УТВЕРЖДАЮ

Начальник военной кафедры №3

капитан 1 ранга

В.Гуляков

«____» __________ 2015 года.

Л е к ц и я

ВУС	072302, 211000, 122100
Дисциплина	Тактика ВМФ и общая военно-морская подготовка
Раздел № 2	Устройство и живучесть корабля
Тема № 3	Мореходные качества корабля
Занятие № 3.8	Остойчивость корабля
Форма проведения	Лекция

Учебные цели:

1. Изучить основные понятия об остойчивости корабля.

2. Изучить понятия об остойчивости корабля на больших углах наклонения.

Вопросы:

1. Начальная остойчивость корабля.

2. Понятие об остойчивости корабля при больших углах наклонения.

Литература:

1. А.И. Самолетов, И.И. Украинцев. Учебное пособие: «Устройство и живучесть надводного корабля». Военное издательство, г. Москва, 1987 г.

2. Л.А. Новиков, М.И. Житницкий . Л.Л. Асмус, А.А. Елхин, «Теория, устройство и живучесть корабля», г. Ленинград, 1987 г.

3. С.М. Вилков, Н.Ф. Гришин, Л.А. Новиков, Учебное пособие: «Устройство надводного корабля», ВВМУ им. Ф.Э.Дзержинского, г. Ленинград, 1979 г.

Задание на самоподготовку:

1. Изучить:

- меры начальной остойчивости корабля.

- определение остойчивости корабля по диаграммам статической и динамической остойчивости.

Вопрос № 1: «Начальная остойчивость корабля».

1. «Остойчивость корабля».

Остойчивостью - называется способность свободно плавающего корабля, выведенного из положения равновесия воздействием внешних сил, вновь возвращаться в первоначальное положение после прекращения действия этих сил.

Различают продольную и поперечную остойчивости. Поперечная остойчивость связана с углами крена, продольная – с углами дифферента.

Определение остойчивости корабля проводят при малых и больших углах наклонения. К малым углам наклонения относятся углы крена θ до 10-12° и углы дифферента ψ до 2-3°.

В зависимости от характера внешних сил, выводящих корабль из положения равновесия, различают остойчивости статическую и динамическую. При статической остойчивости наклоняющие корабль силы не вызывают значительных угловых ускорений и ими на практике можно пренебречь. Если наклоняющие корабль силы вызывают значительные угловые ускорения, то остойчивость корабля при этом называют динамической.

2. «Начальная остойчивость корабля».

Остойчивость на малых углах наклонения называют начальной остойчивостью.

При определении начальной остойчивости принимаются следующие допущения:

- наклонения равнообъемны, т. е. объемы, входящие в воду и выходящие из воды при наклонениях, равны между собой;

- центр величины при наклонениях перемещается по дуге окружности;

- углы наклонения малые;

- наклонения происходят вокруг осей, проходящих через центр тяжести площади действующей ватерлинии.

3. «Поперечная остойчивость корабля».

Рассмотрим начальную поперечную остойчивость корабля (рис.1).

Рис. 1 Начальная поперечная остойчивость корабля.

Если корабль под действием внешнего кренящего момента mкр, (например, давления ветра) получит крен на угол θ, то за счет изменения формы подводной части корпуса корабля центр величины С переместится в точку C1. Выталкивающая сила γV будет приложена в точке C1 и направлена перпендикулярно к действующей ватерлинии W1L1. Что касается ЦМ корабля, то он останется в точке G, так как никаких грузов на корабль не принималось, а имеющиеся грузы не перемещались.

Таким образом, после наклонения корабля силы Р и γV перестают лежать на одной вертикали (нарушается второе условие равновесия) и образуют пару сил с плечом GК, носящим название плеча остойчивости. Момент этой пары называется восстанавливающим моментом mθ. Его величина характеризует степень остойчивости корабля:

mθ = γV · GК (1)

Если mθ стремится вернуть корабль в первоначальное положение, то корабль имеет положительную начальную остойчивость, и, наоборот, если mθ направлен в сторону mкp, то корабль имеет отрицательную начальную остойчивость.

Продолжив направление выталкивающей силы mθ до пересечения с диаметральной плоскостью, получим точку m , которая называется начальным поперечным метацентром. Для малых углов наклонения точка m занимает практически постоянное положение и является центром окружности, по которой перемещается центр величины С.

Расстояние между поперечным метацентром m и центром величины С называется поперечным метацентрическим радиусом r, а расстояние между точками m и G называется поперечной метацентрической высотой h .

При постоянном водоизмещении величина восстанавливающего момента зависит от величины плеча остойчивости GК, которую можно определить из

∆ m GК:

GК = h · sin θ (2)

Подставив значение GК в формулу (1), получим метацентрическую формулу начальной поперечной остойчивости:

mθ = γV h sin θ (3)

Из формулы (3) видно, что величина восстанавливающего момента находится в прямой зависимости от метацентрической высоты h. Следовательно, величина h может служить мерой начальной остойчивости корабля. Значение h для различных классов кораблей находится в пределах от 0.5 до 5 м.

