Общие понятия об остойчивости

Остойчивость – способность судна образовывать восстанавливающий момент при наклонениях из положения равновесия, а после устранения момента, вызвавшего наклонение, возвращаться в исходное положение равновесия.

Понятие остойчивость отличается от понятия устойчивость, применяющегося в теоретической механике; отличия заключаются в следующем.

Устойчивость рассматривается только для бесконечно малых перемещений, а понятие остойчивость используется и для больших перемещений, т.е. более широко.

Остойчивость имеет меру, а устойчивость характеризует только качественное состояние.

Устойчивость может быть безразличной, если тело после отклонения остается в новом положении; безразличной остойчивости нет, т.к. остойчивое судно возвращается в исходное положение равновесия после устранения момента вызвавшего наклонение.

В разделе остойчивость рассматриваются наклонения судна под действием пары сил действующих в вертикальной плоскости. Такая пара сил, при наличии плеча между ними, образует момент сил.

При действии момента судно поворачивается вокруг горизонтальной оси, называемой осью наклонения. Осью наклонения является линия пересечения плоскостей двух ватерлиний, соответствующих исходному и наклоненному положениям судна.

Плоскость, перпендикулярная к оси наклонения, называется плоскостью наклонения. Наклонения в поперечной плоскости вокруг продольной оси (оси вдоль судна) характеризуют поперечную остойчивость судна, а наклонения в продольной плоскости вокруг поперечной оси – продольную остойчивость судна.

В процессе эксплуатации нередко встречаются случаи действия на судно наклоняющих его моментов. Например, горизонтальное перемещение груза на судне вызывает появление пары вертикальных сил равных весу груза: силы направленной вверх в месте снятия груза и силы направленной вниз в месте его размещения. Момент этой пары равен произведению силы веса груза на расстояние переноса, измеренное по горизонтали.

Другим примером может служить пара сил, образованная силой давления ветра на надводную часть судна и такой же силой, действующей на подводную часть дрейфующего судна. Плечом наклоняющего момента в этом случае будет вертикальное расстояние между векторами этих сил.

Если судно остойчиво (обладает положительной остойчивостью), то при любом допустимом его наклонении должен возникнуть момент восстанавливающий. Такой момент образуется двумя силами (рис. 1.1): силой тяжести судна (D_c), вектор которой проходит через центр тяжести (т. «G») и силой плавучести (r× g× V)*) вектор которой проходит через центр погруженного объема (т. С). Положение вектора силы плавучести при некотором угле наклонения (q) может быть однозначно задано положением точки пересечения диаметральной плоскости (ДП) и линии действия этого вектора, т.е. точкой «m».

Рис. 1.1. Случаи образования восстанавливающего момента:

а) судно остойчиво; б, в – судно неостойчиво

В представленных на рис. 1.1 случаях положение точки «m» принято неизменным; при этом даны три уровня положения точки «G» относительно точки «m».

В первом случае (рис. 1.1, а) момент восстанавливающий препятствует наклонению судна; он считается положительным (М_q > 0), а судно остойчивым. Во втором случае (рис. 1.1, б) векторы сил не образуют момент восстанавливающий, а судно считается неостойчивым. В третьем случае (рис. 1.1, в) момент образуемый силами способствует наклонению судна, т.е. возникает отрицательный момент (М_q < 0); при этом судно также считается неостойчивым.

При рассмотрении остойчивости определяется восстанавливающий момент как при поперечных, так и продольных наклонениях. Судно считается остойчивым если момент восстанавливающий при любом наклонении имеет положительное значение.

Восстанавливающий момент является мерой статической остойчивости.

При изучении остойчивости различают статическую остойчивость судна и динамическую. Если судно наклонять бесконечно медленно, т.е. медленно наращивать значение наклоняющего момента, то со стороны жидкой среды на корпус будут действовать только силы гидростатического давления и при любом значении угла поворота момент от наклоняющих сил будет равен восстанавливающему моменту. В этом случае остойчивость судна называется статической; при некотором угле наклонения она измеряется величиной момента восстанавливающего.

Если же наклоняющий момент приложить к судну мгновенно с конечным значением, то поворот будет происходить с угловым ускорением, а корпус будет обтекаться жидкостью с переменной скоростью и ускорением. В процессе наклонения, наряду с силами гидростатического давления жидкости на судно, при этом участвуют силы инерционной природы. Такой относительно усложненный процесс называется динамическим наклонением судна, а остойчивость в этом случае измеряется величиной работы восстанавливающего момента. Называется такая остойчивость динамической.

В основе как статической, так и динамической остойчивости судна лежит восстанавливающий момент. Различие между этими двумя категориями остойчивости такое же, как между крутящим моментом и его работой.

При решении задач по остойчивости используются два метода: метод начальной остойчивости и метод остойчивости на конечных углах наклонения.

Метод начальной остойчивости является приближенным методом и дает достаточную точность при малых углах наклонения судна от прямого положения. Метод содержит простые зависимости, которые позволяют легко находить решения многих практических задач остойчивости.

Метод остойчивости на конечных углах наклонения применяется, главным образом, при больших углах отклонения от начального положения (от нулевого угла наклонения), когда метод начальной остойчивости дает большую погрешность. С использованием метода остойчивости на конечных углах наклонения рассматриваются лишь поперечные наклонения. При продольных наклонениях, ввиду малых значений угла, расчеты выполняются методом начальной остойчивости.

Наклонения судна, при которых его водоизмещение не изменяется, называются равнообъемными, а ватерлинии, соответствующие различным положениям судна при таких наклонениях, называются также равнообъемными. К таким случаям можно отнести крен или дифферент от действия ветра, волн, от переноса груза на судне, от скопления пассажиров на одном борту и др.