавливающий момент mθ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.

Благодаря своему простому геометрическому смыслу метацентрическая высота наиболее часто используется в качестве меры начальной остойчивости, хотя следует иметь в виду, что коэффициент остойчивости дает наиболее полную оценку этого мореходного качества.

Внешними признаками отрицательной начальной остойчивости корабля являются:

— плавание корабля с креном при отсутствии кренящих моментов;

— стремление корабля перевалиться на противоположный борт при спрямлении;

— переваливание с борта на борт при циркуляции, при этом крен остается и при выходе корабля на прямой курс;

— большое количество воды в трюмах, на платформах и палубах.

Последнее является не только признаком, но и основной причиной появления отрицательной начальной остойчивости. При наличии отрицательной начальной остойчивости спрямлять судно затоплением бортовых отсеков нельзя, так как при этом судно может опрокинуться на противоположный борт из-за совместного действия спрямляющего момента и момента от перетекания воды в сторону спрямления. Поэтому прежде всего необходимо восстановить начальную остойчивость либо удалением воды с палуб, либо спуском ее в нижние помещения.

Наличие на судне незакрепленных и подвешенных грузов также уменьшает его остойчивость. Эти грузы при наклонениях судна перемещаются в сторону наклонения и увеличивают кренящий момент.

Особенно резко снижается остойчивость корабля при входе в воду бортовой кромки верхней водонепроницаемой палубы.

На рис. 10 изображена диаг­рамма статической остойчивости судна, имеющего в прямом поло­жении отрицательную остойчи­вость. В этом случае положениям неустойчивого равновесия судна будут отвечать не только точки заката диаграммы В и В', но и начало координат О. Положениям устойчивого равновесия будут соответствовать две точки — С и С'. Таким образом, судно с отрицательной начальной остойчивостью не может плавать в пря­мом

положении; оно будет иметь крен θ₁ на правый борт или равный ему крен на левый борт в зависимости от случайных внешних причин (ветра, волнения, перекладки руля и т. д.). Однако видно, что наличие отрицательной начальной остойчивости еще не может служить основанием для заключения о том, что судно вообще неостойчиво и должно опрокинуться. Судно опро­кидывается только в том случае, когда его диаграмма остойчивости примет вид, показанный на рис. 10 пунктиром, и будет пере­секать ось абсцисс только в одной точке — нулевой.

Для сохранения надлежащей остойчивости судна необходимо:

— все грузы располагать по возможности на штатных местах и обязательно закреплять их по-походному;

— жидкие грузы принимать и расходовать в соответствии с инструкцией и с таким расчетом, чтобы не допускать образования больших свободных поверхностей;

— не допускать перетекания жидких грузов из цистерн одного борта в цистерны другого борта;

— не допускать скопления воды в трюмах;

— немедленно удалять воду из поврежденных отсеков после заделки пробоины;

— скалывать и удалять лед за борт при обмерзании палубы, рангоута и такелажа;

— не допускать касания грунта при стоянке корабля у стенки и следить за швартовыми;

— выяснять причины появления крена и дифферента и устранять их;

— принимать все меры по удержанию крена до входа в воду верхней палубы.