От чего зависит устойчивость лодки

От чего зависит устойчивость лодки

§ 41. Остойчивость.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения нормального равновесия какими-либо внешними силами, возвращаться в свое первоначальное положение после прекращения действия этих сил.

К внешним силам, способным вывести судно из положения нормального равновесия, относятся ветер, волны, перемещение грузов и людей, а также центробежные силы и моменты, возникающие при поворотах судна.

Судоводитель обязан знать особенности своего судна и правильно оценивать факторы, влияющие на его остойчивость. Различают поперечную и продольную остойчивость.

Рис 89 Статические силы, действующие на судно при малых накренениях.

Поперечная остойчивость судна характеризуется взаимным расположением центра тяжести G и центра величины С.

Если судно накренить па один борт на малый угол (5—10°) (рис. 89), ЦВ переместится из точки С в точку С1.

Соответственно сила поддержания, действующая перпендикулярно к поверхности, пересечет диаметральную плоскость (ДП) в точке М.

Точка пересечения ДП судна с продолжением направления силы поддержания при крепе называется начальным метацентром М. Расстояние от точки приложения силы поддержания С до начального метацентра называется метацентрическим радиусом.

Расстояние от начального метацентра М до центра тяжести G называется начальной метацентрической высотой h 0.

Начальная метацентрическая высота характеризует остойчивость при малых наклонениях судна, измеряется в метрах и является критерием начальной остойчивости судна.

Как правило, начальная метацентрическая высота мотолодок и катеров считается хорошей, если она больше 0,5 м, для некоторых судов она допустима меньше, но не менее 0,35 м.

Рекомендуется практически начальную метацентрическую высоту (для килеватых судов) определять следующим приближенным способом.

Рис. 90. Зависимость начальной метацентрической высоты от длины судна

Резким наклонением вызывается поперечная качка судна и секундомером замеряется период свободной качки, т. е. время полного размаха от одного крайнего положения до другого и обратно. Поперечную метацентрическую высоту судна определяют по формуле:

h 0 = 0,525( ) 2 м,

Т — период качки, сек.

Для оценки полученных результатов служит кривая на рис. 90, построенная по данным удачно спроектированных катеров. Если начальная метацентрическая высота h о, определенная по вышеприведенной формуле, окажется ниже заштрихованной полосы, то означает, что судно будет иметь плавную качку, но недостаточную начальную остойчивость, и плавание на нем может быть опасным.

Если метацентр расположен выше заштрихованной полосы, судно будет отличаться стремительной (резкой) качкой, но повышенной остойчивостью, и следовательно такое судно более мореходно, но обитаемость на нем неудовлетворительна. Оптимальными будут значения, попадающие в зону заштрихованной полосы.

Остойчивость мотолодки и катеров должна выдерживать следующие условия: угол крена полностью укомплектованного судна с мотором от размещения на борту груза, равного 60% установленной грузоподъемности, должен быть меньше угла заливания.

Установленная грузоподъемность судна включает в себя вес пассажиров и вес дополнительного груза (снаряжение, провиант).

Крен судна на один из бортов измеряется углом между новым наклоненным положением диаметральной плоскости с вертикальной линией. При крене на угол q равнодействующая веса судна образует с плоскостью ДП тот же угол q .

Накрененный борт будет вытеснять воды больше, чем противоположный, и ЦВ сместится в сторону крена.

Тогда равнодействующие силы поддержания и веса будут неуравновешенными, образующими пару сил с плечом, равным

Повторное действие сил веса и поддержания измеряется восстанавливающим моментом

M = Dl = Dh 0sin q .

Где D — сила плавучести, равная силе веса судна;

l — плечо остойчивости.

Эта формула называется метацентрической формулой остойчивости и справедлива только для малых углов крена, при которых метацентр можно считать постоянным.

При больших углах крена метацентр не является постоянным, вследствие чего нарушается линейная зависимость между восстанавливающим моментом и углами крена.

Взаимным расположением груза на судне судоводитель всегда может найти наиболее выгодное значение метацентрической высоты, при которой судно будет достаточно остойчивым и меньше подвергаться качке.

