Остойчивость

Министерство образования  и науки Украины

Первый Украинский морской  институт

 

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине: «Безопасность  мореплавания»

На тему: «Остойчивость»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Остойчивость 

   Остойчивость  - способность плавучего средства противостоять внешним силам, вызывающим его крен или дифферент и возвращаться в состояние равновесия по окончании возмущающего воздействия.

   Равновесием считается положение с допустимыми величинами углов крена и дифферента (в частном случае, близкими к нулю). Отклоненное от него плавсредство стремится вернуться к равновесию. То есть остойчивость проявляется только тогда, когда имеется выведение из равновесия.

   Виды остойчивости

• В зависимости от плоскости наклонения различают поперечную остойчивость при крене и продольную остойчивость при дифференте. Применительно к надводным кораблям (судам), из-за удлинённости формы корпуса судна его продольная остойчивость значительно выше поперечной, поэтому для безопасности плавания наиболее важно обеспечить надлежащую поперечную остойчивость.
• В зависимости от величины наклонения различают остойчивость на малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения.
• В зависимости от характера действующих сил различают статическую и динамическую остойчивость.

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.

 

 

 

 

 

 

 

Начальная поперечная остойчивость                         

  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. Равнообъемным наклонениям соответствуют равнообъемные ватерлинии, отсекающие равные по величине погруженные объемы корпуса. Линия пересечения плоскостей ватерлиний называется осью наклонения, которая при равнообъемных наклонениях проходит через центр тяжести площади ватерлинии. При поперечных наклонениях она лежит в диаметральной плоскости.

   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 γV, приложенная в центре величины, направлена по нормали к траектории его перемещения.

Метацентр

   При малых  наклонениях в поперечной плоскости  линии действия сил плавучести  пересекаются в одной точке m, которая называется метацентром (в данном случае — поперечным метацентром). Поперечный метацентр можно еще определить как центр кривизны кривой, по которой перемещается центр величины при наклонениях в поперечной плоскости. В общем случае наклонения (на большой угол и в любой плоскости) центр величины описывает некоторую сложную кривую, и метацентр занимает различные положения. При малых углах наклонения в поперечной плоскости можно считать, что центр величины перемещается по дуге окружности, а поперечный метацентр занимает постоянное место в диаметральной плоскости.

   Радиус кривизны  траектории, по которой перемещается центр величины при поперечных наклонениях называется поперечным метацентрическим радиусом r. Другими словами — это расстояние между поперечным метацентром и центром величины r = mC.

 

 

 

Характеристика  остойчивости

   В результате смещения ЦВ при наклонении линии действия силы веса и силы плавучести смещаются и образуют пару сил. Если плечо пары положительно, возникающий момент m_в действует в сторону восстановления равновесия, то есть спрямляет. Тогда говорят, что судно остойчиво. Если ЦТ расположен выше метацентра, момент может быть нулевым или отрицательным, и способствовать опрокидыванию — в этом случае судно неостойчиво.

   Возвышение над основной плоскостью поперечного метацентра (z_m), центра величины (z_c), а также величина поперечного метацентрического радиуса r в значительной степени определяют остойчивость судна и зависят от величины его объемного водоизмещения, формы корпуса и посадки. Зависимость величины поперечного метацентрического радиуса от формы корпуса (величины площади ватерлинии и ее формы) и объёмного водоизмещения выглядит как:

, (1)

где I_x — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр её тяжести, м⁴; V — объёмное водоизмещение (погруженный объём), м³.

   Из рассмотрения трёх возможных вариантов воздействия сил Р и γV на при наклонениях можно сделать вывод, что для обеспечения остойчивого положения равновесия судна необходимо, чтобы метацентр находился выше центра тяжести. Поэтому возвышение поперечного метацентра над центром тяжести выделяется в особую величину и называется поперечной метацентрической высотой h. Величина h может быть выражена как:

, (2)

где z_m и z_g высоты метацентра и центра тяжести над основной плоскостью, соответственно.

   Величина восстанавливающего момента зависит от веса судна и плеча поперечной остойчивости. Из треугольника GmZ плечо остойчивости может быть выражено через поперечную метацентрическую высоту GZ = m_G sinθ = h sinθ. Тогда восстанавливающий момент будет определяться по формуле:

, (3)

которая называется метацентрической формулой поперечной остойчивости. При малых углах крена, когда можно считать, что sinθ = θ в радианах, восстанавливающий момент определяется по линейной метацентрической формуле: m_θ = Ph θ.

   Таким образом,  величина восстанавливающего момента,  определяющего сопротивление судна  отклонениям, определяется, в свою  очередь, величиной поперечной  метацентрической высоты.

Остойчивость  формы и остойчивость веса

   Подставляя в метацентрическую формулу поперечной остойчивости h = r − а, и заменяя r его значением по формуле (1), а также Р = γV получаем:

m_θ = P(r − a) sinθ = Pr sinθ − Pa sinθ

и окончательно

, (4)

   Первый член в выражении (4) в основном определяется величиной и формой площади ватерлинии и называется поэтому моментом остойчивости формы: m_ф = γ I_x sin θ. Момент остойчивости формы всегда является положительной величиной и стремится вернуть наклоненное судно в исходное положение.

   Второй член в формуле (4) зависит от веса P и возвышения центра тяжести над центром величины a и называется моментом остойчивости веса m_в = − Pa sin θ. Момент остойчивости веса в случае высокого расположения центра тяжести (z_g > z_с) является величиной отрицательной, и действует в сторону наклонения.

