Definice metacentra plavidla. Boční stabilita
U hladinových lodí (plavidel) je vzhledem k protažení tvaru lodního trupu jeho podélná stabilita mnohem vyšší než příčná, proto je pro bezpečnost plavby nejdůležitější zajistit správnou příčnou stabilitu.
- V závislosti na velikosti náklonu se rozlišuje stabilita při malých úhlech náklonu ( počáteční stabilita) a stabilitu při velkých úhlech náklonu.
- Podle povahy aktivní síly rozlišovat mezi statickou a dynamickou stabilitou.
Počáteční boční stabilita
U role je stabilita považována za počáteční v úhlech do 10-15°. V rámci těchto limitů je vratná síla úměrná úhlu náklonu a lze ji určit pomocí jednoduchých lineárních vztahů.
V tomto případě se předpokládá, že odchylky od rovnovážné polohy jsou způsobeny vnějšími silami, které nemění ani hmotnost plavidla, ani polohu jeho těžiště (CG). Potom se ponořený objem nemění co do velikosti, ale mění se tvar. Sklony o stejném objemu odpovídají vodorysám o stejném objemu, které oddělují stejně velké ponořené objemy trupu. Průsečík rovin vodorysek se nazývá osa sklonu, která při stejných objemových sklonech prochází těžištěm plochy vodorysky. Při příčných sklonech leží v diametrální rovině.
Volné plochy
Všechny výše diskutované případy předpokládají, že těžiště lodi je nehybné, to znamená, že se při naklánění nepohybují žádná břemena. Ale když jsou takové závaží přítomné, jejich vliv na stabilitu je mnohem větší než u ostatních.
Typickým případem jsou kapalné náklady (palivo, olej, balast a kotelní voda) v částečně naplněných nádržích, to znamená s volnými plochami. Taková břemena mohou při naklonění přetéct. Pokud kapalný náklad zcela naplní nádrž, je ekvivalentní pevnému pevnému nákladu.
Pokud kapalina nenaplní nádrž úplně, to znamená, že má volný povrch, který vždy zaujímá vodorovnou polohu, pak když je nádoba nakloněna pod úhlem θ kapalina přetéká ve směru sklonu. Volná plocha bude mít stejný úhel vzhledem k designové čáře.
Hladiny kapalného nákladu oddělují stejné objemy nádrží, to znamená, že jsou podobné vodním liniím stejného objemu. Proto moment způsobený transfuzí kapalného nákladu při náklonu δm θ, lze znázornit podobně jako moment tvarové stálosti m f, pouze δm θ naproti m f podle znamení:
δm θ = − γ x i x θ,kde i x- moment setrvačnosti oblasti volného povrchu kapalného nákladu vzhledem k podélné ose procházející těžištěm této oblasti, γ- měrná hmotnost kapalného nákladu
Poté vratný moment v přítomnosti kapalinového zatížení s volným povrchem:
m θ1 = m θ + δm θ = Phθ − γ x i x θ = P(h − γ x i x /γV)θ = Ph 1 θ,kde h- příčná metacentrická výška bez transfuze, h 1 = h − γ g i x /γV- skutečná příčná metacentrická výška.
Vliv přetékající zátěže koriguje příčnou metacentrickou výšku δ h = − γ x i x /γV
Hustoty vody a kapalného nákladu jsou relativně stabilní, to znamená, že hlavní vliv na korekci má tvar volného povrchu, respektive jeho moment setrvačnosti. To znamená, že boční stabilita je ovlivněna především šířkou a podélnou délkou volné plochy.
Fyzikální význam záporné hodnoty korekce je ten, že přítomnost volných ploch je vždy snižuje stabilita. Proto jsou přijímána organizační a konstruktivní opatření k jejich snížení:
- plné stlačení nádrží, aby se zabránilo volným plochám
- pokud to není možné, plnění pod hrdlo nebo naopak pouze dole. V tomto případě jakýkoli sklon prudce zmenšuje volnou plochu.
- kontrola počtu nádrží s volnými plochami
- rozbití nádrží vnitřními neprostupnými přepážkami za účelem snížení momentu setrvačnosti volné hladiny i x
Dynamická stabilita
Na rozdíl od statického uděluje dynamický účinek sil a momentů lodi významné úhlové rychlosti a zrychlení. Proto je jejich vliv uvažován v energiích, přesněji v podobě práce sil a momentů, nikoli v úsilí samotném. V tomto případě se používá věta o kinetické energii, podle které se přírůstek kinetické energie náklonu lodi rovná práci sil, které na ni působí.
Když je na loď aplikován moment náklonu m kr, konstantní velikosti, dostává kladné zrychlení, s nímž se začíná valit. Se zvyšujícím se sklonem se zvyšuje vratný moment, ale zpočátku až do úhlu θ st, při kterém m cr = m θ, bude méně na podpatku. Při dosažení úhlu statické rovnováhy θ st, bude kinetická energie rotačního pohybu maximální. Loď tedy nezůstane v rovnovážné poloze, ale vlivem kinetické energie se bude valit dále, ale pomalu, protože vratný moment je větší než klopný. Dříve nashromážděná kinetická energie je splacena nadměrnou prací vratného momentu. Jakmile je velikost této práce dostatečná k úplnému uhašení kinetické energie, úhlová rychlost se vyrovná nule a loď se přestane naklánět.
Největší úhel náklonu, který loď získá z dynamického momentu, se nazývá dynamický úhel náklonu. θ dyn. Na rozdíl od něj úhel náklonu, se kterým loď popluje působením stejného okamžiku (podle stavu m cr = m θ), se nazývá statický úhel náklonu θ st.
S odkazem na diagram statické stability je práce vyjádřena jako plocha pod křivkou vratného momentu jsem v. V souladu s tím dynamický úhel náklonu θ dyn lze určit z rovnosti oblastí OAB a BCD odpovídající nadměrné práci vratného momentu. Analyticky se stejná práce vypočítá jako:
A θ = ∫ 0 θ m θ ∂ θ (\displaystyle A_(\theta )=\int _(0)^(\theta )m_(\theta )\částečný \theta ) ,v intervalu od 0 do θ dyn.
