4.1Остойчивость судна

Учение об остойчивости рассматривает условия, при которых судно плавает в вертикальном положении и выпрямляется после наклонений. Однако морское судно должно не только иметь достаточную остойчивость, но и выполнять даже на взволнованном море максимально плавные движения. За достаточную остойчивость несет ответственность в первую очередь судостроительная верфь, а за ведение судна в штормовом море - командование судна. Важнейшая задача состоит в том, чтобы путем правильной загрузки соразмерить требования надежности судна (достаточная остойчивость, хорошая маневренность) и требования экономичности (использование трюмов по грузоподъемности и объему) и достичь таким образом наибольшей эффективности. Ответственность за остойчивость находящегося в море судна и за правильную загрузку всегда несет только капитан. Мы рассмотрим только поперечную остойчивость, т. е. способность судна выпрямляться при наклонениях вокруг продольной оси.

Как судно реагирует на нарушение равновесия, вызванное ветром и волнами, зависит от положения метацентра по отношению к центру тяжести. Подводная часть судна изменяет при наклонении вокруг продольной оси свою форму. Вследствие этого точка приложения силы поддержания (центр водоизмещения или величины) из своего начального положения перемещается к погруженной стороне в новое положение, соответствующее углу наклона (крена). При этом новое и первоначальное направления действия выталкивающей силы пересекаются в так называемом «воображаемом метацентре». Истинным метацентром является точка пересечения двух соседних направлений выталкивающей силы. Эта точка при малых углах крена (примерно до 10°) лежит в диаметральной плоскости судна, т. е. на первоначальном направлении действия силы поддержания вертикально плавающего судна; при большем угле наклона она находится вне диаметральной плоскости судна на так называемой эволюте. Метацентр - это точка, вокруг которой свободно плавающее тело совершает маятниковые колебания. Момент остойчивости спрямляет судно до тех пор, пока центр тяжести при малых углах наклона лежит ниже истинного метацентра и при больших углах наклона ниже воображаемого метацентра, т. е. пока имеется устойчивое равновесие. Если метацентр лежит ниже, то равновесие неустойчиво, т. е. создается момент, который предотвращает возвращение судна в положение равновесия. При совпадении метацентра и центра тяжести равновесие безразличное; не возникает никаких моментов, которые прекращают или поддерживают наклонения.

Таким образом, поперечная остойчивость зависит от положения центра тяжести по отношению к истинному или воображаемому метацентру. Расстояние между метацентром и центром тяжести (метацентрическая высота) является, следовательно, мерой способности судна к выпрямлению при нарушающих равновесие воздействиях ветра, волн и несимметричной загрузки.

1. Поперечная остойчивость судна - метацентр

a
b
а - устойчивое равновесие, b - неустойчивое равновесие
C или СӨ - центр величины, FA - сила поддержания, FG - вес судна, G - центр тяжести судна, MC или MCө - метацентр, N - мнимый метацентр, ι - плечо остойчивости, Ө - угол крена

Момент остойчивости при наклонении судна вокруг продольной оси определяется весом судна, положением центра тяжести и метацентра, а также углом крена. Если у судна в грузу и у судна порожнем метацентрические высоты равны, то сначала, до входа кромки палубы в воду или оголения скулы, нагруженное судно будет более устойчиво против внешних влияний, чем порожнее и, следовательно, более легкое судно. Кроме того, естественно, что судно с тяжелым палубным грузом, у которого общий центр тяжести лежит выше, менее остойчиво, чем судно, у которого тяжелый груз лежит на дне и центр тяжести смещен вниз.

Положение метацентра в большой мере зависит от формы судна, а также от угла крена. Решающую роль играют при этом ширина, высота борта и осадка судна. Если представить себе два судна с различной шириной при крене в 10°, ясно, что для наклонения более широкого судна требуются большие кренящие силы, чем для наклонения узкого; это видно также по входящему в воду и выходящему из воды клинообразному объему. У широкого судна входящий в воду и выходящий из воды объемы, а также путь их перемещения (плечо) больше, чем у более узкого судна.

Соответственно различны и перемещения точки приложения выталкивающей силы. Понятно, что у широкого судна метацентр расположен над ватерлинией выше, чем у узкого. Широкое судно, таким образом, более остойчиво, чем узкое. С другой стороны, если при большем крене кромка палубы входит в воду, а скула оголяется, то путь перемещения вошедшего в воду и вышедшего из нее объемов меньше; следовательно, линия действия подъемной силы проходит через точку приложения выталкивающей силы и пересекает диаметральную плоскость - первоначальное направление действия выталкивающей силы - в более низкой точке, так что воображаемый метацентр смещается вниз, т. е. ближе к центру тяжести судна. Таким образом, остойчивость при погружении кромки палубы и при выходе скулы уменьшается. Но так как погружение кромки палубы зависит от высоты борта судна над ватерлинией (надводного борта), а выход скулы - от осадки судна, то оба эти размеренна в значительной мере определяют поперечную остойчивость судна при больших углах наклонения.