Влияние условий плавания на остойчивость судна

3.12.1 Статическое и динамическое давление ветра. Давление ветра на судно распределяется неравномерно и зависит от высоты расположения данной части судна над уровнем моря, степени ее обтекаемости и направления ветра по отношению к судну. На практике, принято считать, что давление ветра приводится к одной равнодействующей силе Р_v, зависящей от давление ветра р_v и площадь парусности судна А_v.

Давление ветра принимают по таблицам, приводимой в Правилах Регистра, в зависимости от категории судна (ограниченного или неограниченного плавания).

Под площадью парусности понимают площадь проекции надводной части судна на диаметральную плоскость в прямом положении. Статическое давление ветра (рис. 3.30, а) вызывает дрейф судна, т.е. его движение в направлении, перпендикулярном ДП, с некоторой скорость V. При этом возникающие силы сопротивления воды R, с некоторым приближением, можно считать приложенным на половине осадки судна. В таком случае, плечо статического кренящего момента l_w1 равно

l_w1 = p_v A_v (z_п – d/2)/100g Δ,

или l_w1 = p_v A_v z_v /100g Δ,

где p_v- давление ветра, Па, определяемое по таблице 3 в зависимости от района плавания судна;

z_v - плечо парусности, м, принимаемое равным измеренному по вертикали расстоянию от центра площади парусности А _vдо центра площади проекции подводной части корпуса на диаметральную плоскость, или, приближенно, до середины осадки судна;

z_п - аппликата центра парусности судна над основной плоскостью

A_v - площадь парусности, м²;

Δ - водоизмещение судна, т;

g- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

Рисунок 3.30 – Определение кренящего момента при статическом

и динамическом давлении ветра.

При динамическом давлении ветра, когда при налетевшем шквале сила давления ветра Р_v прикладывается к судну практически мгновенно, силы сопротивления воды еще не успевают развиться. Поступательному перемещению судна препятствуют силы инерции самого судна Р_ин.с, равнодействующая которых приложена в ЦТ судна, и сила инерции присоединенной массы воды Р_ин.в, которую судно увлекает за собой.

Таблица 3.1

Район плавания судна	Давление ветра рv, Па
Неограниченный
Ограниченный І
Ограниченный ІІ, IIСП, IIIСП

Можно считать, что точка приложения равнодействующих инерционных сил Р_ин находится на уровне ватерлинии (рис 3.30, б), поэтому плечо кренящего момента от динамического приложенного давления ветра может быть найден по формуле

l_w1 = p_v A_v z /100g Δ,

где z - аппликата центра парусности судна над ватерлинией.

Углы крена при действии статических или динамических кренящих моментов определяется при помощи диаграммы статической остойчивости.

Рисунок 3.31 – Ветровой крен на волнении:

а) – при крене на наветренный борт;

б) – при крене на подветренный борт

3.12.2 Ветровой крен на волнении. Рассмотрим совместное влияние шквала ветра и волнения на судно (рис. 3.31), которое под действием качки наклонилось: а) на наветренный борт; б) на подветренный борт.

В первом случае на судно действуют два одинаково направленных динамических момента: восстанавливающий m_Θ1 и кренящий m_кр.дин.

Динамический угол Θ_дин крена определяется по диаграмме статической остойчивости. Наибольший динамический момент m_дин.max, который судно с заданной диаграммой статической остойчивости способно выдержать не опрокидываясь, определяется полным использованием запаса динамической остойчивости, т.е. равенством площадей АВС и СDЕ на рис. 3.31, а.

Во втором случае динамическое наклонение судна создается разностью моментов m_Θ1 и m_кр.дин, так как кренящий и восстанавливающий моменты имеют разные знаки. Определение динамического угла крена показано на рис. 3.31, б.

Как видно, во время шквального ветра динамические углы крена будут более значительными в том случае, когда на волнении судно накренилось на наветренный борт. Эта ситуация, как более опасная для судов, принимается за расчетную при нормировании их остойчивости.

3.12.3 Обледенение судов. Для судов, плавающих в зимних сезонных зонах, установленных Правилами Регистра СССР о грузовой марке, учитывают возможность обледенения, влияние которого равносильно приему высоко расположенного груза, увеличивающего водоизмещение, аппликату ЦТ и площадь парусности и ухудшающего остойчивость. Особенно опасно асимметричное обледенение, создающее кренящий момент, действие которого в условиях пониженной остойчивости может приводить к возникновению значительных углов крена.

Малые суда обмерзают сильнее, чем крупные, что объясняется большей заливаемостью и забрызгиванием их при шторме, а также более крупными относительными размерами такелажа, рангоута, комингсов люков и других надводных частей судна. Помимо этого, верхние участки корпуса малых судов обмерзают интенсивнее соответствующих участков крупных судов, что приводит к неблагоприятному распределению ледовой нагрузки. Таким образом, даже при одинаковой скорости обмерзания, обледенение тем опаснее, чем меньше судно. Статистика гибели судов от обледенения включает главным образом сравнительно небольшие промысловые суда, поэтому эксплуатация малых судов (длиной менее 20 м) в условиях возможного обледенения, как правило, не допускается.

Для судов, плавающих севернее параллели 66,3⁰ N и южнее параллели 60⁰S, а также в Беринговом и Охотском морях, в Татарском проливе, Правила Регистра устанавливают расчетные нормы обледенения. Масса льда на квадратном метре площади общей горизонтальной проекции открытых палуб, включающих сумму горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия навесов, принимают равным 30 кг. Момент по высоте горизонтальной нагрузки определяют по возвышениям ЦТ соответствующих участков палуб и переходов.

Масса льда на квадратный метр площади парусности - 15 кг. Для судов, плавающих в зимнее время в остальных районах зимней сезонной зоны, нормы обледенения принимают вдвое меньшими.

3.12.4 Попутное волнение. Движение судна на волнении может привести к значительному снижению его остойчивости. Это обусловлено тем, что сечение судна поверхностью моря – «волновая ватерлиния» не плоская. Особенно резко влияние волнения на остойчивость проявляется при попутных курсовых углах, когда скорость судна близка к скорости бега волн. На подошве волны в воду входят более полные носовые и кормовые участки корпуса (J_x - увеличивается), что приводит к увеличению остойчивости по сравнению с тихой водой. На вершине волны более полные участки корпуса наоборот выходят из воды, и поэтому остойчивость судна снижается. Можно предположить, что наибольшее изменение остойчивости происходит при равенстве длины волны λ и судна L (λ = L), но поскольку наибольшие ординаты ватерлинии, обусловленные развалом бортов, как правило, находятся на расстоянии 0,6 ¸ 0,8 L, то опасная длина волны с учетом курсового угла будет

λ» к L cos φ⁰.

Опасными значениями являются к = 0,6 ¸ 0,8 и курсовые углы φ = 0¸40⁰.

Как видно из приведенной формулы, попутное волнение наиболее опасно для малых судов. По этой причине, скорость судна Vs (в уз.), длиной менее 20 метров при ходе на попутном волнении при длине равной или превышающей ее длину, не должна быть больше вычисленной по формуле

Vs = 1,4 .