Dosažení dynamického úhlu náklonu θ dyn loď se nedostane do rovnováhy, ale vlivem nadměrného vratného momentu se začne rychle narovnávat. Při absenci odporu vůči vodě by loď při náklonu vstoupila do netlumených oscilací kolem rovnovážné polohy. θ st s amplitudou od 0 do θ dyn. Ale v praxi kvůli odporu vody oscilace rychle odumírají a zůstává plavat se statickým úhlem paty. θ st.
Dynamický účinek klopného momentu je vždy nebezpečnější než statický, neboť vede k výraznějším náklonům. V rámci přímočaré části statického diagramu stability je dynamický úhel náklonu přibližně dvojnásobkem statického úhlu: θ dyn ≈ 2 θ st.
viz také
- teorie lodí : [v 18 svazcích] / ed. , 1911-1915.
- ISO 16155:2006. Lodní a námořní technologie. Aplikační informační technologie. Zařízení kontrola pro načítání
Výpočet hlavních metaparametrů
invariantní vůči různým soudům
metacentrická výška- kritérium stability lodi. Představuje výšku metacentra nad těžištěm plovoucího tělesa. Čím větší je tento parametr, tím vyšší je počáteční stabilita nádoby. Při získání záporné hodnoty metacentrické výšky plavidlo ztrácí schopnost plavby bez náklonu. Není možné odpovědět na otázku „zda se loď s negativní metacentrickou výškou převrhne“, protože metacentrická teorie stability je správná pouze tehdy, když sklon lodi nepřesáhne 10 stupňů.
Pravidla klasifikačních společností dohlížejících na technický provoz lodí (Ruský říční rejstřík, Ruský námořní rejstřík lodní dopravy atd.) však zakazují provoz lodí s metacentrickou výškou menší než 0,2 m. Typický příklad tělesa s nulou metacentrická výška, je symetrický plovoucí sud. V klidné vodě se takový sud bude otáčet podél podélné osy pod vlivem jakýchkoli vnějších sil (například větru).
Udržovací síly Drovná se (výtlak) - hmotnosti plavidla a nákladu
gravitace lodi Provnající se hmotnosti plavidla a nákladu (výtlaku) použitého ve sníženém bodě gravitace plavidla.
V důsledku změny tvaru části trupu ponořené do vody dochází k rozložení sil hydrostatického tlaku působících na tuto část.
změní se i trup. Těžiště lodi se přesune na stranu náklonu a přesune se z bodu C do bodu C 1. Podpůrná síla D ", která zůstane nezměněna, bude směřovat svisle nahoru kolmo k nové efektivní vodorysce a její akční linie bude překročí DP v původním příčném metacentru m. Poloha těžiště lodi zůstane nezměněna a tíhová síla P bude kolmá k nové vodorysce B 1 L 1. Síly P a D jsou tedy vzájemně rovnoběžné neleží na stejné svislici, a proto tvoří dvojici sil s ramenem GK, kde bod K je základna kolmice, spuštěné z bodu G do směru působení podpěrné síly. Dvojice sil tvořená hmotností nádoby a opěrnou silou, která má tendenci vrátit nádobu do původní rovnovážné polohy, se nazývá vratná dvojice a moment této dvojice jemoment obnovení
M θ.
M θ=D" × GK (1).
Rameno GK se nazývá rameno dovnitř z nastavení okamžik nebo rameno statického momentu a označeno písmenem l sv. Úhel mezi linií působení podpěrné síly a DP se rovná úhlu natočení θ, protože strany tohoto úhlu jsou kolmé k vodoryskám VL a V1L1. Na druhé straně segment mG je příčná metacentrická výška, která je označena písmenem h. Pak pravoúhlý trojúhelník mGK znamená:
GK= mg× hřích θ
= h×sin θ
. (2)
Dosazením rovnosti (2) do (1) najdeme výraz pro vratný moment M θ při malých úhlech natočení:
M θ=D" × h×sin(3)
Při malých úhlech náklonu lze místo sin θ dosadit do vzorce (3) θ v radiánech. Pak výraz (3) bude mít tvar:
M θ=D" × h × θ (4)
Vzorce (3) a (4) jsou metacentrické vzorce pro boční stabilitu. Jak je vidět z metacentrického vzorce pro boční stabilitu,
vratný moment je úměrný příčné metacentrické výšce h. Bylo by bruslení, člověk by se měl snažit zajistit, aby loď měla co největší h. Nadměrný nárůst h však nepříznivě ovlivňuje charakter náklonu lodi - stává se velmi rychlým, což způsobuje velké momenty setrvačnosti. To negativně ovlivňuje stav posádky a hlavně je u takového náklonu větší pravděpodobnost posunu nákladu a ztráty stability než u hladkého náklonu.
