Условия плавучести и равновесия судна.

П л а в у ч е с т ь ю (FLOАTATION) называется способность судна плавать по определенную ватерлинию, неся всю положенную нагрузку.

На судно, как на плавающее тело, постоянно действуют две категории сил: силы тяжести (вес судна) и силы давления воды (гидростатические силы).

Равнодействующая сил тяжести, которая представляет собой сумму сил тяжести всех элементов судна, определяет вес судна Р. Сила веса при любых положениях судна всегда направлена вертикально вниз. Точка приложения силы веса называется ц е н т р о м  т я ж е с т и  с у д н а (Centre of gravity) и обозначается буквой G.

Равнодействующая гидростатических сил является результирующей всех сил, возникающих вследствие давления воды на поверхность корпуса судна. Она называется силой плавучести или силой поддержания D'. Сила плавучести направлена по вертикали вверх. Точка приложения силы плавучести называется ц е н т р о м  в е л и ч и н ы (Centre of buoyancy). Эта точка обозначается буквой С или B и находится в центре тяжести подводного объема корпуса.

Рис.1 Плавучесть судна

 

Сила плавучести D', согласно закону Архимеда, равна весу вытесненной воды в объеме, равном погруженной в жидкость части тела (корпуса): D' = γ ·V.

Удельный вес воды γ является переменной величиной. При выполнении расчетов, связанных с проектированием судов, обычно принимают γ = 10,05 кн/м3 для морской воды и γ = 9,81 кн/м3 для пресной.

Водоизмещение (масса) судна равна массе вытесняемой им воды:

D = ρ V,

где V – объемное водоизмещение судна, м3;

ρ – плотность забортной воды.

Для пресной воды ρ = 1,0 т/м3, для морской ρ = 1,025 т/м3.

Из теоретической механики известно, что для равновесия тела, на которое действует две системы сил, необходимо и достаточно, чтобы равнодействующие этих сил были равны по величине и направлены по одной прямой в противоположные стороны. На основании этого правила для равновесия судна необходимо и достаточно, чтобы сила плавучести равнялась весу судна и центр тяжести G и цент величины С лежали на одной вертикали.

Обозначив координаты центра тяжести G через XG, YG, ZG, а координаты центра величины С через XC, YC, ZC можно написать уравнения равновесия:

1) D' = Р или γ · V = P

2) ХG = ХС

3) YG = YC

Аппликаты ZG и ZC, характеризующие положение центра величины и центра тяжести по высоте, не связаны какой-либо зависимостью, но практически всегда у плавающего судна ZC < ZG, т.е. центр величины всегда лежит ниже центра тяжести.

Приведенные выше формулы представляют собой математическое выражение условий равновесия судна. Уравнения: D' = γ · V и γ · V = P называются о с н о в н ы м и  у р а в н е н и я м и  п л а в у ч е с т и, т. к. они устанавливают связь соответственно между водоизмещением (массой) или весом судна и массой или весом вытесняемой им воды.

При наличии у судна крена и дифферента условие: γ · V = P остается неизменным, а второе и третье условия меняются и принимают более сложный вид. Действительно, в случае посадки судна на ровный киль, но с креном, условие расположения Ц.Т. и Ц.В. на одной вертикали запишется в виде:

X G = X C

Y C - Y G = (Z G - Z C).tg Θ

Грузовая шкала состоит из двух частей: левая часть показывает изменение характеристик плавучести при изменении осадки судна в пресной воде, а правая - при изменении осадки в морской воде.

Грузовая шкала входит в состав основной документации, которой снабжаются все суда, веденные в эксплуатацию после постройки или капитального ремонта.

Кривая водоизмещения и грузовой размер дают возможность определить водоизмещение судна при данной его осадке или, наоборот, осадку судна при заданном водоизмещении без выполнения расчетов. С помощью этих кривых можно определить изменение осадки судна при приеме или снятии грузов и т.п.

При эксплуатации судна широко используется характеристика плавучести, называемая г р у з о в ы м  р а з м е р о м.

                                                              Рис.2. Грузовой размер

Пользоваться кривой объемного водоизмещения (или грузовым размером) необходимо следующим образом. Пусть начальное водоизмещение судна равно V, а соответствующая ему осадка – Т. Принятому грузу Р отвечает приращение объемного водоизмещения Δ V = P / ρ. Отложив значение Δ V на оси абсцисс вправо от начального водоизмещения V, в полученной точке проводим вертикаль. Точку А пересечения этой вертикали с кривой объемного водоизмещения сносим по горизонтали на ось ординат, где по шкале осадок Т находим новую осадку судна, а следовательно, и приращение осадки Δ Т. В случае снятия груза изменение водоизмещения откладывают по оси абсцисс не вправо, а влево от точки, отвечающей первоначальному водоизмещению V.

 

При переходе судна из одного водного бассейна в другой изменяется соленость (плотность) забортной воды. При плавании в воде плотностью ρ и ρ1 водоизмещение судна соответственно будет:

D = ρV и D = ρ 1V1,

где V – объемное водоизмещение судна до перехода в воду другой плотности;

V1 – oбъемнoe водоизмещение судна после перехода.

1) Судно водоизмещением D= 6342 т, при плотности воды р =1.018 т/мЗ. Водоизмещение изменилось до D1= 6358 т. Определить новую плотность воды.

    Новая плотность воды р 1

р1 = (D x р)/ D 1

2) Определить приращение осадки при приеме дополнительного груза весом 456 т. Осадка до приема груза 3,60м. Число тонн на 1см осадке равен

12,6 т\см.

 

Вопросы для самоконтроля.

1. Что понимается под постоянными и переменными грузами на судне?

2. Как классифицируют водоизмещение судна в зависимости от его нагрузки?

3. Что понимается под запасом плавучести судна?

4. Как вычисляется запас плавучести неповрежденного судна?

5. Что понимается под грузовым размером?

6. Что понимается под грузовой шкалой?

7. Что понимается под объемным водоизмещением?

8. Что понимается под весовым водоизмещением?

9. Что понимается под п л а в у ч е с т ь ю?

10. Что понимается под о с т о й ч и в о с т ь ю?

11. Что понимается под не п о т о п л я е м о с т ь ю?

12. Что понимается под м о р е х о д н о с т ь ю?

13. Что понимается под г р у з о в м е с т и м о с т ь ю?

14. Что понимается под в а л о в о й в м е с т и м о с т ь ю?

15. Что понимается под ч и с т о й в м е с т и м о с т ь ю?

16. Что называется ц е н т р о м т я ж е с т и с у д н а?

17. Что называется ц е н т р о м в е л и ч и н ы?

18. Что называются о с н о в н ы м и у р а в н е н и я м и п л а в у ч е с т и?