Выбрать курс
6  /  29

Русский Морской Корпус - яхтенная школа и морской клуб.

ТЕОРИЯ СУДНА

Плавучесть

Плавучесть представляет собой способность судна находиться на поверхности воды в определенном положении, неся на борту заданное количество грузов. Находящаяся на поверхности воды перевернутая шлюпка плавучестью не обладает. Та же шлюпка, перевернутая обратно килем вниз, при откачке из нее воды плавучестью обладает.

На судно действует известная из школьного курса физики сила Архимеда. Она обусловлена действием на корпус

гидростатического давления воды. На судно или любой предмет, погруженный в воду, также действует сила Архимеда. Ее еще называют силой плавучести, поскольку она направлена вверх, как показано на рисунке.

Давление воды на нижнюю часть погруженного тела превышает давление воды на его верхнюю часть. То же самое происходит и в воздухе и любом другом газе, только эта сила настолько мала, что практически никогда в расчет не берется.

Наличие погруженного объема ниже ватерлинии обеспечивает судну плавучесть. При приеме дополнительного груза погруженный объем будет увеличиваться до тех пор, пока сила плавучести не станет равной сумме веса судна и веса дополнительного груза. Дополнительный груз можно принимать до тех пор, пока корпус полностью не погрузится. Тот водонепроницаемый объем, который находится выше расчетной

ватерлинии, называется запасом плавучести. На рисунке показан запас плавучести исправной шлюпки и запас плавучести той же шлюпки при наличии незначительных повреждений.

001.JPG

При нахождении судна на воде без хода сила тяжести судна уравновешена силой плавучести. Сила плавучести приложена в геометрическом центре вытесненного объема воды. Имеет место равновесие, а значит центр масс судна находится на одной вертикали с точкой приложения силы плавучести как показано на рисунке выше.

Точка приложения силы плавучести называется центром величины.

Остойчивость (stability) - одно из основных свойств судна - способность судна, выведенного из положения равновесия внешним воздействием, возвращаться в него после прекращения этого воздействия. Большинство кораблекрушений и аварий маломерных судов происходит именно из-за потери остойчивости. Словосочетание «внешнее воздействие» предполагает любое влияние, приводящее к изменению осадки, крена и дифферента судна: ветер, волны, прием и расходование грузов, вертикальное или горизонтальное перемещение грузов, переход экипажа и пассажиров с одного борта на другой и т.д.

На рисунке показано поперечное сечение судна в положении равновесия. Сила тяжести G приложена в центре тяжести m, она уравновешивается силой плавучести А, приложенной в центре величины С. Судно находится в равновесии, так как действующие на него силы равны по величине, противоположны по направлению и расположены на одной вертикали.

002.JPG

Рассмотрим ситуацию при которой судно выведено из состояния равновесия внешней силой. Появится крен и изменится форма подводной части корпуса, но не ее объем.

На рисунке пунктирной линией показана ватерлиния судна без крена. Видно, что убавился некоторый погруженный объем слева и добавился справа. Это повлечет смещение центра величины вправо. Силы тяжести и плавучести не на одной вертикали, они образуют момент, стремящийся вернуть судно в положение на ровный киль. Этот момент называется восстанавливающим. Его определение требует трудоемких вычислений, а иногда и замеров, поэтому далее будут приведены только основные закономерности, которые характеризуют зависимость этого момента от углов крена, дифферента и осадки судна.

При незначительных углах крена можно пренебречь развалом бортов и считать корпус прямостенным. В этом случае центр величины будет перемещаться по дуге круга, на угол, равный углу крена. Радиус этой дуги называется метацентрическим радиусом. Центр содержащей эту дугу окружности называется метацентром, он обозначен буквой М. Возвышение метацентра над центром тяжести называется метацентрической высотой, она обозначена буквой h.

У обычного исправного нормально загруженного судна поперечная метацентрическая высота лежит в пределах от примерно 0,3 до 1,1 м, а продольная примерно равняется длине корпуса.

Остойчивость зависит от конструктивных особенностей судна (объективный фактор, на него вы не можете влиять), а также от загрузки и наличия свободных поверхностей жидкостей (в цистернах, танках, льялах и т.п.). Как правило, у прогулочных судов остойчивость избыточна и волноваться не стоит, если только судно не имеет конструктивных повреждений.

При наличии жидкого груза остойчивость уменьшается. При крене жидкость в цистерне перетекает в сторону входящего в воду борта, общий центр масс смещается в ту же сторону и уменьшается плечо восстанавливающего момента.