ZMĚNY STABILITĚ LODĚ PŘI VERTIKÁLNÍM ZATÍŽENÍ
Řekněme, že na lodi,
vsedě na rovném kýlu a v rovnováze se náklad P posune svisle o vzdálenost lz. Vzhledem k tomu, že se výtlak lodi vlivem pohybu nákladu nemění, bude splněna první podmínka rovnováhy (loď si udrží ponor). Podle známého teorému teoretické mechaniky Ts.T. plavidlo se přesune do bodu G 1 umístěného na stejné vertikále jako předchozí poloha C.T. loď G. Samotná vertikála bude procházet, stejně jako předtím, přes C.V. nádoba C. Bude tedy dodržena druhá rovnovážná podmínka, proto při vertikálním pohybu zátěže nádoba nezmění svou rovnovážnou polohu (neobjeví se ani rolování, ani trim). Podívejme se nyní na změnu počáteční příčné stability. Vzhledem k tomu, že tvar trupu lodi ponořený do vody a tvar oblasti vodorysky se nezměnil, byla pozice Ts.V. a příčné metacentrum (t. m) zůstává při vertikálním pohybu nákladu nezměněno. Přesunuto je pouze C.T. loď z bodu G do bodu G 1 . Segment GG 1 lze nalézt pomocí výrazu:
GG 1 = ( Р × l z ) / D
Jestliže před pohybem břemene byla příčná metacentrická výška h, tak se po jeho pohybu změní o hodnotu GG 1. V našem případě má změna příčné metacentrické výšky Δh = GG 1 záporné znaménko, protože stěhování C.T. céva ve směru příčného metacentra, jehož poloha, jak jsme zjistili, zůstává nezměněna, snižuje metacentrickou výšku. Proto bude nová hodnota příčné metacentrické výšky:
h 1 \u003d h - (P × l z) / D (1)
Je zřejmé, že v případě posunutí zátěže dolů musí druhému členu na pravé straně rovnice pro novou metacentrickou výšku h 1 předcházet znaménko plus (+). Z výrazu (1) vyplývá, že pokles stability plavidla je úměrný součinu hmotnosti nákladu a jeho pohybu ve výšce. Navíc, pokud jsou všechny ostatní věci stejné, změna boční stability bude relativně menší pro plavidlo s velkým výtlakem než pro plavidlo s malou opěrnou silou D . Proto je bezpečnější přemisťovat relativně velké náklady na velkých lodích než na malých lodích. Může se ukázat, že hodnota GG 1 pohybující se nahoru C.T. nádoba bude větší než hodnota h. Potom se počáteční příčná stabilita stane negativní, tzn. loď nebude schopna zůstat ve vzpřímené poloze.
STANOVENÍ METACENTRICKÉ VÝŠKY NÁDOBY VZORCE
h= (P × l y )/(D × tgθ ) = M CR / (D × tgθ )
Poté je možné vypočítat aplikační ZG C.T., po předchozím stanovení hodnoty Zm (osa z ve směru OM).
Z G = Zm– h
Nalezena chyba pro skupiny (nikdy neopravena).
Metaparametry pro jednu hladinu - lodě FK K-9
(MK: “Met_height by formula.vbs” – bez použití metody Met AVšechno )
Schéma řešení problému. Loď také nastavíme podle varianty, odstraníme nepotřebné předměty z konstrukce, ponecháme pouze poly povrch, aktivujte jej a obraťte se na MK Meta all
Například pro loď 1 nejprve dostaneme výstup na obrazovku:
Poté získáme obrázek samotné lodi s trimem. Metacentrum - bod M s. Meta-výška - vzdálenost M s - G0. Na zkontrolujte, zda je výpočet správný rameno - vodorovná vzdálenost od G0 k vodorovné čáře Pc - Mc , můžete použít dialog definice kružnice.
Vidíme, že vše odpovídá
Рс je střed podpěrné síly smáčené plochy (pod čárou ponoru).
Aby se loď dostala do rovnováhy, je nutné, aby Pc-M ležela na stejné vertikále. V tuto chvíli dostáváme balanční hod lodi
Metaparametry pro jednu hladinu - lodě FK K-9
(MK: “Met_height by formula.vbs” – bez použití metody Met a All)
Otáčením koule (vpravo) zůstává umístění středu podpěrné síly C1 na stejném místě.
Celý rozsah:
Střed = (-3,55013e-017, 2,28505e-017, 1,20472e-016)
Ve skupině nejsou žádná těla
Plocha = 12,5034
Pod vodou (jako tělo):
Střed = (-0,00942139, -0,695146, -0,000790239)
Objem = 0,573678
Výpočty pro skupiny jsou implementovány v systému Vector. Kamenem úrazu byly výpočty objemů a CG, v případě skupinových transformací. Nyní je tento problém vyřešen. Jednou z podmínek je, že povrch (jeden nebo více) musí být umístěn ve skupině.
Objem skupiny
Střed = (-0,449362, 0,243291, 0,00259662)
Objem = 14,1873
Výpočet těžiště skupiny objektů a podpěrné síly provádí MC "Objem pod vodou".
v něm V tomto případě je důležité, aby podpěrná síla byla ve stejné svislici jako síla závaží. V tomto případě bude trim na zádi. Otáčením skupiny proti směru hodinových ručiček lze dosáhnout rovnováhy.
V tomto případě je skupina v rovnováze, ale s úhlem 2,5 stupně dozadu
17. makro příkaz "Meta příklad" s danou přídavnou hmotností jeho těžiště C2 vypočítá obecné těžiště těžiště a střed podpěrné síly C1.
Pokud C1 a Tsto, jsou na stejné vertikále, znamená, že systém je vyvážený.
Výše uvedená tři makra byla testována na všech objektech, které lze nalézt v sekci „Připravená makra“.
Pro vyvážení systému je nutné, aby C2 byl pod CTO. V MK "Meta příklad" je nutné změnit úhel natočení systému skupin ne o -27 stupňů, ale například -7.
Dva kontejnery jsou v rovnováze
- v této poloze budou na hladině
Přiblíženo: Vidíme, že C1 se vertikálně téměř shoduje s CTO
§ 12. Způsobilost lodí k plavbě. Část 1
Plavební způsobilost musí mít jak civilní lodě, tak válečné lodě.Studium těchto vlastností s využitím matematické analýzy provádí speciální vědní disciplína - teorie lodí.
Pokud je matematické řešení problému nemožné, pak se uchýlí ke zkušenosti, aby našli potřebnou závislost a ověřili závěry teorie v praxi. Teprve po komplexním studiu a testování na zkušenostech všech plavební způsobilosti plavidla jej začnou vytvářet.
Námořní způsobilost v předmětu "Teorie lodí" je studována ve dvou sekcích: statika a dynamika lodi. Statika studuje zákony rovnováhy plovoucího plavidla a související vlastnosti: vztlak, stabilitu a nepotopitelnost. Dynamika studuje plavidlo v pohybu a zvažuje jeho vlastnosti, jako je manipulace, náklon a pohon.
