Стабільність корабля - що робить корабель нестійким
Глибокі знання про криві непошкодженої стійкості можуть допомогти нам дізнатися та проаналізувати реальні випадки нестабільності, спричинені надводними кораблями. Для кожного випадку нестабільності конструктор судна повинен спочатку знати, який вплив це може мати на корабель. Як тільки буде відомий ефект, досліджується причина нестабільності судин. На практиці основними інструментами, що використовуються для аналізу причин усіх випадків нестабільності судна, є криві стану навантаження та стійкості.
Певний рівень інтуїції, заснований на досвіді стабільності надводних кораблів, також відіграє важливу роль у виявленні причин кожного випадку, що робить стабільність ще більш цікавою сферою досліджень у галузі військово-морської архітектури.
Спочатку ми обговоримо деякі основні випадки нестабільності надводних кораблів. Після вивчення ефекту кожного з них ми побачимо, які заходи вживаються на етапах проектування та експлуатації, щоб запобігти подібним. Ми також зв’яжемо кожен із цих справ із реальними випадками, які мали місце в минулому.
Безкоштовний поверхневий ефект кораблів:
Коли будь-який резервуар або відсік частково заповнені, рух рідини (внаслідок руху судна та прокатки) призведе до зниження стійкості судна. Чому? Оскільки при нахилі судна рідина в резервуарі переміщується в нижню сторону резервуара, як показано на наступному малюнку.
Рисунок 1: Ефект вільної поверхні.
На наведеному малюнку корабельний бак простягається знизу до верхньої частини танка (показано червоним кольором) і заповнюється лише частково. Коли судно знаходиться у вертикальному положенні, вільна поверхня рідини в резервуарі відображається як AA1. Коли корабель нахиляється до певного кута нахилу (скажімо, «тета» the), вільна поверхня рідини тепер змінюється на ТТ1. Крім того, центр плавучості зміщується з "B" на "B1".
Що відбувається в результаті цього? Зверніть увагу, що коли рідина в резервуарі переходить на нижню сторону, об’єм рідини в клині між точками „А” і „Т” тепер зміщується на нижню сторону між точками А1 і Т1. Отже, в основному центр ваги цього об’єму рідини змістився з «g» на «g1».
В результаті зміни ваги в межах корабля центр ваги судна тепер зміщується з «G» на «G1». Ефект цього зсуву рідини такий, що результуюча вага всієї системи діє через віртуальну точку, яка набагато перевищує фактичний центр ваги корабля. Цей віртуальний центр ваги «GV» отримують шляхом продовження вертикальної лінії від нового центру ваги «G1» до центральної лінії корабля. Таким чином, отриманий KG збільшується, отже, зменшується метацентрична висота корабля.
Нова метацентрична висота з ефектом вільної поверхні тепер має значення „GVM”, а новий випрямляючий важіль - „GVZV”, обидва з яких значно менше вихідних значень (без ефекту вільної поверхні). Саме це зменшення метацентричної висоти або підняття КГ корабля через ефект вільної поверхні зменшує стійкість корабля або навіть може зробити його нестійким.
Це зменшення метацентричної висоти за рахунок ефекту вільної поверхні можна обчислити за таким виразом:
У наведеному вище виразі,
?L = Густина рідини в резервуарі.
?S = Густина морської води.
IL = момент площі вільної поверхні навколо поздовжньої центральної лінії танка.
=S = Масове переміщення корабля в морській воді.
З наведеного вище виразу можна зробити кілька дуже важливих висновків, які використовуються для розробки методів проектування для боротьби з вільним поверхневим ефектом на кораблях. Вони можуть бути зараховані як:
- Ефект вільної поверхні не залежить від положення резервуара. Тобто танк може знаходитись на будь-якій висоті всередині корабля або в будь-якому поздовжньому положенні, і розвиток будь-якої вільної поверхні в ньому впливатиме на корабель однаково незалежно від його розташування.
- Зменшення метацентричної висоти за рахунок ефекту вільної поверхні більше стосується щільніших рідин.
- Форма резервуара відіграє важливу роль в оцінці ефекту вільної поверхні. Це тому, що зниження стійкості корабля прямо пропорційно моменту площі вільної поверхні навколо поздовжньої центральної лінії танка. Що це означає? Менша площа поперечної поверхні вільної поверхні, менший момент інерції її площі щодо поздовжньої центральної лінії танка, менше зменшення ГМ за рахунок ефекту вільної поверхні.
Для того, щоб досягти цього, пріоритетом проектування під час проектування резервуарів є зменшення поздовжнього моменту вільної поверхні, забезпечуючи поздовжні перегородки в резервуарах з великою площею поверхні, як показано на малюнку нижче.
Рисунок 2: Поздовжній поділ ємності для зменшення ефекту вільної поверхні.
У першому випадку резервуар із шириною, такою ж, як і балка корабля (b), міг би забезпечити значно високе зниження ГМ завдяки вільній поверхні. Якщо один і той же резервуар розділити на три рівні частини, забезпечивши дві поздовжні перегородки, вільна поверхня зменшиться в куб. Разів ширини резервуару (b). Якщо ви вивчите план танків будь-якого корабля, ви помітите, що великі цистерни з паливом і прісною водою з цієї причини поділяються на відділення порту, центру та правого борту.
Ефект вільної поверхні для двох рідин:
Бувають випадки, коли в одному резервуарі міститься дві рідини, що не змішуються. У резервуарах для компенсації палива обсяг використовуваного мазуту замінюється морською водою. У бензобаки морська вода вводиться в бак, щоб запобігти залишенню місця для легкозаймистих парів. Бензин, легший за морську воду, завжди утворює верхній шар і витягується з верхньої частини бака.
Цікаве питання тут, ці баки завжди повні. Як тоді ефект вільної поверхні пов’язаний з цими випадками? Зверніть увагу на наступний малюнок.
Рисунок 3: Ефект вільної поверхні в резервуарах з двома рідинами.
Що відбувається, так це те, що поверхня розділу двох рідин виконує роль вільної поверхні. Отже, коли судно нахиляється, інтерфейс залишатиметься паралельним ватерлінії. Для того, щоб це сталося, певний об'єм важчої рідини повинен переміститися на нижню сторону корабля, замінюючи певний об'єм, який був зайнятий більш легкою рідиною. Замінений об’єм запальнички, в свою чергу, зміщується у верхню сторону. Отриманий ефект - це зсув КГ за рахунок руху рідин, що створює ефект вільної поверхні.
Ефект перекладання сухих наливних вантажів:
На суднах, що перевозять сухий вантаж оптом, як зерно, руда, вугілля тощо, навіть незважаючи на те, що поверхня вантажу після завантаження сплющена, рух кочення під час плавання, ймовірно, перерозподіляє вантаж у трюмі, змушуючи його зміщуватися в одну сторону. Це призведе до списку в одну сторону. Зараз корабель, який увійшов до списку внаслідок перевезення вантажу, вразливий до перекидання, якщо прокат збільшується до більших кутів. Насправді, як відомо, вантажоперевізники перекидаються через переміщення вантажу.