Поперечная остойчивость.

Поперечная остойчивость катамаранов намного выше, чем у шверботов, но продольная — ниже, поэтому при одинаковом со шверботом «М»-дифферентующем моменте катамаран будет иметь дифферент в несколько раз больше (Крючков, 1964). Если из двух байдарок собрать катамаран, то от этого продольная остойчивость байдарок не уменьшится. Но поскольку у такого катамарана резко возрастет поперечная остойчивость, то относительно ее продольная остойчивость теперь будет казаться сравнительно меньшей. Однако, как говорилось выше, катамараны могут проигрывать и по абсолютной величине продольной остойчивости. Этому можно дать следующее объяснение. Поскольку у катамарана груз и экипаж вынесены на каркас, то поплавки в целях уменьшения сопротивления воды обычно делают более узкими, с малым развалом бортов и сильно заостренными оконечностями, т. е. корпуса имеют малую площадь сечения Sквл или коэффициент его полноты а много меньше единицы. Это-то и приводит к уменьшению продольной остойчивости катамаранов по сравнению с однокорпусными судами примерно одинаковой длины — ведь продольная остойчивость пропорциональна не только L², но и а². Поэтому в спортивном судостроении принято: для того чтобы поперечная и продольная остойчивости катамарана были одинаковыми, необходимо длину поплавков по КВЛ взять по крайней мере в 2 раза больше конструктивной ширины катамарана Во (между продольными осями поплавков).

Диаграммы статической остойчивости — это кривые, отображающие зависимость восстанавливающего момента т или его плеча / от величины угла наклонения φ, причем обычно для больших значений последнего, когда в формулах от значений углов в радианах надо переходить к их тригонометрическим функциям: т = РL=  Ph sinφ). Каждая диаграмма строится для определенных значений водоизмещения и ординаты ЦТ. Были рассчитаны (рис. 3, а) диаграммы статической остойчивости для модели катамарана (рис. 2) из двух поплавков-параллелепипедов, причем длина и ширина катамарана были приняты равными. Прямоугольная форма поплавков взята по соображениям удобства вычислений. Это позволило вычислять объемы, поддерживающие силы, их равнодействующие и точки, в которых они приложены, по более простым, точным формулам, используя простейшие геометрические соотношения.

На диаграмме поперечной остойчивости (кривая I для зависимости плеча L от угла крена φ) можно выделить три характерных участка. Первый прямолинейный участок простирается от φ=0° до угла отрыва φ_отр., т. е. до такого крена, когда происходит отрыв внешнего поплавка от поверхности воды, а восстанавливающий момент достигает своей наибольшей величины. У катамаранов обычно φ_отр. = 9—12°. Поскольку на этом участке с увеличением крена восстанавливающий момент автоматически также растет, то равновесие здесь будет устойчивое — катамаран кажется непереворачиваемым.

На втором участке, после того как крен превзойдет угол отрыва, равновесие станет неустойчивым — восстанавливающий момент будет падать с ростом крена, и катамаран станет переворачиваться все легче и легче. Другими словами, если под действием опрокидывающей силы крен катамарана превзошел угол отрыва, то для того, чтобы предотвратить опрокидывание судна, необходимо или уменьшить кренящий момент, например у парусников потравить шкоты, или увеличить восстанавливающий момент, например экипажу открепиться.

Третий участок диаграммы находится за точкой «заката диаграммы остойчивости» — критического значения угла крена φ_кр., при котором сила поддержания Р и сила тяжести G вновь окажутся на одной прямой, а восстанавливающий момент упадет до нуля. При дальнейшем креновании на этом участке восстанавливающий момент станет отрицательной величиной, т. е. при углах крена больше критического значения судно завершит опрокидывание под действием собственного веса, если даже переворачивающая сила перестанет действовать.

Диаграмма продольной статической остойчивости (кривая II) построена для той же модели катамарана для случая опрокидывания его через торцы поплавков. Она в общих чертах повторяет вышерассмотренную. Главное отличие состоит в том, что максимальное значение продольного восстанавливающего момента примерно в 2,5 раза меньше, чем при крене на борт. Это объясняется тем, что при дифференте на нос или корму точка приложения поддерживающей силы ЦВ смещается па меньшую величину, чем при таком же крене на борт.

Диаграмма статической остойчивости (кривая III) построена для квадратного плота, имеющего те же размерения, что и катамаран, и сплошное заполнение габаритов водоизмещающим материалом. Полное водоизмещение такого плота Vmax=H•B получается в 3 раза больше, чем у катамарана, а относительная высота борта F/H возрастет до 0,83 вместо 0,5. Из сопоставления диаграмм I, II и III видно, что максимальный восстанавливающий момент у плота будет примерно в 2 раза больше, чем такое же значение момента продольной остойчивости у катамарана, но все же останется на 25% меньше максимальной величины восстанавливающего момента для поперечной остойчивости последнего. Это объясняется следующими обстоятельствами. Увеличение запаса плавучести и относительной высоты борта плота привели к тому, что наибольшее возможное перемещение точки ЦВ к борту (Хцв) при его наклонении стало таким же, как при крене катамарана на борт. Однако плечи соответствующих восстанавливающих моментов не сравнялись, поскольку у катамарана при малых углах крена перемещение точки ЦВ к борту происходит на большую величину, чем у плота.

