Остойчивость

Остойчивостью называется способность судна, наклоненного действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться к состоянию равновесия после прекращения действия этих сил.

Наклонения судна могут происходить под действием таких внешних сил, как перемещение, прием или расходование грузов, давление ветра, действие волн, натяжение буксирного троса и пр.

Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, измеряемых углами дифферента, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, поэтому опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает. Но изучение ее необходимо для определения дифферента судна при воздействии внешних сил. Остойчивость, которую судно имеет при поперечных наклонениях, измеряемых углами крена 6, называют поперечной.

Поперечная остойчивость является важнейшей характеристикой судна, определяющей его мореходные качества и степень безопасности плавания. При изучении поперечной остойчивости различают начальную остойчивость (при малых наклонениях судна) и остойчивость на больших углах крена. Начальная остойчивость. При крене судна на малый угол под действием какой-либо из названных внешних сил происходит перемещение ЦВ за счет перемещения подводного объема (рис. 149). Величина образующегося при этом восстанавливающего момента зависит от величины плеча l = GK между силами

веса и поддержания наклоненного судна. Как видно из рисунка, восстанавливающий момент Мв = Dl = Dh sin θ, где h — возвышение точки М над ЦТ судна G, называемое поперечной метацентрической высотой судна. Точка М носит название поперечного метацентра судна.

Рис. 149. Действие сил при крене судна

Метацентрическая высота является важнейшей характеристики остойчивости. Она определяется выражением

h = z_c + r — z_g,

где z_c — возвышение ЦВ над ОЛ; r — поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; z_g — возвышение ЦТ судна над ОЛ.

Значение z_g определяют при расчете нагрузки масс. Приближенно можно

принять (для судна с полным грузом) z_g = (0,654-0,68) Н, где Н — высота борта на миделе.

Значение z_c и r определяют по теоретическому чертежу или (для прикидочных расчетов) по приближенным формулам, например:

где В — ширина судна, м; Т — осадка, м; α — коэффициент полноты ватерлинии; δ — коэффициент общей полноты; К — коэффициент, зависящий от формы ватерлинии и ее полноты и изменяющийся в пределах 0,086 — 0,089.

Из приведенных формул видно, что поперечная остойчивость судна повышается с увеличением В и α; с уменьшением Т и δ; с возвышением ЦВ z_c; с

понижением ЦТ z_g. Таким образом, более остойчивы широкие суда, а также суда с низким расположением ЦТ. При понижении ЦТ, т. е. при расположении более тяжелых грузов — механизмов и оборудования — как можно ниже и при

облегчении высокорасположенных конструкций (надстроек, мачт, труб, которые с этой целью иногда изготовляют из легких сплавов) метацентрическая высота увеличивается. И наоборот, при приеме тяжелых грузов на палубу, обледенении надводной части корпуса, надстроек, мачт и т. п., во время плавания судна в зимних условиях остойчивость судна уменьшается.

Опыт кренования. На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют (используя метацентрическую формулу остойчивости) опытным путем — кренованием судна, которое производят на угол 1,5—2 переносом с борта на борт заранее взвешенного груза. Схема опыта кренования показана на рис. 150.

Рис. 150. Схема опыта кренования.

1 — рейка с делениями; 2 — грузик и крылатка; 3 — ванна с водой или маслом; 4 — нить веска; 5 — переносной крепящий груз

Кренящий момент М_кр вызывается переносом груза Р на расстояние у: М_кр = Ру. По метацентрической формуле остойчивости h = М_KP/D θ (sin θ заменен величиной θ ввиду малости угла крена θ). Но θ = d/l, поэтому h = Pyl/Dd.

Значения всех величин, входящих в эту формулу, определяют в процессе опыта кренования. Водоизмещение находят расчетным путем по осадкам, замеренным по маркам углубления.

На небольших судах перенос груза (чугунных чушек, мешков с песком и т. п.) иногда заменяют перебежками людей общей массой около 0,2—0,5 % водоизмещения порожнего судна. Угол крена θ замеряют весками, опущенными в масляные ванны. В последнее время вески заменяют специальными приборами, позволяющими точно замерять угол крена во время опыта кренования (с учетом происходящего при переносе груза раскачивания судна), — так называемыми инклинографами.

По найденной с помощью опыта кренования начальной метацентрической высоте рассчитывают по приведенным выше формулам положение ЦТ построенного судна.

Ниже приведены примерные значения поперечной метацентрической высоты для разных типов судов с полным грузом:

h, м

Большие пассажирские суда …………………………… 0,3—1,5

Средние и малые пассажирские суда... ……………… 0,6—0,8

Большие сухогрузные суда …………………………….. 0,7—1,0

Средние ………………………………………………….. 0,5—0,8

Большие наливные суда ………………………………… 2,0—4,0

Средние …………………………………………………... 0,7—1,6

Речные пассажирские суда …………………………….... 3,0—5,0

Баржи ……………………………………………………… 2,0—10,0

Ледоколы ……… ………………………………………… 1,5—4,0

Буксиры …………………………………………………… 0,5—0,8

Рыбопромысловые суда …………………………………. 0,7—1,0

Остойчивость на больших углах крена. По мере увеличения угла крена судна восстанавливающий момент сначала растет (рис. 151, а—в), затем уменьшается, становится равным нулю и уже не препятствует, а, наоборот, способствует дальнейшему наклонению судна (рис. 151, г).