Кренящим моментом называется произведение веса груза, перемещаемого поперек судна, на плечо, равное расстоянию перемещения. Если человек весом 75 кг, сидящий на банке, переместится поперек судна на 0,5 м, то кренящий момент будет равен 75*0,5 = 37,5 кг/м.

Рис 91. Диаграмма статической остойчивости

Для изменения момента, накреняющего судно па 10°, надо загрузить судно до полного водоизмещения совершенно симметрично относительно диаметральной плоскости.

Загрузку судна следует проверить по осадкам, измеряемым с обоих бортов. Креномер устанавливается строго перпендикулярно диаметральной плоскости таким образом, чтобы он показал 0°.

После этого надо перемещать грузы (например, людей) на заранее размеченные расстояния до тех пор, пока креномер не покажет 10°. Опыт для проверки следует произвести так: накренить судно на один, а затем на другой борт.

Зная крепящие моменты накреняющего судно на различные (до наибольшего возможного) углы, можно построить диаграмму статической остойчивости (рис. 91), что оценит остойчивость судна.

Остойчивость можно увеличивать за счет увеличения ширины судна, понижения ЦТ, устройства кормовых булей.

Если центр тяжести судна расположен ниже центра величины, то судно считается весьма остойчивым, так как сила поддержания при крене не изменяется по величине и направлению, но точка ее приложения смещается в сторону наклона судна (рис. 92, а).

Поэтому при крене образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом, стремящимся вернуть судно в нормальное вертикальное положение па прямой киль. Легко убедиться, что h>0, при этом метацентрическая высота равна 0. Это типично для яхт с тяжелым килем и нетипично для более крупных судов с обычным устройством корпуса.

Если центр тяжести расположен выше центра величины, то возможны три случая остойчивости, которые судоводитель должен хорошо знать.

Первый случай остойчивости.

Метацентрическая высота h>0. Если центр тяжести расположен выше центра величины, то при наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает диаметральную плоскость выше центра тяжести (рис. 92, б).

Рис. 92. Случай остойчивого судна

В этом случае также образуется пара сил с положительным восстанавливающим моментом. Это типично для большинства судов обычной формы. Остойчивость в этом случае зависит от корпуса и положения центра тяжести по высоте.

При крене кренящийся борт входит в воду и создает дополнительную плавучесть, стремящуюся выровнять судно. Однако при крене судна с жидкими и сыпучими грузами, способными перемещаться в сторону крена, центр тяжести также сместится в сторону крена. Если центр тяжести при крене переместится за отвесную линию, соединяющую центр величины с метацентром, то судно опрокинется.

Второй случай неостойчивого судка при безразличном равновесии.

Метацентрическая высота h = 0. Если центр тяжести лежит выше центра величины, то при крене линия действия силы поддержания проходит через центр тяжести MG = 0 (рис. 93).

В данном случае центр величины всегда располагается на одной вертикали с центром тяжести, поэтому восстанавливающаяся пара сил отсутствует. Без воздействия внешних сил судно не может вернуться в прямое положение.

В данном случае особо опасно и совершенно недопустимо перевозить на судне жидкие и сыпучие грузы: при самой незначительной качке судно перевернется. Это свойственно шлюпкам с круглым шпангоутом.

Третий случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии.

Метацентрическая высота h

Сила тяжести и сила поддержания при малейшем крене образуют пару сил с отрицательным восстанавливающим моментом и судно опрокидывается.

Рис. 93. Случай неостойчивого судна при безразличном равновесии

Рис. 94. Случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Разобранные случаи показывают, что судно остойчиво, если метацентр расположен выше центра тяжести судна.

Чем ниже опускается центр тяжести, тем судно более остойчиво. Практически это достигается расположением грузов не на палубе, а в нижних помещениях и трюмах.

УСТОЙЧИВОСТЬ СУДНА ИЛИ ВАНЬКА-ВСТАНЬКА НА ВОДЕ.

О ВАНЬКЕ-ВСТАНЬКЕ, ЦЕНТРЕ ТЯЖЕСТИ И РАВНОВЕСИИ

Любые водные суда должны обладать обязательным запасом непотопляемости. Ни один человек, находящийся на борту судна, не хочет, чтобы его судно перевернулось и затонуло! Остойчивость – это “способность наклоненного судна выпрямляться” или “способность судна противодействовать наклонению”.