Наконец, диаграмма продольной статической остойчивости (кривая IV) показывает, что увеличение длины L поплавков катамарана пирамидальными заострениями на 33% хотя и дало приращение их полного объема всего на 5,5%, но привело к росту плеча и самого момента продольной остойчивости на 22%. Этот пример еще раз показал большое влияние водоизмещающих объемов на периферии судна на его остойчивость. В справочнике вахтенного офицера говорится, что при уходе под воду палубы в оконечностях судна его продольная остойчивость заметно падает (Проничкин, 1975).

Из рассмотрения диаграмм можно сделать следующие выводы. Во-первых, остойчивость самодельных туристских судов обеспечивается прежде всего достаточным запасом их плавучести. Так, у катамаранов, чтобы в полной мере реализовать присущую им высокую поперечную остойчивость, полный объем каждого поплавка должен превосходить объемное водоизмещение всего судна в полном грузу. Катамаран должен иметь возможность «встать» на один поплавок. Во-вторых, эффективно повышать остойчивость формы можно, не столько увеличивая защищенные от воды объемы, сколько располагая их на удалении от середины судна. Так, если катамарану добавить в середину третий поплавок — превратить его в тримаран,— то его поперечная остойчивость упадет. В то же время продольную остойчивость катамарана можно существенно увеличить, если (при достаточном запасе плавучести) «вырезать» средние части его поплавков. Собственно, так а построены модульные плоты А. Фомина и А. Чернышева, которые не имеют сплошных ни продольных, ни поперечных поплавков. Эти плоты построены весьма рационально с точки зрения получения высокой остойчивости при эффективном использовании водоизмещающих емкостей. В-третьих, появившаяся в печати характеристика «эффективная ширина плота» неудачна, так как она неоднозначно связана с величиной остойчивости. Дело в том, что величина восстанавливающего момента определяется формой не всего корпуса судна, а только той его части, которая погружена в воду. Эта часть корпуса в судостроении традиционно характеризуется точкой ЦВ а длиной плеча остойчивости.

Динамическая остойчивость рассматривается, когда внешние силы вызывают наклонения судна со значительными угловыми скоростями, как, например, при действии шквального ветра, «взрывной» волны и т. п. Наибольший угол наклонения, который достигает судно при динамическом действии кренящего момента, называется динамическим углом крена (дифферента). Из практики хорошо известно, что порыв ветра опрокидывает парусную лодку много легче, чем ровный ветер большей силы. Дело в том, что в первом случае судно по инерции накренится больше, чем до угла, при котором наступит равновесие кренящего и восстанавливающего моментов. Чтобы погасить инерцию и остановить опрокидывание, восстанавливающий момент должен произвести работу, равную работе момента, создающего это наклонение.

На диаграмме статической остойчивости работу некоторого кренящего момента можно показать площадью прямоугольника, ограниченного сверху горизонтальной прямой, проведенной на уровне М_Kp., и ординатой некоторого вызванного им угла наклонения (рис. 4, б, точки ОАВС). В свою очередь, работа восстанавливающего момента изобразится площадью, ограниченной ординатой того же угла и отрезком кривой момента остойчивости от начала координат до точки Д. Если величину угла наклонения подобрать так, чтобы обе указанные площади стали одинаковыми, то это и будет значением динамического угла крена φ_дин. По данным справочника (1975), в пределах прямолинейной части диаграммы статической остойчивости при внезапном приложении постоянного кренящего (дифферентующего) момента величина динамического угла наклонения будет примерно вдвое больше соответствующего угла статической остойчивости φ_ст.

Диаграмму динамической остойчивости, выражающую зависимость величины работы восстанавливающего момента от угла наклонения, можно построить следующим образом. По диаграмме статической остойчивости (кривая I на рис. 3, б) находится ряд значений плеча L статического момента, которые берутся через равные интервалы угла крена (например, через ∆_ф=5° = 0,0873 радиана). Дальнейшие вычисления проводятся по таблице 1, Значения плеча динамической остойчивости L_ДИн., соответствующие каждому значению L, определяются по формуле L_ДИн = 1\2∆φ∑", где ∆φ — приращение угла в радианах, а ∑"— сумма нарастающим итогом из строки 4 таблицы 1.

