Е. Морозов - Что такое остойчивость
Обзор книги Е. Морозов - Что такое остойчивость
Е. А. Морозов
Что такое остойчивость
«…Осторожней! – пискнул одноглазый капитан. Но было уже поздно. Слишком много любителей скопилось на правом борту васюкинского дредноута. Переменив центр тяжести, барка не стала колебаться и в полном соответствии с законами физики перевернулась».
Этот эпизод из классической литературы может быть использован как наглядный пример потери остойчивости от перемещения центра тяжести из-за скопления пассажиров на одном борту. Не всегда, к сожалению, дело ограничивается забавным купанием: потеря остойчивости нередко приводит к гибели судна, а зачастую и людей, иногда – по нескольку сот человек одновременно (вспомним совсем еще недавнюю трагедию – гибель теплохода «Булгария»… – прим. ред.).
В истории мирового судостроения зарегистрирован ряд случаев, подобных происшедшему в начале века с американским многопалубным речным пароходом «Генерал Слокам». Его конструкторы предусмотрели все для удобства пассажиров, но не проверили, как будет судно вести себя, если сразу все 700 его обитателей поднимутся на верхнюю прогулочную палубу и одновременно подойдут к борту, чтобы полюбоваться открывшимся видом…
Потеря остойчивости – одна из наиболее распространенных причин аварий малых судов. Вот почему каждый из капитанов, независимо от того, как выглядит его судно – байдарка это или, скажем, водоизмещающий катер, каждый из тех, кто отдыхает на воде, должен иметь представление о «законах физики», незнание которых дорого обошлось васюкинцам. Другими словами, о том мореходном качестве судна, которое кораблестроители называют остойчивостью.
Остойчивость – это способность судна сопротивляться кренящему действию внешних сил и возвращаться в прямое положение после прекращения этого действия. Появился этот термин у нас в XVIII веке, когда Россия стала морской державой; по происхождению и по смыслу он является разновидностью распространенного слова «устойчивость».
С устойчивостью равновесия мы постоянно сталкиваемся в быту. Для нас не секрет, что стул опрокинуть легче, чем диван; а пустой шкаф – легче, чем заполненный книгами. Кантуя тяжелый ящик через ребро, мы сначала прикладываем наибольшее усилие, потом нам становится легче и, наконец, когда условная линия, проведенная вертикально через центр тяжести ящика, пройдет над ребром, ящик переворачивается уже сам, без нашего участия. Убедившись, что низкий широкий ящик труднее перекантовать, чем высокий и узкий, а тяжелый – труднее, чем легкий, мы можем прийти к выводу, что устойчивость тела на твердой поверхности определяется его весом и расстоянием по горизонтали от центра тяжести до края опорной плоскости – плечом рычага. Чем больше вес и плечо, тем устойчивее тело.
Устойчивость твердого тела.
На примере кантования ящика наглядно показана роль плеча L – расстояния от ЦТ ящика до точки, вокруг которой производится поворот. Низкий и широкий ящик (1) кантовать труднее, чем узкий и высокий того же веса Р (2); плечо L › L1, угол поворота α › α1.
Этот простой закон действителен и для плавающего судна, но здесь дело осложняется тем, что вместо твердой поверхности опорой для «переворачиваемого» судна служит вода. В принципе, как и в только что описанном случае, остойчивость судна определяется его весом и плечом – взаимным расположением точек приложения двух сил.
Одна из них – это и есть вес, т. е. сила тяжести, приложенная в центре тяжести судна (ЦТ) и всегда направленная вертикально вниз.
Другая – сила плавучести или сила поддержания. По закону Архимеда для плавающего судна эта сила по величине равна силе тяжести, но направлена вертикально вверх. Точка приложения равнодействующей сил поддержания и есть точка опоры судна! Находится эта точка в центре погруженного в воду объема корпуса и называется центром плавучести или центром величины (ЦВ).
Когда судно свободно плавает в прямом положении, ЦВ всегда находится на одной вертикали с ЦТ, а действующие на судно равные и противоположно направленные силы уравновешены. Но вот на судно начали действовать кренящие силы. Это не обязательно перемещение пассажиров; это может быть порыв ветра или, если речь идет о яхте, просто давление его на паруса, крутая волна, рывок буксирного троса, центробежная сила на крутой циркуляции, подъем купальщика из воды через борт и т. п. и т. д.