Судно плавает на поверхности воды под действием двух основных сил: силы тяжести и Архимедовой силы. Сила тяжести – “тянет судно вниз”, равна его весу и приложена к центру тяжести судна ЦТ. Сила плавучести или Архимедова сила – “выталкивает судно из воды”, равна его водоизмещению и приложена в центре подводного объема ЦВ судна.

В “прямом” положении судна эти силы уравновешивают друг друга и лежат на одной вертикальной линии. При крене форма подводной части корпуса изменится, ЦВ сместится в сторону накрененного борта, и возникнет так называемый восстанавливающий момент, который противодействует крену. При наклонении судна ЦВ как бы поворачивается вокруг точки, называемой метацентром m.

Расстояние от метацентра m до центра тяжести ЦТ ( метацентрическая высота ) является характеристикой остойчивости судна. Чем меньше судно, тем больше должна быть метацентрическая высота. Так, например, у гребной шлюпки достаточная метацентрическая высота 0.3 м обеспечивает безопасную посадку и вставание людей в лодке.

Как же оценить, насколько безопасна, например, парусная яхта? Какова вероятность восстановления яхты из положения “килем вверх” ?
В случае полного опрокидывания у хороших яхт даже небольшой случайной волны достаточно для того, чтобы яхта вернулась в прямое положение.

Существует достаточно много способов повышения остойчивости судна. Вот некоторые из них:
Высокую остойчивость можно обеспечить за счет веса неподвижного балласта. Причем необходимо понизить ЦТ. Чем ниже расположен центр тяжести яхты, тем она остойчивее. Существует простое правило: каждый килограмм под ватерлинией повышает остойчивость, а каждый килограмм над ватерлинией ухудшает ее.

Для этих целей используется, например, неподвижный балластный киль (однако яхты с таким килем тяжелы ). Таким килем оборудованы классические яхты. Среди положительных качеств “классических” яхт “ – абсолютная остойчивость”, т.е. яхта восстанавливается практически из любого положения. Так для классической яхты “Contessa 32” потеря остойчивости наступает только при крене 155° . Будучи опрокинутой днищем вверх, “Contessa 32” легко спрямляется.

Более широкие и высокобортные суда имеют большую остойчивость формы. Важно также, чтобы при накренении через люки и палубные отверстия во внутренние помещения яхты не попадала забортная вода. Попадание воды внутрь судна способно свести “на нет” преимущества от высокой остойчивости.

Суда с водонепроницаемой надстройкой могут иметь очень высокую остойчивость на больших кренах. Именно на этом принципе основана идея неопрокидываемых спасательных шлюпок неваляшек. Спасательные шлюпки и плоты некоторых типов практически неопрокидываемые, т.к. даже после полного переворачивания они возвращаются в нормальное положение. А у парусной яхты есть еще один очень эффективный способ повышения остойчивости – откренивание, т.е. перемещение веса экипажа, балласта, качающегося киля и т.д. по ширине судна. В настоящее время применяются консоли, трапеции, бортовые балластные цистерны, перемещаемый балласт, качающиеся кили, а также такие “экзотические” приспособления, как управляемые подводные крылья. В последнее время на яхтах вошли в моду рубки, обеспечивающие неостойчивость в опрокинутом положении.

Для судов разных классов существуют определенные нормы и требования Российского Морского Регистра к остойчивости. Именно длина считается важнейшим фактором безопасности. Большие по размеру и более тяжелые яхты полагаются наиболее надежными. Положенная парусами на воду яхта должна самостоятельно спрямляться из этого положения.

Итак, непотопляемость или остойчивость судна достигается путем разумного компромисса между обеспечением ходовых качеств и одновременно безопасности в эксплуатации. Использование принципа действия Ваньки-встаньки обеспечивает нашу безопасность при плавании на любых судах!

