Вчення про остійності розглядає умови, при яких судно плаває у вертикальному положенні і випрямляється після нахилів. Однак морське судно повинно не тільки мати достатню остійність, а й виконувати навіть на схвильованому морі максимально плавні рухи. За достатню остійність несе відповідальність в першу чергу суднобудівна верф, а за ведення судна в штормовому морі - командування судна. Найважливіше завдання полягає в тому, щоб шляхом правильної завантаження урівняти вимоги надійності судна (достатня остійність, хороша маневреність) і вимоги економічності (використання трюмів за вантажопідйомністю та обсягом) і досягти таким чином найбільшої ефективності. Відповідальність за остійність знаходиться в море судна і за правильну завантаження завжди несе тільки капітан. Ми розглянемо тільки поперечну остійність, т. Е. Здатність судна випрямлятися при наклонениях навколо поздовжньої осі.
Як судно реагує на порушення рівноваги, викликане вітром і хвилями, залежить від положення метацентра по відношенню до центру тяжіння. Підводна частина судна змінює при нахилі навколо поздовжньої осі свою форму. Внаслідок цього точка прикладання сили підтримки (центр водотоннажності або величини) зі свого початкового положення переміщається до зануреної стороні в нове положення, відповідне куту нахилу (крену). При цьому нове і початкове напрямки дії сили, що виштовхує перетинаються в так званому «уявному метацентра». Справжнім метацентром є точка перетину двох сусідніх напрямків виштовхує сили. Ця точка при малих кутах крену (приблизно до 10 °) лежить в діаметральної площині судна, т. Е. На первинному напрямі дії сили підтримки вертикально плаваючого судна; при більшому куті нахилу вона знаходиться поза діаметральноїплощині судна на так званій еволюта. Метацентр - це точка, навколо якої вільно плаває тіло здійснює митників коливання. Момент остійності спрямляет судно до тих пір, поки центр ваги при малих кутах нахилу лежить нижче істинного метацентра і при великих кутах нахилу нижче уявного метацентра, т. Е. Поки є стійка рівновага. Якщо метацентр лежить нижче, то рівновага нестійка, т. Е. Створюється момент, який запобігає повернення судна в положення рівноваги. При збігу метацентра і центру тяжіння рівновага байдуже; не виникає ніяких моментів, які припиняють або підтримують способу. Таким чином, поперечна остійність залежить від положення центра ваги по відношенню до істинного чи уявного метацентру. Відстань між метацентром і центром тяжіння (метацентрическая висота) є, отже, мірою здатності судна до випрямлення при порушують рівновагу впливах вітру, хвиль і несиметричною завантаження.
Поперечна остійність судна - метацентр
стійка рівновага
нестійка рівновага
C або СӨ - центр величини, FA - сила підтримки, FG - вага судна, G - центр ваги судна, MC або MCө - метацентр, N - уявний метацентр, ι - плече остійності, Ө - кут крену
Момент остійності при нахилі судна навколо поздовжньої осі визначається вагою судна, положенням центра ваги і метацентра, а також кутом крену. Якщо у судна в вантажу і у судна порожньому метацентріческая висоти рівні, то спочатку, до входу кромки палуби в воду або оголення вилиці, навантажене судно буде більш стійко проти зовнішніх впливів, ніж порожнє і, отже, більш легке судно. Крім того, природно, що судно з важким палубним вантажем, у якого загальний центр ваги лежить вище, менш остійності, ніж судно, у якого важкий вантаж лежить на дні і центр ваги зміщений вниз. Положення метацентра великою мірою залежить від форми судна, а також від кута крену. Вирішальну роль відіграють при цьому ширина, висота борту і осаду судна. Якщо уявити собі два судна з різною шириною при крен в 10 °, ясно, що для способу ширшого судна потрібні великі крениться сили, ніж для способу вузького; це видно також по вхідному в воду і виходить з води клиноподібному обсягом. У широкого судна входить в воду і виходить з води обсяги, а також шлях їх переміщення (плече) більше, ніж у більш вузького судна. Відповідно різні і переміщення точки прикладання сили, що виштовхує. Зрозуміло, що у широкого судна метацентр розташований над ватерлінією вище, ніж у вузького. Широке судно, таким чином, більш остійності, ніж вузьке. З іншого боку, якщо при більшому нахилі кромка палуби входить в воду, а скула оголюється, то шлях переміщення увійшов в воду і вийшов з неї обсягів менше; отже, лінія дії підйомної сили проходить через точку прикладання сили, що виштовхує і перетинає діаметральну площину - початковий напрямок дії сили, що виштовхує - в нижчій точці, так що уявний метацентр зміщується вниз, т. е. ближче до центру ваги судна. Таким чином, остійність при зануренні кромки палуби і при виході вилиці зменшується. Але так як занурення кромки палуби залежить від висоти борту судна над ватерлінією (надводного борту), а вихід вилиці - від осадки судна, то обидва ці розмірено значною мірою визначають поперечну остійність судна при великих кутах нахилу.