Pojďme se seznámit s plavební způsobilostí lodi.
Vztlak plavidla nazývaná jeho schopnost zůstat na vodě při určitém ponoru a nést zamýšlený náklad v souladu s účelem lodi.
Na plovoucí loď působí vždy dvě síly: a) na jedné straně, hmotnostní síly rovnající se součtu hmotnosti samotné lodi a veškerého nákladu na ní (vypočteno v tunách); působí výsledná síla závaží těžiště lodi(CG) v bodě G a směřuje vždy svisle dolů; b) na druhé straně udržující síly, nebo vztlakové síly(vyjádřeno v tunách), tj. tlak vody na ponořenou část trupu, určený součinem objemu ponořené části trupu a objemové hmotnosti vody, ve které loď pluje. Pokud jsou tyto síly vyjádřeny výslednicí působící v těžišti podvodního objemu plavidla v bodě C, tzv. těžiště(CV), pak bude tato výslednice pro všechny polohy plovoucí nádoby směřovat vždy svisle nahoru (obr. 10).
Přemístění je objem ponořené části tělesa, vyjádřený v metrech krychlových. Objemový výtlak slouží jako míra vztlaku a váha jím vytlačené vody se nazývá hmotnostní posun D) a vyjadřuje se v tunách.
Podle Archimedova zákona je hmotnost plovoucího tělesa rovna hmotnosti objemu tekutiny vytlačené tímto tělesem,
Kde y je objemová hmotnost vnější vody, t / m 3, braná ve výpočtech rovna 1,000 pro sladkou vodu a 1,025 pro mořskou vodu.
Rýže. 10. Síly působící na plovoucí loď a místa působení výslednice těchto sil.
Protože hmotnost plovoucího plavidla P je vždy rovna jeho hmotnostnímu výtlaku D a jejich výslednice směřují proti sobě po stejné vertikále, a označíme-li souřadnice bodu G a C po délce plavidla, v tomto pořadí, x g a x c, na šířku y g a y c a podél výšky z g az c , pak lze podmínky rovnováhy pro plovoucí loď formulovat pomocí následujících rovnic:
P = D; x g \u003d x c.
Vzhledem k symetrii lodi vzhledem k DP je zřejmé, že body G a C musí ležet v této rovině, pak
Yg = yc = 0.
Obvykle leží těžiště povrchových nádob G nad těžištěm C, v tom případě
Někdy je výhodnější vyjádřit objem podvodní části trupu hlavními rozměry plavidla a koeficientem celkové kompletnosti, tzn.
Potom lze hmotnostní posun reprezentovat jako
Označíme-li V n celý objem trupu k horní palubě za předpokladu, že všechny boční otvory jsou vodotěsně uzavřeny, dostaneme
Rozdíl V n - V, představující určitý objem vodotěsného trupu nad vodoryskou zatížení, se nazývá rezerva vztlaku. V případě nouzového vniknutí vody do trupu plavidla se jeho ponor zvýší, ale plavidlo zůstane na hladině kvůli rezervě vztlaku. Rezerva vztlaku tedy bude větší než více výšky volná voda neprostupná strana. Proto je rezerva vztlaku důležitou vlastností plavidla, zajišťující jeho nepotopitelnost. Vyjadřuje se jako procento normálního posunutí a má tyto minimální hodnoty: pro říční plavidla 10-15%, u tankerů 10-25%, u lodí se suchým nákladem 30-50%, u ledoborců 80-90% a u osobních lodí 80-100%.
Rýže. 11. Vrtejte do rámů
Hmotnost plavidla P (hmotnostní zatížení) A souřadnice těžiště jsou určeny výpočtem, který bere v úvahu hmotnost každé části trupu, mechanismů, vybavení, zásob, zásob, nákladu, lidí, jejich zavazadel a vše na palubě. Pro zjednodušení výpočtů se plánuje slučování jednotlivých položek podle specializace do článků, podskupin, skupin a sekcí nákladu. Pro každý z nich je vypočtena hmotnost a statický moment.
Vzhledem k tomu, že moment výsledné síly je roven součtu momentů složek sil vůči stejné rovině, po sečtení hmotností a statických momentů přes celou loď se určí souřadnice těžiště lodi G. výška od hlavní přímky z c se určí z teoretického výkresu metodou lichoběžníku v tabulkové formě.
Ke stejnému účelu slouží pomocné křivky, tzv. vrtací křivky, kreslené rovněž podle teoretického výkresu.
Existují dvě křivky: vrtání podél rámů a vrtání podél vodních čar.
Vrtání na rámech(obr. 11) charakterizuje rozložení objemu podvodní části trupu po délce plavidla. Je postaven následujícím způsobem. Pomocí metody přibližných výpočtů se z teoretického výkresu určí plocha ponořené části každého rámu (w). Na vodorovné ose se ve zvoleném měřítku vynese délka nádoby a na ní se vynese poloha rámů teoretického výkresu. Na souřadnicích získaných z těchto bodů jsou odpovídající oblasti vypočtených snímků vyneseny v určitém měřítku.
Konce pořadnic jsou spojeny hladkou křivkou, což je vrták podél rámů.
Rýže. 12. Vrtání podél vodorysek.
Vrtání na čáře ponoru(obr. 12) charakterizuje rozložení objemu podvodní části trupu po výšce plavidla. Pro sestavení podle teoretického výkresu jsou vypočteny plochy všech vodorysek (5). Tyto oblasti jsou ve zvoleném měřítku vyneseny podél odpovídajících horizontál umístěných podle ponorů lodi v souladu s polohou dané vodorysky. Výsledné body jsou spojeny hladkou křivkou, která je bojovníkem podél vodních čar.
Rýže. 13. Křivka rozměrů nákladu.