Другие страницы о Ваньке-встаньке, центре тяжести и равновесии:

Классификация лодок по типу днища

Так сложилось исторически, что водный вид транспорта человек стал использовать самым первым. Несмотря на давность лет, способ передвижения по воде не утратил своей актуальности и поныне. Для наибольшего комфорта люди всегда стремились усовершенствовать лодки, которые использовали для перевозки грузов, рыбной ловли и водных прогулок.

Так, не имея академических знаний в сфере гидродинамики, старые корабелы интуитивно, опираясь на собственные наблюдения и опыт, отметили лучшие мореходные качества у лодок с заостренной носовой частью. Такие лодки более маневренны и послушны в управлении. А высокую мощную мачту хорошо уравновешивает низкий центр тяжести. Так она устойчиво и надежно держится на поверхности воды в любую погоду.

В результате многолетних поисков оптимальных форм и материалов на сегодняшний день существует несколько характерных отличий в конструкции различных лодок и катеров.

Лодки с плоским днищем

Главным достоинством плоскодонных лодок является их высокая устойчивость на тихой воде. Эта лодка прекрасно подойдет для тихой рыбалки на отмели, где судно с небольшой осадкой – вынужденная мера. К сожалению, на неспокойной воде или на большой скорости плоское днище делает лодку плохо управляемой. По этой причине установка мощного двигателя на подобную лодку нецелесообразна. Кроме того, такое днище принимает на себя мощнейшие гидроудары. Что делает пребывание на борту некомфортным и небезопасным.

Лодки глиссирующего и водоизмещающего типа

Лодки водоизмещающего типа не так давно очень широко использовались на реках нашей родины. Но с каждым годом их всё настойчивей вытесняют глиссирующие суда. Глиссирующие и водоизмещающие лодки имеют очень сходные качества, когда просто стоят на воде. Но во время движения этих судов, можно выделить принципиальные различия.

Так, глиссирующее судно, передвигаясь на высокой скорости, под воздействием выталкивающей силы поднимается и скользит над водой. Но для этого оно должно быть дополнено мощным мотором, который позволит лодке развить скорость. Безусловно, глиссирующая лодка – это быстрое, но неэкономичное судно, скорость которого также очень зависит от веса перевозимых грузов и количества пассажиров. Также стоит учесть, что относительно плоский корпус такой лодки плохо переносит встречу даже с небольшой волной. Подобные удары сказываются на мореходных качествах лодки.

Корпус водоизмещающей лодки и при скоростном движении всегда остается в воде, крейсируя по ее поверхности. Для таких лодок вполне достаточно крыльчатого пропеллера с малым шаговым отношением, приводимого в движение забортным приводом или транцевым мотором. Лодки водоизмещающего типа значительно уступают в скорости глиссирующим судам, но демонстрируют лучшие мореходные качества. Кроме того, являются более комфортными для пассажиров и не столь чувствительны к перегрузам.

Лодки с V-образным днищем и с закругленными обводами

Даже небольшое закругление обводов делает лодки более маневренными и комфортабельными, чем судна с плоским днищем. Также лодки с подобным корпусом более комфортны для водных прогулок.

Пожалуй, самый популярный в мире тип днища – V-образный. Такой успех подобных корпусов лодок объясняется тем, что они характеризуются высокими мореходными качествами. Из недостатков стоит отметить плохую остойчивость такого судна во время стоянки. Справедливости ради стоит заметить, что этот недостаток исчезает, как только лодка начинает движение.

Они хорошо показывают себя на неспокойной воде. Такие лодки комфортны и надежны даже при значительном волнении моря. Все потому что повышенная килеватость судна делает удары об воду мало ощутимыми, и обеспечивает хорошую устойчивость лодки даже при высокой скорости. Кстати, говоря о высокой скорости, нужно отметить конструктивные доработки днища. Так, многие производители оснащают донную часть лодки, так называемой, подушкой. Эта плоская поверхность увеличивает глиссирующие возможности судна, и как следствие, повышает его скорость.