Поздовжня остійність судна
C або CΨ - центр величини, FA - сила підтримки, FG - вага судна, G - центр ваги судна, ML - поздовжній метацентр, ι - плече остійності, Ψ - кут диференту.
При наклонениях судна навколо поперечної осі мають місце ті ж явища, що і при нахилі. Міра остійності навколо поперечної осі, проте, значно більше, ніж навколо поздовжньої. Це пояснюється величиною вхідного в воду і виходить з води обсягів, а також шляхи їх переміщення. Тому перенесення вантажів в поздовжньому напрямку судна не має такого великого значення, як перенесення в поперечному, і кути дифферента при хвилюванні значно менше, ніж кути крену. Від дифферента залежать швидкість судна і його маневреність. Кут дифферента вибирається не довільно великим, а підтримується в певних межах шляхом відповідного розподілу вантажу. Як правило, суду ходять на рівному кілі або з легким дифферентом на корму. У повністю занурених плаваючих тіл - підводних човнів - стійка рівновага навколо поздовжньої і поперечної осей можливо тільки тоді, коли центр ваги лежить нижче центру водотоннажності. При цьому момент остійності навколо всіх осей однаковий, так як у повністю занурених у воду тел при будь-якому нахилі не виникає змін форми витісняє обсягу і, отже, не може бути зміщення центру водотоннажності. На хвилюванні форма витісняє обсягу постійно змінюється, а разом з нею змінюються положення точки прикладання сили, що виштовхує і, отже, відстань між метацентром і центром тяжіння. Коли вершина хвилі проходить під серединою судна, метацентр лежить значно нижче, ніж при спокійній воді, і, крім того, кромка палуби при нахилі занурюється раніше, так що кут заходу діаграми статичної остійності і максимальне плече зменшуються.
Поперечна остійність судна на хвилюванні
а - судно на спокійній воді, b - судно на вершині хвилі, з - судно на підошві хвилі
У судів на вершині хвилі, за умови рівності довжин і швидкостей судна і хвилі, створюються особливо несприятливі умови для збереження остійності, якщо хвилі набігають з корми. Більш сприятливі умови, ніж при спокійній воді, виникають, якщо середня частина судна знаходиться на підошві, а краю - на вершинах хвиль. Пасажирські судна для забезпечення безпеки пасажирів та екіпажу повинні розділятися по довжині водонепроникними стінками - перегородками таким чином, щоб при виникненні течі в одному або декількох відсіках судно зберігало плавучість і остійність. Якщо судно під час аварії отримає текти, вода буде проникати в які отримали пробоїни відсіки до тих пір, поки рівень води всередині і зовні зрівняється. При цьому судно занурюється глибше в тій чи іншій мірі в залежності від положення затоплених відсіків змінює кут диференту, і остійність його зменшується.
Аварійне судно
1 - затоплений відсік, C і CΨ - центр величини, FA - сила підтримки, FG - вага судна, G-центр тяжкості судна