Tyto křivky slouží jako následující charakteristiky:
1) plochy každého z bojovníků vyjadřují objemový výtlak lodi ve vhodném měřítku;
2) úsečka těžiště bojového prostoru podél rámů, měřená na stupnici délky lodi, se rovná úsečce středu velikosti lodi x c;
3) ordináta těžiště bojové oblasti podél vodorysek, měřená na stupnici ponoru, je rovna ordinátě středu velikosti lodi z c . Velikost nákladu představuje křivku (obr. 13) charakterizující objemový výtlak lodi V v závislosti na jejím ponoru T. Z této křivky lze určit výtlak lodi v závislosti na jejím ponoru nebo řešit inverzní úlohu.
Tato křivka je postavena v systému pravoúhlých souřadnic na základě předem vypočítaných objemových posuvů pro každou vodorysku teoretického výkresu. Na ose y jsou ve zvoleném měřítku pro každou vodorysku vyneseny ponory lodi a skrz ně jsou vykresleny vodorovné čáry, na kterých je rovněž v určitém měřítku vynesena hodnota posunutí získaná pro odpovídající vodorysky. Konce výsledných segmentů jsou spojeny hladkou křivkou, která se nazývá velikost nákladu.
Pomocí velikosti nákladu je možné určit změnu průměrného ponoru z příjmu nebo výdeje nákladu nebo určit ponor plavidla z daného výtlaku atd.
Stabilita nazývaná schopnost lodi odolávat silám, které způsobily její naklonění, a po ukončení těchto sil se vrátit do původní polohy.
Náklony plavidel jsou možné z různých důvodů: působením přicházejících vln, v důsledku asymetrického zaplavování oddílů při díře, z pohybu zboží, tlaku větru, v důsledku příjmu nebo výdeje zboží atd.
Sklon nádoby v příčné rovině se nazývá válec, a v podélné rovině - d inferenční; úhly sevřené v tomto případě označují O a y,
Rozlišujte počáteční stabilitu t.j. stabilita při malých úhlech náklonu, kdy okraj horní paluby začíná vstupovat do vody (ale ne více než 15° u vysokohorských hladinových plavidel), a stabilita při vysokých náklonech .
Představme si, že při působení vnějších sil loď přijala náklon pod úhlem 9 (obr. 14). Díky tomu si objem podvodní části plavidla zachoval svou hodnotu, ale změnil svůj tvar; na pravoboku se do vody dostal další objem a na levoboku z vody vyšel stejný objem. Těžiště se posunulo z výchozí polohy C směrem k náklonu plavidla do těžiště nového objemového bodu C 1 . Když je plavidlo nakloněno, gravitace P působící v bodě G a podpěrná síla D působící v bodě C, zůstávající kolmo k nové vodorysce B 1 L 1, tvoří dvojici sil s ramenem GK, což je kolmice spuštěná z bod G ke směru podpěrných sil .
Budeme-li pokračovat ve směru podpěrné síly z bodu C 1, dokud se neprotne se svým původním směrem z bodu C, pak se při malých úhlech náklonu odpovídajících podmínkám počáteční stability tyto dva směry protnou v bodě M, tzv. příčné metacentrum .
Vzdálenost mezi metacentrem a středem velikosti MC se nazývá příčný metacentrický poloměr, označeno p, a vzdálenost mezi bodem M a těžištěm plavidla G - příčná metacentrická výška h 0. Na základě údajů na Obr. 14 můžete vytvořit identitu
H 0 \u003d p + z c - z g.
V pravoúhlém trojúhelníku GMR bude úhel ve vrcholu M roven úhlu 0. Z jeho přepony a opačného úhlu lze určit nohu GK, která je rameno m obnovující dvojice GK=h 0 sin 8 a moment obnovení bude Mrest = DGK. Dosazením hodnot ramen získáme výraz
Mrest = Dh 0 * sin 0,
Rýže. 14. Síly působící při pohybu plavidla.
Vzájemná poloha bodů M a G umožňuje stanovit následující znaménko charakterizující příčnou stabilitu: pokud se metacentrum nachází nad těžištěm, pak je vratný moment kladný a má tendenci vrátit loď do původní polohy, tj. při náklonu bude loď stabilní, naopak pokud se bod M nachází pod bodem G, pak při záporné hodnotě h 0 je moment záporný a bude mít tendenci zvětšovat náklon, tj. v tomto případě loď je nestabilní. Je možné, že body M a G se shodují, síly P a D působí podél stejné svislé čáry, neexistují žádné dvojice sil a vratný moment je nulový: pak musí být loď považována za nestabilní, protože nemá tendenci. k návratu do původní rovnovážné polohy (obr. patnáct).
Metacentrická výška pro typické případy zatížení se vypočítá během procesu návrhu lodi a slouží jako míra stability. Hodnota příčné metacentrické výšky se u hlavních typů lodí pohybuje v rozmezí 0,5-1,2 m a pouze u ledoborců dosahuje 4,0 m.
Pro zvýšení příčné stability plavidla je nutné snížit jeho těžiště. Tento nesmírně důležitý faktor je třeba mít stále na paměti, zvláště při provozu lodi, a důsledně evidovat spotřebu paliva a vody skladované v nádržích s dvojitým dnem.
Podélná metacentrická výška H 0 se počítá podobně jako příčná, ale protože její hodnota vyjádřená v desítkách nebo dokonce stovkách metrů je vždy velmi velká - od jedné do jeden a půl délky nádoby, pak po ověřovacím výpočtu je podélná stabilita nádoby se prakticky nepočítá, jeho hodnota je zajímavá pouze v případě zjišťování ponoru přídě nebo zádi plavidla při podélných pohybech nákladu nebo při zaplavování oddílů po délce plavidla.
Rýže. 15. Boční stabilita plavidla v závislosti na umístění nákladu: a - pozitivní stabilita; b - rovnovážná poloha - loď je nestabilní; c - negativní stabilita.
Stabilita plavidla je nanejvýš důležitá, a proto se obvykle kromě všech teoretických výpočtů po sestrojení plavidla ověřuje skutečná poloha jeho těžiště experimentálním sklonem, tedy příčným sklonem plavidla. plavidlo pohybem nákladu o určité hmotnosti, tzv roll balast .
