4. Остойчивость судна

4.1.Остойчивость - это способность судна выведенного из положения равновесия под воздействием внешних сил, снова возвращаться в устойчивое равновесие после прекращения внешнего воздействия внешних сил.

Остойчивость судна при крене носит название поперечной остойчивости, а при дифференте - продольной.

Остойчивость судна зависит от формы его корпуса и от размещения на нем груза. Судно, остойчивое при одном размещении груза, может частично или полностью потерять остойчивость, если часть груза переместить в верхние отсеки или сосредоточить на одном борту.

Различают статическую остойчивость при медленных наклонениях судна, когда силами инерции и сопротивления воды можно пренебречь, и динамическую остойчивость при быстрых наклонениях, когда необходимо учитывать действие сил инерции и сопротивления воды.

4.2. Основные величины, используемые в расчётах остойчивости.

Метацентр (МЦ) - точка пересечения линии действия поддерживающей силы Рп с ДП судна;

θ - угол крена;

Р - сила тяжести судна;

Рп - сила поддержания (плавучести);

zc - возвышение ЦВ над килем;

а - расстояние между ЦВ и ЦТ;

zg - возвышение ЦТ над килем;

r - метацентрический радиус (расстояние между ЦВ и МЦ);

zm - возвышение МЦ над килем;

h - поперечная метацентрическая высота;

L - плечо статической остойчивости;

Мкр - кренящий момент;

Мв - восстанавливающий момент.

Если восстанавливающий момент Мв стремится возвратить судно в первоначальное положение, то он положителен и судно остойчиво по отношению к данному наклонению. В противном случае момент считается отрицательным и в этом случае судно не остойчиво для данного наклонения.

Рис. 2. Основные величины, используемые в расчётах остойчивости

4.3. Условия остойчивости судна.

Как отмечалось выше, когда у судна отсутствует крен, то сила тяжести и поддерживающая сила лежат на одной вертикальной прямой (Рис.1). Если какая-либо внешняя сила вызовет накренение судна, то вследствие увеличения подводного объема у одного борта и равного ему уменьшения подводного объема у другого борта ЦВ переместится в сторону крена. При этом возможны три случая.

1. Точка пересечения направления силы плавучести с ДП (метацентр МЦ) лежит выше ЦТ судна - метацентрическая высота (h) положительна (Рис. 3). В этом случае момент сил тяжести и плавучести действует в сторону, обратную крену, т.е. противодействует кренящему моменту, и, следовательно, восстанавливающий момент положителен. Такое судно будет остойчивым, так как после устранения причины, вызвавшей накренение, оно вернется в первоначальное положение.

Рис. 3. Положительный восстанавливающий момент

2. Метацентр находится ниже ЦТ - метацентрическая высота (h) отрицательна (рис. 4). В этом случае момент силы тяжести и силы поддержания стремится увеличить крен и опрокинуть судно (восстанавливающий момент судна отрицателен). Судно в этом случае неостойчиво.

Рис. 4. Отрицательный восстанавливающий момент

3. Метацентр совпадает с ЦТ - метацентрическая высота h равна нулю (рис.5). Восстанавливающий момент также равен нулю и судно, после устранения причины, вызвавшей крен, останется в накрененном положении. В этом случае судно обладает нулевой остойчивостью, и считается неостойчивым при данном угле крена. Положение такого равновесия называют безразличным.

Рис. 5. Случай безразличного равновесия судна

Таким образом, основное условие остойчивости судна состоит в том, чтобы ЦТ его лежал ниже метацентра. Чем больше возвышение МЦ над ЦТ, тем меньший крен получает судно под действием одной и той же кренящей силы. Поэтому данное расстояние, называемое поперечной метацентрической высотой (h), считают мерой остойчивости судна. Чем больше ее значение, тем остойчивее судно. Но это не означает, что чем больше (h), тем лучше. При избыточной мета-центрической высоте в штормовую погоду судно будет испытывать резкую порывистую качку, что отрицательно сказывается на прочности корпуса, работоспособности механизмов и приборов и на самочувствии людей.

Если метацентрическая высота судна мала, то при статическом действии внешних сил оно будет накреняться до тех пор, пока кренящий и восстанавливающий моменты не сравняются, после чего действие восстанавливающего момента вызовет возвращение судна в первоначальное положение.

Если же судно подвергнется динамическому (резкому) воздействию внешних сил, то оно будет продолжать крениться по инерции и после достижения равновесия кренящего и восстанавливающего моментов. С начала величина восстанавливающего момента возрастёт до макси-мального значения, а в дальнейшем начнёт уменьшаться. С уменьшением восстанавливающего момента до нулевого значения судно потеряет остойчивость и опрокинется.

При проектировании судна стремятся получить такое значение (h), при котором судно было бы достаточно остойчивым и в то же время имело плавную качку.

Метацентрическая висота (h) - это такая условная точка на судне, выше которой судно будет неостойчивым.

В практике мореплавания известны случаи опрокидывания судов, потерявших остойчивость из-за наличия в цистернах и других помещениях жидких или сыпучих грузов, способных беспрепятственно перемещаться в сторону крена. Несимметричное затопление бортовых отсеков и затопление высоко расположенных помещений (вследствие повышения центра тяжести судна) также резко снижает остойчивость судна и может повлечь за собой моментальное его опрокидывание даже при небольших углах крена.

При дифференте продольный метацентр расположен всегда значительно выше центра тяжести судна, и поэтому восстанавливающий момент всегда положителен.

Продольная метацентрическая высота судна(Н) настолько велика, что возможность его опрокидывания через нос или корму практически исключается.