Восстанавливающий момент заметно слабеет при значительном крене, когда в воду погружается палуба. Если в такой ситуации не предпринять срочных мер, существует опасность опрокидывания судна.

003.JPG

Центр масс парусной яхты располагается как можно ниже, гораздо ниже центра величины. Это необходимо для исключения опрокидывания при максимальной площади парусов.

Аварийные суда могут потерять остойчивость до потери плавучести, так чаще всего и бывает при гибели судов. Мореходность (seaworthiness) - совокупность качеств, определяющих способность плавать и использовать механизмы и оборудование до определённых условий моря: высоты волны и силы ветра. В более широком смысле мореходность зависит также от запасов, укомплектованности судна квалифицированным экипажем и т.п.

Непотопляемость

Непотопляемость - способность судна сохранять мореходные качества при затоплении части водонепроницаемого объема корпуса. Непотопляемость это также способность судна сохранять плавучесть и необходимую остойчивость при затоплении одного или нескольких отсеков вследствии повреждения корпуса.

При затоплении отсеков расходуется запас плавучести, который и обеспечивает непотопляемость. Для эффективного использования запаса плавучести корпус подразделяется на непроницаемые отсеки как схематично показано на рисунке.

Эти отсеки могут затапливаться через пробоину и сообщаться с забортной водой или затапливаться через поврежденные системы и не сообщаться с забортной водой. У аварийного судна увеличивается осадка, крен и дифферент. Для судов с механическим двигателем считается, что минимальный крен судна, для устранения которого необходимо принимать меры, составляет 5°. Угол крена, равный 12° называется углом паники - неопытные моряки и пассажиры начинают волноваться и могут впасть в панику. Эти цифры весьма условны.

004.JPG

Наличие одного или нескольких затопленных отсеков можно приравнять к наличию на борту жидкого груза. Количество «груза» весьма велико и поэтому плавучесть и в большей степени остойчивость снижаются весьма существенно. При повреждениях следует немедленно принимать меры по борьбе за живучесть и следовать в ближайшее безопасное место. Суда проектируются таким образом, чтобы при получении повреждений они были способны дойти до ближайшего укрытия, а не продолжать рейс.

Корпус шлюпок и небольших яхт вообще не делится на отсеки, а значит, при попадании воды ее следует откачивать в любом случае. Заделка пробоин часто проще, чем у крупного судна: достаточно на пробоину просто наступить. Различные водоотливные средства крупного судна требуют обслуживания и подачи энергии, а при аварии ее может и не быть. В шлюпке работает «башмак в руках перепуганного пассажира» и в подаче электроэнергии не нуждается.

Иногда маломерные суда оснащаются камерами плавучести: заполненными воздухом или пенопластом герметичными емкостями. При полном затоплении оставшегося объема корпуса эти плавсредства остаются на поверхности воды. Эти камеры могут быть ненадежными по прошествии одного-двух лет интенсивного использования, поскольку многие стеклопластики «пьют воду».

Некоторые вопросы гидромеханики

Все, что движется в воде и по ее поверхности, преодолевает сопротивление воды движению, на что тратится энергия. Эта энергия передается воде и обуславливает наличие вихревого кильватерного следа. Сопротивление воды движению судна примерно пропорционально второй степени скорости. На современном уровне развития гидромеханики это сопротивление представляют как сумму составляющих, природа которых несколько различна. Первоначально сопротивление делится на сопротивление трения о воду и остаточное сопротивление, которое, в свою очередь, делится на свои составляющие. Одна из них имеет место во всех случаях: это сопротивление, обусловленное влиянием формы тела и называемое сопротивлением формы. При движении по поверхности воды или вблизи от нее дополнительно появляется волновое сопротивление, т.к. на создание волн затрачивается дополнительная энергия. Также сопротивление несколько возрастает при движении вблизи дна.

Сопротивление трения зависит от скорости хода и площади соприкасающейся с водой поверхности, вариантов его уменьшения не просматривается.

Форма тела, от которой зависти сопротивление формы, бывает хорошообтекаемой и плохообтекаемой. При близких размерах сопротивление плохообтекаемых тел в несколько раз превышает сопротивление тел хорошообтекаемых.

Корпуса яхт хорошообтекаемы или близки к этому. Сопротивление движению также зависит от площади сечения,  перпендикулярной направлению движения. Чем она меньше, тем меньше сопротивление. Все знают, что в воде гораздо легче горизонтально плыть, чем идти в рост.

005.JPG

Вода является непрерывной средой и там выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии. При сужении русла реки скорость течения возрастает, что обеспечивает постоянство расхода воды при уменьшении площади поперечного сечения потока. Рассмотрим случай движения судна вдоль вертикальной стенки. Около борта, обращенного к ней, скорость обтекания несколько выше, чем около противоположного борта, как показано на рисунке.