Všechny dříve získané závěry, jak již bylo zmíněno, platí prakticky pro počáteční stabilitu, tedy při náklonu přes malé úhly.
Při výpočtu příčné stability při velkých úhlech náklonu (podélné sklony nejsou v praxi velké) se pro různé úhly náklonu lodě určují proměnné polohy těžiště, metacentra, příčného metacentrického poloměru a ramene vratného momentu GK. Takový výpočet se provádí od přímé polohy přes 5-10 ° k úhlu náklonu, když se vratné rameno otočí na nulu a loď získá negativní stabilitu.
Podle tohoto výpočtu se pro vizuální znázornění stability plavidla při velkých úhlech náklonu staví graf statické stability(nazývaný také Reedův diagram), zobrazující závislost ramene statické stability (GK) nebo vratného momentu Mrest na úhlu paty 8 (obr. 16). V tomto diagramu jsou podél osy úsečky vyneseny úhly náklonu a podél osy pořadnice hodnota vratných momentů nebo ramen vratné dvojice, protože při stejných sklonech objemu, při kterých zůstává výtlak lodi D konstantní, vratné momenty jsou úměrné ramenům stability.
Rýže. 16. Schéma statické stability.
Statický diagram stability je sestaven pro každý typický případ zatížení lodi a charakterizuje stabilitu lodi následovně:
1) ve všech úhlech, ve kterých je křivka umístěna nad osou úsečky, jsou ramena a momenty vzpřimování kladné a loď má kladnou stabilitu. V těchto úhlech náklonu, když je křivka umístěna pod osou úsečky, bude loď nestabilní;
2) maximum z tabulky určuje mezní úhel náklonu 0 max a mezní klopný moment při statickém náklonu lodi;
3) nazýváme úhel 8, pod kterým sestupná větev křivky protíná osu x graf úhlu západu slunce. Při tomto úhlu paty se vratné rameno rovná nule;
4) je-li na ose úsečky vyčleněn úhel rovný 1 radiánu (57,3°) a od tohoto bodu je vztyčena kolmice, dokud se neprotne s tečnou vedenou ke křivce z počátku, pak tato kolmice na stupnici diagram bude roven počáteční metacentrické výšce h 0 .
Na stabilitu má velký vliv pohybující se, tedy sypké, ale i tekuté a sypké náklady, které mají volný (otevřený) povrch. Při naklonění plavidla se tato břemena začnou pohybovat ve směru náklonu a v důsledku toho se těžiště celého plavidla již nebude nacházet v pevném bodě G, ale začne se také pohybovat ve stejném bodě. směru, což způsobuje pokles ramene příčné stability, což je ekvivalentní poklesu metacentrické výšky se všemi důsledky z toho vyplývajícími. Aby se takovým případům předešlo, musí být veškerý náklad na lodích zabezpečen a tekutý nebo hromadný náklad musí být naložen do kontejnerů, které vylučují jakoukoli transfuzi nebo rozlití nákladu.
S pomalým působením sil, které vytvářejí klopný moment, se loď, naklánějící se, zastaví, když jsou klopné a vratné momenty stejné. V případě náhlého působení vnějších sil, jako je poryv větru, tahání remorkéru na palubu, náklon, boční salva z děl atd., loď nakloněním nabývá úhlové rychlosti a dokonce i s ukončením těchto sil, bude pokračovat v rotaci setrvačností o další úhel, dokud se nespotřebuje veškerá jeho kinetická energie (živá síla) rotačního pohybu plavidla a jeho úhlová rychlost nebude nulová. Tento náklon lodi při působení náhle působících sil se nazývá dynamický sklon. Pokud se při statickém klopném momentu loď vznáší jen s určitým náklonem 0 ST, pak při dynamickém působení stejného klopného momentu může dojít k jejímu převrácení.
Při analýze dynamické stability pro každý výtlak plavidla se staví diagramy dynamické stability, jejichž pořadnice představují v určitém měřítku plochy tvořené křivkou momentů statické stability pro odpovídající úhly paty, tedy vyjadřují práci obnovující dvojice při naklonění nádoby pod úhlem 0, vyjádřeno v radiánech. Při rotačním pohybu, jak víte, je práce rovna součinu momentu a úhlu rotace, vyjádřených v radiánech,
T 1 \u003d M kp 0.
Podle tohoto diagramu lze všechny otázky související se stanovením dynamické stability řešit následovně (obr. 17).
Úhel náklonu s dynamicky působícím klopným momentem lze zjistit vynesením grafu klopného páru do diagramu ve stejném měřítku; úsečka průsečíku těchto dvou grafů udává požadovaný úhel 0 DIN.
Pokud má v konkrétním případě fixační moment konstantní hodnotu, tj. M kr \u003d const, bude vyjádřena práce
T 2 \u003d M kp 0.
A graf bude vypadat jako přímka procházející počátkem.
Aby bylo možné postavit tuto přímku na dynamickém diagramu stability, je nutné vykreslit úhel rovný radiánu podél osy úsečky a ze získaného bodu nakreslit pořadnici. Po vynesení hodnoty M cr na stupnici ordinát ve tvaru úsečky Nn (obr. 17) je nutné nakreslit přímku ON, což je požadovaný pracovní rozvrh pro patní pár.
Rýže. 17. Určení úhlu náklonu a mezního dynamického sklonu podle diagramu dynamické stability.
Stejný diagram ukazuje dynamický sklon 0 DIN, definovaný jako úsečka průsečíku obou grafů.
S nárůstem momentu M cr může sečna ON zaujmout omezující polohu a přeměnit se ve vnější tečnu FROM vedenou od počátku k diagramu dynamické stability. Úsečka bodu dotyku tedy bude původní dynamický mezní úhel dynamických sklonů 0 Pořadnice této tečny, odpovídající radiánu, vyjadřuje mezní klopný moment při dynamických sklonech M krms.
