СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУДНО.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы:

• движущие;

• внешние;

• реактивные.

К движущим силам относятся силы, создаваемые средствами управления: тяга винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, давления течения.

К реактивным силам относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные — обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению. Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и воздуха и являются гидродинамическими и аэродинамическими силами.

ТЯГА ВИНТА И СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ СУДНА.

Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой

N_n = RV,

где R — сила сопротивления; V — скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70—80 % от тяги винта в режиме полного хода.

КАЧКА.

Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.

Колебания называются свободными(на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными, если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).

Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 179):

амплитудой θ — наибольшим отклонением от положения равновесия;

размахом— суммой двух последовательных амплитуд;

периодомТ— временем совершения двух полных размахов;

ускорением.

Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.

Рис. 179. .Параметры качки: θ₁ и θ₂ амплитуды; θ₁+ θ₂ размах.

Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой — вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.

Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В — ширина судна, м; h — поперечная метацентрическая высота, м; с — коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 — 0,81.

Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.

При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.

Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.

Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.

Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.

Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.

К пассивным успокоителям относят скуловые кили, представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 — 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 180). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 — 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.

Рис. 180. Схема действия скуловых (боковых) килей.

Пассивные цистерны — это цистерны, устанавливаемые по бортам судна и соединенные между собой внизу переливными трубами, вверху — воздушным каналом с разобщительным клапаном, регулирующим переливание воды с борта на борт. Можно так отрегулировать сечение воздушного канала, что жидкость при качке будет переливаться с борта на борт с запаздыванием и тем самым создавать кренящий момент, противодействующий наклонению.

Рис. 181. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости при качке судна в резонанс с волной.

Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.

В активных цистернах (рис. 182) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.

Рис. 182. Активные успокоительные цистерны.

В настоящее время на пассажирских и научно-исследовательских судах чаще всего применяют активные боковые рули (рис. 183), представляющие собой рули обычного типа, устанавливаемые в наиболее широкой части судна несколько выше скулы почти в горизонтальной плоскости. С помощью электрогидравлических машин, управляемых по сигналам от датчиков, реагирующих на направление и скорость наклонения судна, можно менять их угол атаки. Так, при наклонении судна на правый борт на рулях устанавливают угол атаки таким, чтобы возникающие при этом подъемные силы создавали моменты, обратные наклонению. Эффективность рулей на ходу достаточно высока. При отсутствии качки рули убирают в специальные ниши в корпусе, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. К недостаткам рулей можно отнести их малую эффективность при малых ходах (ниже 10 — 15 уз) и сложность системы автоматического управления ими.

Рис. 183. Боковые рули и их конструкция.

Рис. 184. Заливание палубы судна во время шторма.