4. «Продольная остойчивость корабля».

Аналогично выводился метацентрическая формула начальной продольной остойчивости (рис.2).

Рис. 2 Начальная продольная остойчивость корабля.

Формула для продольного восстанавливающего момента будет иметь вид:

mψ = γV Н sin ψ (4)

Следует отметить, что величина Н в 50-100 раз больше h и составляет обычно 2-3 длины корабля. В связи с этим продольная остойчивость корабля во много раз больше поперечной.

Значения метацентрических высот для типовых водоизмещений кораблей приводится в их тактических формулах.

Учитывая то, что углы θ и ψ малы, формулы (3) и (4) можно переписать в виде:

mθ ≈ γV h θ (5)

mψ ≈ γV Н ψ (5)

Из этих формул легко получить значения углов крена и дифферента:

θ°≈ 57,3 (mθ/ γV h ); (6)

ψ°≈ 57,3 (mψ / γV Н ). (6)

Из рис. 1 и 2 видно, что:

h = r - a; (7)

H = R-a; (7)

где а - возвышение ЦМ над ЦВ.

Метацентрические радиусы могут быть определены по формулам:

r = Јх/V; r ≈ 1/δ ( 0,0902 α – 0,0200 ) (В²/Т) (8)

R = Ју/V;R ≈ 1/δ ( 0,1070 α – 0,0378 ) (L²/Т) (8)

где

- Jx, Jy - центральные моменты инерции площади действующей ватерлинии относительно оси х и у соответственно, м4;

- α, δ - коэффициенты теоретического чертежа;

- L, В, Т - главные размерения корабля, м.

Если подставить значения h и Н в метацентрические формулы начальной остойчивости (5) и учесть, что γV = Р, то они примут следующий вид:

mθ = γV (r – а) θ = γ Jx θ – Р а θ (9)

mψ = γV (R – а) ψ = γ Jу ψ – Р а ψ (9)

Из этих формул видно, что восстанавливающие моменты могут быть представлены в виде алгебраической суммы двух моментов, каждый их которых имеет конкретный физический смысл.

5. «Моменты остойчивости формы и веса».

Первые слагаемые в формулах (9) представляют собой моменты остойчивости формы mθf и mψf , так как они появляются в результате изменения формы погруженного объема корабля. В следствии удлиненности корабля Jy в 50-100 раз больше Jx. Поэтому при малом наклонении корабля в продольной плоскости возникает mψf в 50-100 раз больший mθf.

Вторые слагаемые в формулах (9) представляют собой моменты остойчивости веса, так как определяются силой тяжести корабля Р и размещением на нем грузов по вертикали, поскольку это размещение определяет аппликату ЦМ корабля z_g(a = z_g- z_c).

Моменты остойчивости веса mθр и mψр в большинстве случаев отрицательны, направлены в сторону наклонения и ухудшают остойчивость корабля.

Это объясняется тем, что у надводных кораблей ЦМ, как правило, находится выше его ЦВ. Относительная роль моментов остойчивости формы и веса в обеспечении поперечной и продольной начальной остойчивости корабля резко неравномерна. Так для надводных кораблей в обычных условиях mθр составляет значительную долю от mθf и действует в сторону наклонения. Поэтому поперечный восстанавливающий момент mθ≈0,2mθf. При наклонениях в продольной плоскости mψр имеет то же значение (при равных углах наклонения), что и при наклонениях в поперечной плоскости, тогда как mψf возрастает в 50-100 раз. Благодаря этому, при наклонениях в продольные плоскости mψр составляет всего лишь 1-3% от mψf и продольный восстанавливающий момент mψ практически равен моменту остойчивости формы mψf.

Следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации при данном водоизмещении корабль плавает по определенную ватерлинию, имеет определенные моменты инерции Jx и Jy и вполне определенные моменты остойчивости формы mθf и mψf. Поэтому изменить поперечную остойчивость при данном водоизмещении на построенном корабле можно лишь за счет момента остойчивости веса mθр, иначе говоря, за счет изменения размещения грузов на нем по вертикали. Продольная же остойчивость при данном водоизмещении практически не зависит от размещения на корабле грузов.

6. «Меры начальной остойчивости».

Для количественной оценки начальной остойчивости используются меры начальной остойчивости.

Для поперечных и продольных наклонений мерами начальной остойчивости являются восстанавливающие моменты mθ и mψ, коэффициенты остойчивости к и К и метацентрические высоты h и Н.

Использовать восстанавливающий момент в качестве меры начальной остойчивости не совсем удобно, поскольку он зависит от угла крена и каждому наклонению корабля будет соответствовать свой восстанавливающий момент. Поэтому для оценки остойчивости в практике используется величина восстанавливающего момента, приходящаяся на один градус наклонения:

mθ/ θ = (D h θ)/ θ = D h тм (10)

mψ/ ψ = (D Н ψ)/ ψ = D Н тм (11)

Эта величина, представляющая собой произведение начальной метацентрической высоты (поперечной или продольной) на отвечающее ей весовое водоизмещение корабля, носит название коэффициента начальной остойчивости.