Při plavbě je loď často vystavena dynamickým vnějším silám. Proto má možnost určit dynamický klopný moment při rozhodování o stabilitě plavidla velký praktický význam.
Studium příčin ztráty lodí vede k závěru, že lodě se ztrácejí především kvůli ztrátě stability. K omezení ztráty stability v souladu s různými plavebními podmínkami vyvinul Register SSSR Standardy stability pro lodě dopravní a rybářské flotily. V těchto normách je hlavním ukazatelem schopnost plavidla udržet si pozitivní stabilitu při kombinovaném působení valení a větru. Plavidlo splňuje základní požadavek norem stability, pokud při nejhorším scénáři naložení zůstane jeho M CR nižší než M ODA.
V tomto případě je minimální klopný moment lodě určen z diagramů statické nebo dynamické stability s přihlédnutím k vlivu volné hladiny kapalného nákladu, valení a prvků výpočtu větru lodi pro různé případy zatížení lodě. .
Normy stanoví řadu požadavků na stabilitu, například: M KR
metacentrická výška musí mít kladnou hodnotu, úhel západu diagramu statické stability musí být minimálně 60° a s přihlédnutím k námraze – minimálně 55° atd. Povinné dodržení těchto požadavků ve všech případech zatížení dává právo považovat plavidlo za stabilní.
Nepotopitelná loď nazval jeho schopnost udržet vztlak a stabilitu po zaplavení části vnitřní prostory voda přicházející přes palubu.
Nepotopitelnost plavidla je zajištěna rezervou vztlaku a zachováním pozitivní stability při částečně zatopených prostorách.
Pokud plavidlo dostalo otvor ve vnějším trupu, pak množství vody Q, které jím protéká, je charakterizováno výrazem
kde S je plocha otvoru, m²;
G - 9,81 m/s²
H - vzdálenost středu otvoru od vodorysky, m.
I při malém otvoru bude množství vody vstupující do trupu tak velké, že se s ním stoková čerpadla nebudou moci vyrovnat. Proto se na nádobu instalují drenážní prostředky na základě výpočtu pouze odvodu vody, která se dostane po utěsnění otvoru nebo netěsnostmi ve spojích.
Aby se zabránilo šíření vody proudící do otvoru skrz plavidlo, jsou zajištěna konstrukční opatření: trup je rozdělen na samostatné oddíly vodotěsné přepážky a paluby. Při takovém rozdělení dojde v případě díry k zaplavení jednoho nebo více omezených oddílů, což zvýší ponor plavidla a v souladu s tím se sníží volný bok a vztlak plavidla.
Definici metacentrické výšky lze formulovat následovně. Co je to? Toto je těžiště a metacentrum lodi. Samotná definice není příliš jasná, a proto je vhodné dodat, že velmi často je tato výška vyjádřena prostřednictvím stability plavidla. Metacentrum je totiž hlavním kritériem pro určení této stability.
Obecné pojmy
Jak již bylo řečeno, metacentrická výška je výška těžiště nad metacentrem samotné lodi. Zde je důležité vědět, že čím větší je hodnota této charakteristiky, tím větší bude počáteční stabilita nádoby. Pokud se z nějakého důvodu tato výška odchýlí k záporné hodnotě, znamená to, že loď nebude schopna plout bez hodu. Co to znamená? Nikdy by neměly být povoleny záporné hodnoty metacentrické výšky. I když ... Na otázku, zda se plavidlo se zápornou hodnotou této výšky převrhne, rozhodně nelze získat přesnou odpověď. Protože teorie stability platí pouze pro náklony lodí, které nepřesahují 10 stupňů.
Pravidla a pravomoci
Je důležité poznamenat, že existují pravidla klasifikačních společností, která monitorují technický provoz lodí. Tyto dokumenty popisují, že lze provozovat pouze lodě s metacentrickou výškou alespoň 0,2 metru. Abychom pochopili, jak by se chovalo těleso s nulovou výškou, můžeme si představit sud plovoucí ve vodě. Tento parametr tohoto tělesa se bude rovnat 0 a jeho pohyb bude probíhat podél podélné osy pokaždé, když na něj působí jakákoli vnější síla, například vlna nebo vítr.
Dalším základem, který umožňuje lodi plout, je gravitace. A také Archimédova síla. Přirozeně gravitace stáhne loď dolů, tedy ke dnu. Číselná hodnota této charakteristiky se rovná její hmotnosti a vztahuje se na těžiště lodi. Archimédova síla, nebo, jak se jí také říká, vztlaková síla vytlačuje námořní plavidlo z vody. Síla tohoto efektu se rovná výtlaku lodi, který působí ve středu podvodního objemu.
Práce sil
S "přímou" polohou nádoby se ukazuje, že tyto dvě síly se navzájem vyrovnávají a jsou ve stejné vertikální rovina. Díky tomu se loď může pohybovat po vodě. V případě, že dojde k převrácení lodi, střed podvodního objemu CV se posune směrem k náklonu lodi. K posunu dochází v důsledku toho, že se mění tvar podvodní části trupu. Navíc, když je CV posunuto na jednu stranu, vzniká vratný moment, který působí proti náklonu námořní lodi. Když dojde k naklonění, CV se jakoby začne otáčet kolem bodu, který se podmíněně nazývá metacentrum m.
Vzdálenost od tohoto podmíněného bodu meteorologického středu m k těžišti plavidla DH bude jeho výška. Například pro běžnou veslici je číselná hodnota metacentrické výšky, která lidem postačí k bezpečnému sezení a vstávání, 0,3 m. V zásadě nic složitého.
Jak zajistit stabilitu
Při znalosti všeho, co bylo popsáno výše, vyvstává zřejmá otázka, jak posoudit bezpečnost lodi, plachetní jachta, loď atd.? Jak pochopit, jak velké jsou šance lodi vrátit se z polohy „keel up“ do normálního, přímého stavu?