Действие момента этой кренящей силы, т. е. кренящего момента, наклоняет – кренит судно. При этом ЦТ судна положения не меняет, если, конечно, это не тот самый «васюкинский» случай и на судне нет таких грузов, которые могут переместиться в сторону наклона. Поскольку и при крене судно продолжает плавать, т. е. продолжает действовать закон Архимеда, увеличению погруженного объема со стороны входящего в воду борта соответствует равное уменьшение погруженного объема с противоположного, выходящего из воды борта. Не будем забывать: вес судна от действия кренящего момента не изменяется; следовательно, и общая величина погруженного объема должна остаться неизменной!
Взаиморасположение точек приложения равнодействующих сил тяжести (ЦТ) и сил поддержания (ЦВ).
1 – плавающее судно не имеет крена. Силы тяжести и поддержания взаимоуравновешены, ЦТ и ЦВ расположены в диаметральной плоскости судна;
2 – при крене под действием каких-то внешних сил (светлая стрелка слева) в воду вошел дополнительный объем (заштрихован), ЦВ сместился в новое положение, образовался восстанавливающий момент сил; судно сохраняет остойчивость.
L – плечо остойчивости.
Из-за этого перераспределения подводного объема положение ЦВ изменяется – он отходит в сторону накренения судна; в результате возникает момент сил поддержания, стремящийся восстановить прямое положение судна и поэтому называемый восстанавливающим моментом.
Пока судно остойчивость сохраняет, восстанавливающий момент, возрастая по мере увеличения крена, становится равен моменту кренящему и, поскольку он направлен в противоположную сторону, полностью «парализует» его действие. Это значит, что, если величина кренящих сил больше не изменится, судно так и будет плавать с постоянным креном; если же действие кренящих сил прекратится и кренящего момента не станет, восстанавливающий момент немедленно спрямит судно.
Обратившись к схеме 2, мы можем предположить, что величина возникающего при крене восстанавливающего момента будет тем больше, чем больше плечо – расстояние по горизонтали между новым положением ЦВ и неизменным положением ЦТ; поэтому оно и называется плечом остойчивости. Пока есть это плечо – действует восстанавливающий момент – судно сохраняет остойчивость, но как только при дальнейшем нарастании крена плечо исчезнет – ЦВ окажется на одной вертикали с ЦТ, никаких дальнейших усилий для опрокидывания судна уже не потребуется, оно остойчивость потеряет – опрокинется.
Чем дальше в сторону наклонения может уходить центр величины – чем больше плечо остойчивости, тем труднее перевернуть судно, т. е. тем оно остойчивее. Именно поэтому широкое судно всегда будет заметно остойчивее узкого. На четырехвесельном яле, имеющем ширину 1,6 м, гребцы могут вставать и ходить без особого риска, а вот на академической восьмерке шириной 0,7 м достаточно одному гребцу сильнее упереться ногой или чуть выше поднять весло, чтобы возник угрожающий крен!
Особенно важно иметь достаточную ширину на самых малых судах. Заметно влияет на их остойчивость и полнота ватерлинии, т. е. показатель того, какую долю прямоугольника, стороны которого составлены максимальной длиной и шириной, занимает площадь действующей ватерлинии. При прочих равных условиях суда с большей полнотой ватерлинии всегда остойчивее тех, у которых ватерлинии в носу и корме острые.
Ватерлиния тузика.
Большая полнота ватерлинии является одной из важных мер обеспечения остойчивости.
Остойчивость, особенно при малых углах наклонения, во многом зависит и от формы корпуса – от распределения объемов подводной части корпуса. Ведь, в конечном счете, остойчивость определяется не просто шириной действующей ватерлинии, а положением «точки опоры» – центра фактически погруженного объема.
С точки зрения остойчивости наименее выгодны полукруглые сечения, по условиям ходкости часто применяемые для водоизмещающих судов; близкие к полукруглому сечения имеют корпуса гребных академических лодок, а также относительно узких и длинных катеров, не рассчитанных на глиссирование. Прямоугольное сечение обладает более высокими характеристиками начальной остойчивости; такого рода сечения делают на лодках минимальной длины – тузиках и челноках-плоскодонках. Если же раздвинуть подводные объемы к бортам за счет уменьшения осадки (и объема) в средней части, остойчивость выиграет еще больше: подобную форму имеют корпуса таких новейших универсальных малых лодок, как, например, «Спортиак» и «Дельфин».