Лодки с тримаранным типом днища и с туннельным винтом

Одной из модификаций лодки с V-образным днищем является судно с тримаранным типом днища. За рубежом эти лодки известны, как «кафедралы». Этим оригинальным прозвищем тримаран обязан особенностям конструкции днища, которое можно сравнить с высокими сводами готического храма. Привычное V-образное днище было дополнено двумя спонсонами по бокам. Такие конструктивные изменения были призваны нивелировать пусть и немногочисленные, но недостатки своей предшественницы, а именно увеличить остойчивость судна во время стоянки. Кроме этого, накреняясь, тримаран глиссирует на спонсоне. Также конструктивные особенности значительно расширили возможности относительно внутреннего расположения, что позволяет трехкилевым лодкам превосходить судна с V-образным днищем по скорости.

К удачным конструктивным доработкам также можно отнести лодки, днища которых оснащены туннельным винтом. Эта небольшая уловка позволяет уменьшить осадку судна и обеспечивает защиту лопастей мотора от контакта с дном водоема. Таким образом, можно смело передвигаться по незнакомым рекам и мелководью. Также подобные лодки могут передвигаться по заводям с густыми водорослями, без риска намотать зелень на винт.

Кроме защиты от механических повреждений, благодаря туннелю улавливаются воздушные потоки. Это помогает уменьшить сопротивление, вызванное трением днища о поверхность воды. А заостренные углы внешних обводов по внутренней кромке позволяют улучшить ходовые качества судна на высоких скоростях. Эта конструктивная особенность позволяет лодке легко переходить на гидропланирование, из-за этого многие гоночные модели имеют в своей конструкции туннельный винт.

Понтонные лодки

Лодки этого типа невероятно популярны в качестве прогулочных судов в Канаде и США. Велик спрос на них и у российских любителей водных прогулок. Например, понтонные лодки часто можно встретить в Краснодарском крае. Популярность понтонных лодок неудивительна, так как они бывают различных размеров. Небольшие лодки оценят рыболовы. А крупные экземпляры хороши для больших компаний, ведь такие лодки способны принять на борт до 16 человек. На просторной палубе можно разместить удобные кресла и стол. А лёгкий тент сможет защитить пассажиров от дождя. Одним словом, отличное решение для организации отдыха на воде.

Подобные лодки представляют собой плоскую, слегка приподнятую палубу, которая крепится на двух алюминиевых поплавках – понтонах. Встречаются модели, понтоны в которых выполнены из прочного пластика.

Кажется, в этой нехитрой конструкции учтены все недостатки самых распространенных моделей. Например, эти лодки весьма устойчивы и маневренны. Также благодаря тому, что палуба расположена над поплавками, во время водной прогулки пассажирам не будут докучать брызги. Еще одним приятным дополнением к репутации подобных плавсредств является их относительно невысокая цена.

К сожалению, универсальных решений не существует. Каждая из описанных лодок имеет длинный список преимуществ и несколько досадных недостатков. Потому, прежде чем сделать выбор в пользу какой-либо модели, нужно определиться, для каких целей нужна лодка, и в каких условиях она будет использоваться.

Инженерные лаборатории всего мира постоянно работают над совершенствованием конструкции днищ лодок. Результаты их работы позволяют подобрать оптимальное судно под конкретные потребности. Правильный выбор гарантирует огромное удовольствие и несомненную пользу от эксплуатации лодки.

Остойчивость судна

Попав в особо неблагоприятные условия и потерпев аварию, судно может потерять плавучесть и утонуть. Но существует опасность другого рода: оно может опрокинуться, причем такая авария может произойти и с судном, полностью сохранившим плавучесть и вообще вполне исправным. Во избежание этого судно, кроме плавучести, должно обладать в достаточной степени еще одним важным качеством — остойчивостью.

Что такое остойчивость и от чего она зависит?
Остойчивость наряду с другими качествами судна зависит от свойств воды и прежде всего от способности воды оказывать давление на погруженный в нее предмет.

Если мысленно разрезать лодку вдоль на две равные половины — правую и левую, то каждая из них будет обладать плавучестью. Представим себе, что человек, сидящий в лодке, оказался в одной из таких половин. Она погружается глубже, а вторая половина, напротив, всплывает. В таком положении обе половины и будут плавать.