Aby toho bylo dosaženo, je nutné zlepšit stabilitu plavidla. Na to existuje několik osvědčených metod. Dostatečně vysokou stabilitu lze zajistit díky tomu, že na palubě lodi bude umístěna pevná zátěž. Zde je však třeba počítat s tím, že těžiště plavidla se s dalším zatížením sníží. Stavitelé lodí, námořníci a všichni, kdo jsou obeznámeni s námořními záležitostmi, mají toto pravidlo: každý kilogram nákladu umístěný pod čarou ponoru zvýší stabilitu lodi, ale každý kilogram nad touto čarou zhorší polohu lodi.
Obnova plavidla
Aby se zvýšila hmotnost například jachty, je vybavena takovou věcí, jako je pevný zátěžový kýl. Zde je ale důležité poznamenat, že ji lze umístit pouze na klasický typ jachty. Jakýkoli jiný druh s takovým kýlem by byl příliš těžký. Klasické jachty jsou absolutní stabilitou říčního člunu, jak se tomu říká. Jde o to, že tato kategorie lodí se dokáže narovnat téměř po každém hodu. Úhel náklonu, který je nutný k tomu, aby se plavidlo nevzpamatovalo, je 155 stupňů. To je parametr jachty, jako je Contessa 32. Jinými slovy, říční člun této třídy se bude schopen vrátit do přímé polohy i poté, co se převrhne se zvednutým kýlem.
Zde je důležité pochopit, že velké nádoby mají zpočátku větší rozměrovou stabilitu kvůli své velikosti. Dalším důležitým bodem je, že vnější voda by se neměla dostat dovnitř lodi při náklonu skrz jakékoli poklopy nebo otvory. Pokud k tomu dojde, kapalina, která je na palubě, může negovat veškerou stabilitu. To se stane kvůli skutečnosti, že váha vody, která vstoupila, způsobí, že loď bude těžší. Metacentrická výška bude narušena v důsledku posunutí těžiště. A loď se začne potápět.
Plavidla s nástavbou
Existuje typ lodi, která má vodotěsnou nástavbu. Voda se přirozeně nebude moci dostat dovnitř takové lodi, což znamená, že stabilita zůstane na stejné úrovni i při velkém náklonu. Tento princip se stal základem při vynálezu záchranných člunů se skleněnými dvířky. Existují záchranné vory a záchranné čluny, které jsou považovány za prakticky neschopné kvůli jejich konstrukci. Takové kategorie lodí jsou schopny se vzpamatovat i poté, co se úplně převrhnou.
Můžete si vzít například, který má jeden záludný způsob, jak zvýšit stabilitu plavidla. Metoda se nazývá naklánění. A jeho podstata spočívá v tom, že při naklonění se váha posádky, zátěže nebo výkyvného kýlu bude pohybovat po celé šířce plavidla. Dnes se používá mnoho různých typů pohyblivého předřadníku. A také je tu jeden nejnovější, kterým je přítomnost podvodních řízených křídel.
Experimentální výška
Dále. Abyste mohli experimentálně vypočítat metacentrickou výšku lodi, můžete po lodi pohybovat velkým nákladem. K pohybu břemene musí dojít v určité vzdálenosti Q od místa, kde se původně nacházelo. Také při pohybu předmětu je nutné změřit malý úhel natočení, který se označuje jako af. Číselná hodnota této charakteristiky bude odpovídat úhlu lodi.
Takto bude vypadat příčná metacentrická výška ve vzorci:
h 0 \u003d 0,525 (W / T) 2, m
B je šířka lodi, která se měří v metrech, a T je doba otáčení, která se měří v sekundách.
Právě tento způsob výpočtu, stejně jako experimentální způsob určování, se staly hlavními ustanoveními, která umožnila vzít výšku metacentra lodi jako hlavní kritérium její stability.
Plachetnice
V současné době jsou jedny z nejnebezpečnějších z hlediska provozu a zároveň nejnáročnější z hlediska stability. Jde o to, že s větrem bude plachta takového plavidla neustále vystavena silnému vzduchu, což bude za takových podmínek hlavním bodem, který vytváří možnost převrácení. Právě kvůli přítomnosti plachty potřebují plavidla s velkými a dlouhými stěžněmi a v důsledku toho i velkými plachtami další těžkou pevnou zátěž, která značně sníží těžiště plavidla, čímž vytvoří větší metacentrickou výšku.
Je velmi důležité poznamenat, že poměrně často dělají takovou chybu, že posuzují stabilitu lodi pouze podle jejího metacentra. Tato výška bude samozřejmě hlavním kritériem. Nelze však ignorovat výhody, které jsou k dispozici v celém statickém diagramu stability. Zahrnuje nejen výšku metacentra.
Případy nestability
Existují tři případy nestability plavidla. Zvažme je podrobněji.
První případ nastane, když výška h>0. Je to dáno tím, že těžiště je výše než těžiště. Pokud jsou tyto podmínky splněny a loď je nakloněna na kteroukoli stranu, linie působení podpůrné síly protne diametrální rovinu výše, než je těžiště.
Druhý případ nestability nastane, když je metacentrická výška nulová. V tomto případě prakticky, stejně jako v předchozím, bude těžiště výše než těžiště. A když se loď nakloní, stane se, že linie CG poběží po linii magnitudy. V tomto případě bude těžiště vždy umístěno ve stejné vertikále s těžištěm. S tímto uspořádáním sil bude obnovující dvojice, která srovná loď, jednoduše nepřítomná. Bez vlivu jakýchkoliv vnějších sil se loď nebude schopna vrátit do původní, rovné polohy.
Třetí případ nastane, pokud h<0. В данном случае ЦТ будет находиться выше, чем центр величины, а в наклонном положении линия действия силы поддержания будет пресекать след диаметральной плоскости ниже ЦТ. В таком случае при малейшем наклоне будет образовываться отрицательная пара сил, воздействующая на судно и приводящая к его опрокидыванию.