Согласно закону сохранения энергии увеличение скорости должно приводить к снижению давления, что и происходит. В итоге давление на удаленный от стенки борт несколько превышает давление, действующее на борт, обращенный к стенке. Результирующее усилие стремится навалить судно на стенку и оно отклоняется от прямого курса при непереложенном руле. Подобное явление имеет место при движении двух судов параллельными курсами, что может привести к столкновению. При уменьшении расстояния между корпусами сближающее их усилие возрастает, что осложняет ситуацию. Для того, чтобы избежать этого, следует держать суда на расстоянии, примерно впятеро превышающем ширину большего из них. По этой же причине при движении на мелководье увеличивается осадка. Если это увеличение может привести к посадке на мель, то скорость движения необходимо снижать.

Морское волнение процесс случайный, все волны разные и направления их движения несколько отличаются. Для оценки интенсивности волнения рассматривают средние значения их высот и преимущественное направление движения волн. Для приближенных оценок профиль морской ветровой волны считают либо синусоидальным с отношением высоты к длине примерно равном 1/20. Для более крутых волн, которые образуются при сильных ветрах, используются несколько более сложные математические зависимости.

Доказано, что угол при вершине волны не превышает 120 градусов, иначе гребень волны разрушается с образованием «барашка». При этом перенос воды волнами практически отсутствует, переносится только энергия. Если до прихода волны частицы жидкости пребывали в покое, то при ее прохождении они станут совершать движения по траекториям, близким к окружностям, т.е. вода получит определенную энергию. Радиусы этих окружностей максимальны на поверхности и быстро убывают при росте глубины.

007.JPG

При уменьшении глубины траектории частиц воды приближаются к эллипсам, вытянутым в направлении бега волн. При глубинах, близких к высоте волны, она превращается в одиночную волну. Такие глубины называются предельно малыми. Та энергия, которая перемешалась волной на большой глубине, собирается на участке от дна до поверхности. Одиночная волна по виду похожа уже не на волну, а на быстрый поток, который движется сначала в направлении бега волны, а затем с той же скоростью в противоположном направлении.

Такая волна способна сносить препятствия на своем пути. Этим и объясняется опасность морского прибоя и цунами. Цунами представляют собой именно одиночные волны. В этом случае для образования волны используется огромная энергия и глубины до примерно 30 - 70 метров уже достаточны для образования такой волны.

Морское волнение является нерегулярным, т.е. все волны различны. Случается, что одна волна догоняет другую именно в тот момент, когда ударяет в борт судна. Так и получается «девятый вал» - волна, которая выше и опаснее большинства других.

Часто причиной неприятностей является наличие двух систем волн, движущихся в примерно перпендикулярных направлениях. Нечто отдаленно похожее можно наблюдать при отражении волн от вертикальной стенки при их косом набегании. В этом случае не избежать встречи с волной, высота которой примерно вдвое больше обычной при примерно одинаковых длинах. Такая крутая волна иногда и приводит к потере палубного груза и даже авариям.

Все отмеченное выше позволяет считать волны источником неприятностей, а иногда даже опасности. Это не всегда так. Видимое отличие волн в каком-либо месте от волн на всей остальной акватории позволяет «увидеть» подводный камень или мель даже судоводителям с небольшим опытом.

Ходкость

Ходкость представляет собой способность судна развивать с помощью движителя заданную скорость. Для достижения требуемой скорости необходимо при проектировании судна придать ему оптимальную форму корпуса и определить параметры движителей, которые обеспечивают их наиболее эффективную работу. Эффективность работы движительного комплекса зависит еще и от посадки, т.е. от загрузки судна.

Известно, что сопротивление движению пропорционально второй степени скорости. Значит, для увеличения скорости хода вдвое требуется увеличить тягу вчетверо, а затрачиваемую энергию - в восемь раз. Поэтому на переходе достижимо только незначительное увеличение скорости. Единственным мероприятием эти для этого является размещение груза по длине таким образом, чтобы получить максимальную скорость. Если на водоизмещающих судах возможно достижение незначительного эффекта, то на глиссирующих лодках и катерах он может быть весьма значительным. Точнее, потери скорости глиссера от неправильного размещения груза могут быть весьма большими. Их следует избегать путем оптимального размещения груза. Для большинства глиссеров оптимальное положение центра масс катера с грузом отстоит от кормы примерно на треть длины.