Теперь соединим их и посмотрим, что будет, если пассажир снова поместится в одну из половин лодки, например в правую. Теперь, как и раньше, правая загруженная половина лодки начнет опускаться, увеличивая свою плавучесть, а левая, напротив, подниматься. Однако теперь обе части связаны между собой, и такое их движение неизбежно должно вызвать наклон лодки на некоторый угол. Так и происходит: лодка наклонится, одна из ее половин (нагруженная) достигнет большей глубины, другая (незагруженная) поднимется выше. Равновесие восстановится, и лодка будет плавать, наклонившись на один бок под определенным углом. Этот угол называют углом крена. Если человек снова сядет посредине лодки, начнется обратное движение, крен исчезнет, а лодка сама вернется в прямое положение. Эта способность судна возвращаться в первоначальное прямое положение и называется остойчивостью.

Остойчивость тесно связана с плавучестью, но ни плавучесть, ни остойчивость не могут быть беспредельными. Когда лодка наклонится на столь большой угол крена, что один из ее бортов полностью уйдет в воду, плавучесть этой половины лодки будет исчерпана полностью и лодка опрокинется.

Если плавучесть двух судов, корпуса которых имеют одинаковый объем, одинакова, остойчивость этих судов может быть различна. В первую очередь она зависит от ширины судна. Сравним две лодки, например, «искру» и «росинку». Объем их корпусов почти равен, следовательно, одинакова и плавучесть, они могут нести примерно одинаковый груз. Не так с остойчивостью. Представим себе, что обе лодки накренились на один угол. При этом у широкой «искры» погрузится глубоко борт, соседняя с ним часть днища дойдет до области высокого давления, и сила плавучести этой половины значительно возрастет. А у узенькой «росинки» при том же угле крена погружение будет совсем небольшим. Следовательно, совсем немного возрастет и сила плавучести опустившейся половины, которая, чтобы получить достаточно большую силу плавучести, способную противостоять силе, вызвавшей крен, будет опускаться все глубже, увеличивая угол крена до опасного предела.

Но не только ширина судна влияет на его остойчивость. Человек или любой другой груз, переместившись ближе к борту, вызвал крен лодки. Этот крен станет больше, если груз будет придвинут к самому борту.

Таким образом, кренящее действие груза увеличивается по мере перемещения его от середины к борту. Еще больше будет крен, если груз сместить дальше, например, при помощи шеста вынести за линию борта. Если шест будет достаточно длинным, то и небольшой груз опрокинет лодку, даже широкую.

Теперь познакомимся со вторым условием, влияющим на остойчивость.

Человек, сидящий точно в середине лодки, своим весом крена не вызывает. Вот он поднялся, допустим, на самую верхушку мачты и находится точно над серединой лодки, и она, конечно, не кренится.

Но при самом небольшом крене (который может появиться от разных причин: порыва ветра, волны и т. д.) вершина мачты, а вместе с ней и человек сразу переместятся в сторону. Если мачта будет достаточно высокая, то при небольшом угле крена человек на вершине мачты пересечет линию борта, подобно грузу, вынесенному за линию его на шесте. И чем лодка будет больше крениться, тем дальше отнесет человека за линию борта. Лодка в этом случае должна обладать очень большой остойчивостью, чтобы не опрокинуться. Поэтому на небольших парусных судах забираться на мачту запрещено.

Совсем другой результат будет, если груз укреплен не на верхушке мачты, а, наоборот, ниже судна. Такой груз будет перемещаться уже не в сторону крена, а в противоположную, способствуя не увеличению его, а уменьшению.

Чем ниже подвешен груз, тем больше его перемещение при крене и тем сильнее его полезное действие. Это свойство используют на глубоких водоемах. Морские яхты снабжаются большим металлическим грузом, подвешенным глубоко под днищем судна. Остойчивость таких яхт настолько велика, что они практически вообще не могут опрокинуться.

Следовательно, остойчивость зависит не только от формы (проще говоря, от ширины) лодки, но и от размещения грузов, в том числе и пассажиров: чем ниже они расположены, тем судно остойчивей.

И наконец, нужно, чтобы судно имело достаточный запас плавучести — это необходимо не только для плавучести и непотопляемости, но и для его остойчивости. В самом деле, какую остойчивость будет иметь лодка, погруженная в воду чуть ли не целиком? Ведь достаточно небольшого крена, и весь ее борт будет под водой.