Связь характеристик остойчивости и качки

 

Минимальный уровень остойчивости судов внутреннего и смешанного плавания регламентируется Российским Речным Регистром [8], который ограничивает наименьшее значение начальной метацентрической высоты. С другой стороны избыточная остойчивость также не желательна, поскольку она приводит к неблагоприятным параметрам бортовой качки судна.

Под качкой понимают колебательные движения судна как твердого тела при плавании его на спокойной воде или волнении. Колебательные движения возникают в том случае, если на выведенное из устойчивого равновесия тело действуют восстанавливающие силы и моменты, стремящиеся возвратить его в исходное положение равновесия. Поэтому, из шести возможных видов движения относительно координатных осей x, у и z колебания у судна могут быть только следующих трех видов: вертикальные вдоль оси z, называемые вертикальной качкой; угловые вокруг продольной оси х, называемые бортовой качкой; угловые вокруг поперечной оси у, называемые килевой или продольной качкой. Три остальные вида движения относительно координатных осей носят монотонно затухающий характер и не являются колебаниями.

Основными количественными характеристиками качки являются: период – время полного колебания и амплитуда – то есть наибольшее отклонение судна от положения равновесия. При этом для бортовой качки амплитудой является угол крена, а для килевой – угол дифферента.

Различают свободные или собственные и вынужденные колебания при указанных выше видах качки.

Свободная (собственная) качка наблюдается на тихой воде после прекращения действия сил, которые вывели судно из положения равновесия. Свободные колебания на тихой воде быстро затухают вследствие действия сил сопротивления воды.

Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления воды, что имеет место при повышении и понижении уровня воды у бортов судна при плавании его на взволнованной поверхности. Вынужденная качка продолжается длительное время и представляет наибольший практический интерес для оценки безопасности плавания судов в штормовую погоду. Однако параметры вынужденной качки тесно связаны с параметрами собственной качки судна, поэтому изучение последней также представляет интерес.

Качка оказывает вредные воздействия на судно, которые затрудняют его нормальную эксплуатацию. Эти воздействия зависят как от специфических особенностей самого судна, так и волн, с которыми оно встречается в плавании. К наиболее неблагоприятным последствиям качки относятся: снижение поперечной остойчивости, а иногда и потере ее, заливание палубы водой, возможность подмочки и повреждения груза, его смещения, снижение скорости хода, вредное воздействие на физиологическое состояние экипажа и пассажиров («морская болезнь»), ухудшение работы механизмов и приборов вследствие воздействия на них инерционных динамических нагрузок, возникающих при качке судна.

Для водоизмещающих судов при их соотношении главных размерений наиболее неблагоприятное воздействие оказывает бортовая качка. В зависимости от интенсивности колебаний различают плавную качку и порывистую. На регулярной волне, если период волны далек от периода собственных колебаний судна, находящегося лагом к волне, то оно качается с периодом волны. При совпадении периода волны с периодом собственных колебаний судна возникает резонанс, и качка становится особенно резкой. На нерегулярном волнении в моменты, когда на судно действуют волны с периодом, близким к периоду собственных колебаний судна, также возникает резонанс. Плавность качки зависит от периода собственных поперечных (бортовых) колебаний судна t. Качка считается плавной, если t > 15 сек. Если период колебания меньше 5-6 сек, то качку классифицируют как порывистую. Поэтому необходимо установить связь величины этого периода с размерениями судна. Основой для этого служит известная формула для определения периода собственных колебаний судна

 

,

(5.22)

 

где I – момент инерции массы судна относительно продольной центральной оси; DI– момент инерции присоединенной массы воды; g – ускорение свободного падения.

Момент инерции массы судна зависит от его главных размерений. Для судна, имеющего форму параллелепипеда равной массы, которая равномерно распределена по его поперечному сечению в виде прямоугольника со сторонами, равными размерениями судна В и Н, момент инерции будет

 

(5.23)

 

Для действительных судов реальное распределение масс по поперечному сечению можно учесть следующим образом

 

(5.24)

 

где а, b – имперические коэффициенты, зависящие от типа судна. По формуле Ю.А. Шиманского а = 1,05 (a ²/ d), b = 1. Г.Е. Павленко дает а = b = 0,75, по Дуайеру а = 1 и .

В общем виде (5.24) можно представить

 

.

(5.25)

 

Момент инерции присоединенной массы воды может быть представлен в долях от момента инерции судна

 

(5.26)

 

Для судов с традиционной формой корпуса в среднем k_D @ 0,25.

Подставляя (5.25) и (5.26) в (5.22) получаем

или объединив постоянные величины для рассматриваемого судна, будем иметь

 

(5.27)

 

Из полученного выражения следует, что чем больше остойчивость судна, тем меньше период собственных поперечных колебаний судна и, следовательно, поперечная качка будет более порывистая. Это позволяет заключить, что судно не только не должно иметь остойчивость ниже минимально необходимого уровня, но и избыточная остойчивость также приводит к ухудшению его мореходных качеств. В частности многие грузовые суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания из-за ограничения по глубинам судового хода имеют сравнительно небольшую осадку и большое отношение В/Т. Это приводит к избыточной их остойчивости и, как следствие, они имеют порывистую бортовую качку. Последнее не столько актуально в речных условиях, однако имеет существенное значение при плавании по крупным водохранилищам и в морских условиях.