Некоторое снижение времени перехода может быть достигнуто выбором оптимального курса по отношению к направлению бега волн и направлению ветра. Уменьшение качки приводит к некоторому росту скорости. У водоизмещающих судов эти мероприятия приводят к незначительному эффекту, а у глиссеров он может быть достаточно большим.

При ходе на мелководье сопротивление движению увеличивается. Это увеличение становится заметным при глубине, примерно равной 3 - 4 осадкам и менее. У глиссирующих катеров на мелководье сопротивление движению несколько снижается.

Следующим вопросом, который здесь необходимо рассмотреть, является организация и проведение буксировки маломерных судов. Практически всегда буксировать придется в кильватер, т.е. буксируемое судно будет за кормой буксирующего судна. По возможности водоизмещение буксирующего судна должно превышать водоизмещение судна буксируемого. На буксируемом судне по возможности не должно быть пассажиров, а нахождение на нем детей недопустимо. Прочность буксирного троса и усилия, которые выдерживают рымы и кнехты, должны в 8 - 10 или более раз превышать сопротивление движению буксируемого буксирного троса должна выбираться таким образом, чтобы буксируемое судно располагалось на передней стороне волны как показано на рисунке. Такая длина буксирного троса подбирается для снижения сопротивления движению.

008.JPG

При буксировке натяжение буксирного троса будет сильно изменяться из-за колебаний судов, вызванных волнением и множеством других причин. Поэтому за тросом должно вестись постоянное наблюдение. Пассажиры и экипаж не должны находиться на палубе вблизи троса. При подходе к берегу скорость следует снижать постепенно, так чтобы при движении по инерции буксируемое судно не смогло догнать буксирующее.

Расход топлива при буксировке всегда превышает расход, равный сумме расходов на движение обоих судов. Дело в том, что гребной винт буксирующего судна работает в нерасчетном режиме, что снижает его эффективность.

Качка

Качкой судна называется колебательное движение, совершаемое судном при плавании на тихой воде или на волнении. Качка на тихой воде возникает при приложении к судну некоторой силы, качка на волнении обусловлена действием волн. Качка бывает нескольких видов, которые делятся на основные и дополнительные. Основные виды качки - колебания судна, во время которых при отклонении от равновесного положения возникают силы, стремящиеся в равновесное положение вернуть. Это бортовая качка - вращательное колебательное движение в поперечной плоскости, килевая качка - вращательное колебательное движение в продольной плоскости и вертикальная - поступательное колебательное движение вдоль вертикальной оси. Дополнительные виды качки представляют собой колебательные движения судна около безразличного положения и происходят при периодическом внешнем воздействии. Это рысканье - вращение вокруг вертикальной оси, продольно-горизонтальная качка - поступательное движение вдоль продольной оси и поперечно-горизонтальная качка - поступательное движение вдоль поперечной оси.

Любая качка затрудняет использование судна, поэтому при проектировании и использовании судов проводятся мероприятия с целью ее уменьшения. Одним из этих мероприятий является изменение курса. При угле курса около 30° к направлению бега волн качка будет близкой к наименьшей. Про отрицательное влияние качки при буксировке отмечено в предыдущем разделе, а здесь следует отметить опасность прыжков с одного качающегося судна на другое, особенно с судна в шлюпку. По возможности их надо избегать, пользоваться трапами и канатами.

Существует способ уменьшить несколько вызванные качкой неприятности - почаще и подольше находиться вблизи центра тяжести судна, там перемещения и ускорения будут наименьшими.

Прочность

Прочность - способность судна воспринимать действующие на него силы без разрушения. Общей прочностью называется способность судна противостоять нагрузкам, действующим на весь корпус. Утрата общей прочности приводит к повреждению корпуса и, как правило, к гибели судна. Местной прочностью называется способность отдельных элементов конструкции корпуса воспринимать нагрузки, обусловленные наличием агрегатов и грузов.

Для обеспечения общей при расчетах рассматриваются изгиб и кручение корпуса от волнения, при спуске на воду и постановке в док и т.п. При расчетах местной прочности рассматриваются вес агрегатов и их действие на фундаменты при качке, действие груза на настилы и т.п.

Как правило, современные маломерные суда имеют общую прочность, в несколько раз превышающую ту, которая способна выдерживать волновые нагрузки. Дело в том, что эти маломерные суда должны перевозиться на трейлерах и перегружаться кранами. Для этого требуется высокая общая прочность корпусов.

При рассмотрении прочности тросов канатов или цепей оценивается их предельная разрывная нагрузка при наличии огонов, дефектов, узлов и т.п.

Управляемость - способность судна двигаться по заданному судоводителем курсу.