Кривая IV (рис. 3,6) отображает диаграмму динамической остойчивости, вычисленную указанным способом по диаграмме поперечной статической остойчивости (кривая I) исходной модели катамарана. Чтобы по этой диаграмме найти угол динамического крена, надо еще построить график работы кренящего момента. Для этого из точки N, где угол φ=1 радиану=57,3°, проводится вертикальная линия NM, на которой откладывается в соответствующем масштабе величина кренящего момента Мкр.. Полученная таким способом точка М соединяется с началом координат. На пересечении этой прямой с диаграммой динамической остойчивости и расположены значения угла динамического крена. Если через начало координат 0 провести касательную к кривой динамической остойчивости, то точка касания даст значение критического угла крена φ_кр.; g, при котором произойдет опрокидывание судна, а пересечение касательной с прямой NM укажет соответствующее минимальное значение динамического кренящего момента. В рассчитанном примере для рассматриваемой модели катамарана величина динамического критического угла крена для поперечной остойчивости получилась примерно в 2 раза меньше, чем соответствующее значение для статической остойчивости. Таким образом, в первом приближении можно считать, что динамическая остойчивость самодельных туристских судов вдвое меньше их статической остойчивости.

На остойчивость судна помимо формы погруженной в воду части корпуса влияет также его вес. Рассмотрим это влияние несколько подробнее. Прежде всего существуют суда, у которых вообще отсутствует остойчивость формы — это подводные лодки в полностью погруженном состоянии. Для того чтобы в этом случае восстанавливающий момент имел положительное значение, необходимо, чтобы центр водоизмещения был расположен выше центра тяжести. При этом все метацентры совпадают с точкой ЦВ, а плечо моментов остойчивости L = hsinφ, где h — возвышение центра величины ЦВ над центром тяжести ЦТ.

Весьма близкая картина наблюдается у килеватых яхт, где центр тяжести смещается вниз при помощи тяжелого балластного фальшкиля. Следует отметить одну характерную особенность диаграммы статической остойчивости у судов этого типа — она не имеет «точки заката », и величина восстанавливающего момента монотонно нарастает, достигая максимума при наклонениях, равных 90°.

У самодельных туристских судов центр тяжести практически всегда находится выше центра величины водоизмещения. В этом случае влияние остойчивости веса не будет однозначным и потребует более подробного рассмотрения. Прежде всего следует отметить, что остойчивость порожних и сильно перегруженных судов, как правило, падает. Это обусловлено происходящими одновременно изменениями остойчивости формы, например сокращением площади ватерлинии, а во втором случае — и потерей запаса плавучести. При изменении количества и размещения груза в пределах, предусмотренных конструкцией судна, решающее влияние на остойчивость оказывает изменение положения центра тяжести. Из схемы действия сил для модели катамарана (рис. 2) непосредственно следует соотношение: —∆L=∆hsinφ, где ∆L — изменение плеча остойчивости; ∆h — изменение высоты точки ЦТ над ЦВ; φ — величина угла наклонения. Другими словами, увеличение высоты центра тяжести приводит к уменьшению плеча восстанавливающего момента, причем это уменьшение будет сильнее сказываться по мере роста угла наклонения.

Указанные закономерности хорошо просматриваются на диаграммах поперечной статической остойчивости для модели катамарана (рис. 3, б). Исходная диаграмма (кривая I) соответствует высоте 0,5 м точки ЦТ над палубой. Диаграммы II и III построены для случая, когда высота точки ЦТ над точкой ЦВ уменьшена на 1/4 и в 2 раза соответственно. Из сопоставления этих диаграмм следует, что даже существенное изменение высоты центра тяжести сравнительно слабо сказалось на начальной остойчивости катамарана — так, максимальная величина восстанавливающего момента при угле отрыва возросла всего на 5 и 11% соответственно, а сам угол отрыва практически не изменился.

Заметно большие изменения произошли на нисходящих ветвях диаграмм II и III — они стали менее крутыми, а величина критического угла возросла на 15 и 33% соответственно. Следовательно, суда с высоким центром тяжести при крене, превосходящем угол отрыва, будут опрокидываться более быстро, экипаж может не успеть парировать возмущение, например открениванием, и судно завершит переворот. Таким образом, увеличение водоизмещения на периферии судна и понижение центра тяжести влияют на остойчивость не эквивалентно. Первый способ приводит к подъему всей диаграммы остойчивости (пропорционально квадрату В₀), а второй сказывается значительно слабее и в основном на нисходящей ветви статической диаграммы остойчивости.

В справочнике вахтенного офицера говорится: изменить остойчивость можно лишь за счет изменения размещения груза по вертикали. Из практики известно: добавляя груз ниже ватерлинии, мы увеличиваем остойчивость, а выше ватерлинии — уменьшаем (в первом приближении) .

На легких туристских и спортивных судах, когда их остойчивости не хватает, чтобы противодействовать внешнему кренящему моменту, экипаж прибегает к открениванию.

Сущность этого практического приема состоит в том, что экипаж смещением собственного веса (реже груза) к борту, противоположному крену, создает искусственный кренящий момент, противоположный действию внешних сил. При этом происходит временное смещение центра тяжести судна в горизонтальной плоскости, которое тем больше, чем сильнее сместился экипаж от плоскости ДП и чем больше величина отношения Pэ\P, т. е. веса экипажа к общему весу судна. Применение откренивания при дифферентах менее эффективно.

Предыдущая страница        К оглавлению      Следующая страница