Рис. 151. Действие сил при накренении судна на большие углы

Так как водоизмещение D для данного состояния нагрузки остается постоянным, то восстанавливающий момент М_в изменяется пропорционально изменению плеча l поперечной остойчивости. Это изменение плеча остойчивости в зависимости от угла крена 8 можно рассчитывать и изображать графически, в виде диаграммы статической остойчивости (рис. 152), которую строят для наиболее характерных и опасных относительно остойчивости случаев нагрузки судна.

Диаграмма статической остойчивости является важным документом, характеризующим остойчивость судна. С ее помощью можно, зная величину действующего на судно кренящего момента, например, от давления ветра, определяемого по шкале Бофорта (табл. 8), или от переноса на борт груза, от принятых несимметрично ДП водяного балласта или запасов топлива и т. п., — найти величину образующегося угла крена в том случае, если этот угол велик (более 10°). Малый угол крена вычисляют без построения диаграммы по приведенной выше метацентрической формуле.

Рис. 152. Диаграмма статической остойчивости

По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту судна, которая равна отрезку между горизонтальной осью и точкой пересечения касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат с вертикалью, проведенной при угле крена, равном одному радиану (57,3°). Естественно, чем круче в начале координат кривая, тем больше начальная метацентрическая высота.

Особенно полезна диаграмма статической остойчивости тогда, когда надо узнать угол крена судна от действия внезапно приложенной силы — при так называемом динамическом действии силы.

Если на судно действует какая-либо статически, т. е. плавно, без рывков, приложенная сила, то образуемый ею кренящий момент создает угол крена, который определяют по диаграмме статической остойчивости (построенной в форме кривой изменения восстанавливающих моментов D (от угла крена) в точке пересечения с кривой горизонтальной прямой, проведенной параллельно горизонтальной оси на расстоянии, равном значению кренящего момента (рис. 153, а). В этой точке (точка А) кренящий момент от действия статической

Табл.8

Характеристика ветра и морского волнения

Скорость давление ветра на высоте 6 м над уровнем моря (шкала Бофорта)	Морское волнение (шкала IV Гидрографической службы)
Балл	Наименование ветра	Скорость ветра м/с	Давление ветра МПа (кгс/м3 )	Балл	Характеристика волнения	Высота волн, м
средняя	при шквале	средняя	при шквале
	Штиль Тихий Легкий Слабый Умеренный Свежий Сильный Крепкий Очень крепкий Шторм Сильный шторм Жестокий шторм Ураган	0,0—0,5 0,6—1,7 1,8—3,3 3,4-5,2 5,3—7,4 7,5—9,8 9,9—12,4 12,5—15,2 15,3—18,2 18,3—21,5 21,6—25.1 25,2—29,0 Более 29,0	1,0 3,2 6,2 9,6 13,6 17,8 22,2 26,8 31,6 36,7 42,0 47,5 53,0	0 (0,0) 2 (0,2) 9 (0,9) 22 (2,2) 44 (4,5) 77 (7,8) 123 (12,5) 184 (18,8) 265 (27,0) 366 (37,5) 501 (51,1) 671 (68,4) 878 (89,5)	1 (0,1) 8 (0,8) 30 (3,1) 74 (7,5) 147 (15,0). 252 (25,7) 392 (30,0) 573 (58,4) 798 (81,3) 1076 (109,7) 1407 (143,5) 1800 (183,5) 2246 (229,0)	I II   III IV V VI VII VII VIII IX IX	Отсутствует Слабое Умеренное   Значительное Значительное Сильное Сильное Очень сильное Очень сильное Очень сильное Исключительное Исключительное	0,00—0,25 0,25—0,75   0,75—1,25 1,25-2,00 2,00—3,50 3,50—6,00 6,00—8,50   8,50—11,00 Более 11,0

силы равен восстанавливающему моменту, возникающему при накренении судна и стремящемуся возвратить накрененное судно в исходное, прямое, положение. Угол крена, при котором кренящий и восстанавливающий моменты равны, и является искомым углом крена от статически приложенной силы.

Если же кренящая сила действует на судно динамически, т. е. внезапно (порыв ветра, рывок буксирного троса и т. п.), то вызываемый ею угол крена определяют по диаграмме статической остойчивости иным образом.

Рис. 153. Определение угла крена от действия статически (а) и динамически (б) приложенной силы

Горизонтальную линию кренящего момента, например от действия ветра при шквале, продолжают вправо от точки А (рис. 153, б) до тех пор, пока отсекаемая ею площадь ABC внутри диаграммы не станет равной площади AOD вне ее; при этом угол крена (точка Е) соответствующий положению прямой ВС, является искомым углом крена от действия динамически приложенной силы. Физически это соответствует углу крена, при котором работа кренящего момента (графически изображаемая площадью прямоугольника ODCE) оказывается равной работе восстанавливающего момента (площадь фигуры ОБЕ).

Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, чтобы сравняться с площадью фигуры, ограниченной кренящим моментом вне ее, то судно опрокинется. Поэтому одной из главных характеристик диаграммы, свидетельствующих об остойчивости судна, является ее площадь, ограничиваемая кривой и горизонтальной осью. На рис. 154 показаны кривые плеч статической остойчивости двух судов: с большой начальной остойчивостью, но с малой площадью диаграммы (1) и с меньшей начальной метацентрической высотой, но с большей площадью диаграммы (2). Последнее судно способно выдержать более сильный ветер, оно более остойчиво. Обычно площадь диаграммы больше у судна с высоким надводным бортом и меньше — с низким.

Рис. 154. Кривые статической остойчивости судна с высоким (1) и с низким (2) надводным бортом

Остойчивость морских судов должна отвечать Нормам остойчивости Регистра СССР, предусматривающим в качестве основного критерия (называемого «критерием погоды») условие: опрокидывающий момент М_опр, т. е. минимальный динамически приложенный момент, который при одновременном воздействии бортовой качки и наихудшей загрузке вызывает опрокидывание судна, не должен быть меньше динамически приложенного к судну кренящего момента М_кр от давления ветра, т. е. К = М_опр / М_кр ≥ l,00.

При этом значение опрокидывающего момента находят по диаграмме статической остойчивости по особой схеме, а сопоставляемое с ним значение (в кН∙м) кренящего момента (рис. 155) по формуле М_кр = 0,001P_в S_п z_n, где Р_в —давление ветра, МПа или кгс/м² (определяется по шкале Бофорта в столбце «при шквале» или по таблице Регистра СССР); S_n — площадь парусности (площадь боковой проекции надводной части судна), м²; z_n — возвышение центра парусности над ватерлинией, м.

При изучении диаграммы статической остойчивости представляет интерес угол, при котором кривая пересекает горизонтальную ось — так называемый угол заката. По Правилам Регистра у морских судов этот угол не должен быть меньше 60°. Эти же Правила требуют, чтобы максимальные значения восстанавливающих моментов на диаграмме достигались при угле крена не менее 30°, а максимальное плечо остойчивости было бы не менее 0,25 м у судов длиной до 80 м и не менее 0,20 м — у судов длиной более 105 м.

Рис. 155. К определению кренящего момента от действия силы ветра

при шквале (площадь парусности заштрихована)

Влияние жидких грузов на остойчивость. Имеющиеся в цистернах жидкие грузы при неполном заполнении цистерн в случае наклонения судна перемещаются в сторону наклонения. Из-за этого в ту же сторону перемещается ЦТ судна (из точки G₀ в точку G), что приводит к уменьшению плеча восстанавливающего момента. На рис. 156 показано, как плечо остойчивости l₀ при учете смещения жидкого груза уменьшается до l. При этом, чем шире цистерна или отсек, имеющие свободную поверхность жидкости, тем значительнее, перемещение ЦТ и, следовательно, больше уменьшение поперечной остойчивости. Поэтому для уменьшения влияния жидких грузов стремятся уменьшить ширину цистерны, а во время эксплуатации — ограничить число цистерн, в которых образуются свободные уровни, т. е. расходовать запасы не сразу из нескольких цистерн, а поочередно.

Влияние сыпучих грузов на остойчивость. К сыпучим грузам относят зерно всех видов, уголь, цемент, руду, рудные концентраты и др.

Свободная поверхность жидких грузов всегда остается горизонтальной.

В отличие от них сыпучие грузы характеризуются углом естественного откоса, т. е. наибольшим углом между поверхностью груза и горизонтальной плоскостью, при котором груз еще находится в покое и при превышении которого начинается пересыпание. У большинства сыпучих грузов этот угол находится в пределах 25—35°.

Сыпучие грузы, погруженные на судно, характеризуются также пористостью, или скважистостью, т. е. соотношением объемов, занятых непосредственно частицами груза, и пустот между ними. Эта характеристика, зависящая как от свойств самого груза, так и от способа его погрузки в трюм, определяет степень его усадки (уплотнения) во время транспортировки.

Рис. 156. К определению влияния свободной поверхности жидкого груза

на остойчивость

При перевозке сыпучих грузов (особенно зерна) в результате образования пустот по мере их усадки от тряски и вибрации корпуса во время рейса, при резких или больших наклонениях судна под действием шквала (превышающих угол естественного откоса) они пересыпаются на один борт и уже не возвращаются полностью к исходному положению после выпрямления судна.

Количество пересыпавшегося таким образом груза (зерна) постепенно увеличивается и вызывает крен, который может привести к опрокидыванию судна. Во избежание этого принимают специальные меры — укладывают поверх насыпанного в трюм зерна мешки с зерном (мешкование груза) или устанавливают в трюмах дополнительные временные продольные переборки — шифтинг-бордсы (см. рис. 154). При невыполнении этих мероприятий происходят серьезные аварии и даже гибель судов. Статистика показывает, что более половины судов, погибших из-за опрокидывания, перевозили сыпучие грузы.