   Физическая сущность момента остойчивости формы и момента остойчивости веса раскрывается при помощи чертежа, на котором показана система сил, действующих на наклоненное судно. С накрененного борта в воду входит дополнительный объем v₁, придающий дополнительную «выталкивающую» силу плавучести. С противоположного борта из воды выходит объем v₂, стремящийся погрузить этот борт. Оба они работают на спрямление.

Погруженный объем V₁, отвечающий посадке по ватерлинию B₁Л₁, представляется в виде алгебраической суммы трех объемов

V_l = V + v₁ − v₂,

где: V — погруженный объем при исходной посадке по ватерлинию ВЛ;

v₁ — вошедший в воду, а v₂ — вышедший из воды клиновидные объёмы;

   В соответствии с этим и силу плавучести γV₁ можно заменить тремя составляющими силами γV, γv₁, γv₂, приложенными в центрах величины объемов V, v₁, v₂. Вследствие равнообъёмности наклонений эти три силы совместно с силой тяжести Р образуют две пары Р − γV и γv₁ − γv₂, которые эквивалентны паре Р − γV₁ . Восстанавливающий момент равен сумме моментов этих двух пар

m_θ = m (γv₁, γv₂) + m (γV, P).

   Момент сил плавучести клиновидных объемов v₁ и v₂ является моментом остойчивости формы. Чем шире корпус в районе ватерлинии, тем больше клиновидные объемы и их плечи при наклонениях в поперечной плоскости, тем больше момент остойчивости формы. Величина момента остойчивости формы определяется в основном моментом инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x. А момент инерции I_x пропорционален квадрату ширины площади ватерлинии.

   Момент пары сил Р и γV является моментом остойчивости веса. Он обусловлен несовпадением точек приложения сил тяжести и плавучести (G и С) в исходном положении равновесия, вследствие чего при наклонениях линии действия этих сил расходятся, и силы Р и γV образуют пару.

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 m_θ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.

   В связи с этим  за меру начальной остойчивости  принимается не сам восстанавливающий  момент, а его первая производная  по углу наклонения. Эта производная  характеризует интенсивность нарастания  восстанавливающего момента при  наклонениях и называется коэффициентом остойчивости. При наклонениях в поперечной плоскости коэффициент поперечной остойчивости равен первой производной от восстанавливающего момента

, и при крене равном  нулю K_θ = Ph.

   Коэффициент остойчивости  дает абсолютную оценку остойчивости, то есть непосредственно показывает  то сопротивление, которое оказывает  судно отклоняющим его от положения  равновесия силам. Зависимость  коэффициента остойчивости от  веса судна ограничивает его  использование, поскольку чем больше водоизмещение, тем больше коэффициент остойчивости. Для оценки степени совершенства судна с точки зрения его начальной остойчивости используется относительная мера остойчивости — метацентрическая высота, которую можно рассматривать как коэффициент остойчивости, приходящийся на тонну водоизмещения:

   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.

Начальная продольная остойчивость

   Продольная остойчивость определяется теми же зависимостями, что и поперечная.

   Под воздействием внешнего дифферентующего момента M_диф судно, плавающее в положении равновесия на ровный киль (ватерлиния ВЛ), наклоняется в продольной плоскости на угол Ψ, (ватерлиния B₁Л₁). Перемещение центра величины вследствие изменения формы погруженного объема обеспечивает появление продольного восстанавливающего момента

M_ψ = P·GK,

где GK — плечо продольной остойчивости. Точка М является продольным метацентром, возвышение продольного метацентра над центром тяжести — продольной метацентрической высотой Н, а расстояние между продольным метацентром и центром величины — продольным метацентрическим радиусом R.

   Продольный восстанавливающий момент при малых углах дифферента определяется по формулам: M_ψ = PH·sin ψ, M_ψ = РН·ψ, которые называются метацентрическими формулами продольной остойчивости. Эти зависимости для продольного восстанавливающего момента справедливы при углах дифферента до 0,5÷1,0°, поэтому продольная остойчивость рассматривается как начальная только в этих пределах.

   Продольный метацентрический радиус определяется по формуле:

, (5)

где: I_yf — момент инерции площади действующей ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через ее центр тяжести F, м⁴, а метацентрическая формула продольной остойчивости в развернутом виде получается так же, как формула (4),

М_ψ = γ I_yf·sin ψ − Pa sin·ψ , (6)

   Таким образом, продольный момент остойчивости формы М_ψ = γ I_yf· sin ψ, а момент остойчивости веса М_в = − Pa· sin ψ.

   Сравнивая моменты остойчивости формы и веса при поперечных и продольных наклонениях по формулам (4) и (6), видим, что остойчивость веса в обоих случаях одинакова (при условии θ = ψ), но остойчивость формы сильно отличается.            

   Продольный момент остойчивости формы значительно больше поперечного, поскольку I_yf примерно на два порядка больше I_x. Действительно, момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси I_x пропорционален квадрату ширины этой площади, а момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси I_yf — квадрату длины той же площади.

   Если величина поперечной метацентрической высоты составляет десятые доли метра, то продольная метацентрическая высота лежит в пределах H = (0,8 ÷ 1,5) L, где L — длина по ватерлинии, м.

   Доля моментов остойчивости формы и веса в обеспечении поперечной и продольной остойчивости неодинакова. При поперечных наклонениях, момент остойчивости веса составляет значительную долю от момента остойчивости формы. Поэтому поперечный восстанавливающий момент составляет ≈ 30 % от момента остойчивости формы. При продольных наклонениях момент остойчивости веса составляет всего лишь 0,5÷1,0 % от момента остойчивости формы, то есть продольный восстанавливающий момент практически равен моменту остойчивости формы.