Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Здатність плаваючого тіла при порушенні рівноваги повертатися в стан рівноваги при усуненні причин, що викликали відхилення, називається стійкістю плаваючого тіла.
Поняття стійкості може бути застосовано як до тіл, повністю зануреним в рідину (що знаходиться в підводному положенні), так і до тіл, що плавають на поверхні рідини.
На тіло, що знаходиться в рідині, діють сила тяжіння і гідростатична (архимедова) виштовхує сила з боку рідини. Точка прикладання сили тяжіння тіла - центр ваги. Точкою виштовхує сили є центр тиску D. Центр тиску в загальному випадку не збігається з центром ваги тіла C. Центр тиску - це центр ваги обсягу рідини, витісненої зануреної в рідину частиною тіла. Його положення залежить від форми підводної частини тіла. Положення центра ваги самого плаваючого тіла залежить від розподілу в ньому мас. У разі плавання судна положення центра ваги визначається сукупністю мас корпусу судна, надбудов, встановленого обладнання, вантажу, палива, людей. Змінюючи розташування обладнання або вантажу, можна змінити положення центра ваги судна.
Визначимо умови сталого плавання тел.
Розглянемо випадок підводного плавання тіл (рис. 2.14).
У положенні рівноваги (рис. 2.14.а) центр тиску D і центр тяжкості C знаходяться на одній вертикалі.
При порушенні рівноважного положення стійкість плаваючого тіла залежить від взаємного розташування центру тиску і центра ваги:
· Якщо центр тиску D розташований вище центру ваги C (рис. 2.14.б), то виштовхує сила і сила тяжіння створюють момент сил, який прагне повернути тіло в положення рівноваги; отже, рівновага тіла буде стійким;
· Якщо центр тиску D розташований нижче центра ваги C (рис. 2.14.в), пара сил створює момент, що збільшує відхилення тіла від положення рівноваги (перекидаючий момент); стійкість відсутня;
· Якщо точки прикладання сили, що виштовхує і сили тяжіння збігаються (рис. 2.14.г), моменту сил не виникає, тіло продовжує перебувати в положенні байдужої рівноваги, однак у вихідне положення воно не повертається.
Таким чином, стійкістю при підводному плаванні тіло має тільки в разі, коли центр ваги тіла розташований нижче центру тиску.
Для тел (судів), що плавають на поверхні рідини, розрізняють подовжню і поперечну стійкість. Різниця полягає в площині відхилень з положення рівноваги: при поздовжньої стійкості суду повертаються в пряме положення з відхилень, що відбуваються в поздовжньої діаметральноїплощині, т. Е. З дифферента. при поперечної стійкості відхилення відбуваються в поперечної діаметральноїплощині, суду повертаються в пряме положення з крену.
Розглянемо умови поперечної стійкості. Будемо вважати, що вантажі на судні закріплені нерухомо, тому при крен судна положення його центра ваги по відношенню до корпусу залишається незмінним. Інша працювати з центром тиску. Нагадаємо, що центр тиску - це центр ваги обсягу рідини, витісненої зануреної в рідину частиною тіла, його положення залежить від форми підводної частини тіла. При крен судна змінюється форма підводного його частини і відповідно змінюється положення центру тиску (рис. 2.15).
Як видно з рис. 2.15.а при нахилі судна вантажна ватерлінія AB переходить в стан. При цьому клинчастий обсяг корпусу судна переходить з підводного положення в надводна, а рівний йому обсяг йде під поверхню води. Загальний обсяг витісненої рідини при цьому не змінюється, однак права (поринула) половина корпусу витісняє тепер рідини більше, ніж ліва, симетрія порушується. Тому центр тиску D зміщується з осі в сторону поринула частини (в точку). При малих кутах крену (10 ° - 15 °) зміщення центру тиску відбувається таким чином, як якщо б центр тиску перемістився по дузі кола з центром в точці M. лежить на осі корпусу судна.
Ця точка називається метацентром. При малих кутах крену положення метацентра визначається перетином лінії дії сили Архімеда P з віссю симетрії корпусу.
Якщо центр ваги судна C розташований нижче центру тиску D (рис. 2.15.а) при крен судна сила тяжіння і підйомна сила утворюють пару сил, які прагнуть повернути судно в рівноважний стан, судно стійко.
Якщо центр ваги розташовується не тільки вище центру тиску, а й вище метацентра (рис. 2.15.б) сила тяжіння і підйомна сила утворюють пару, яка прагне привернути судно. Умови стійкості не виконуються.
Якщо центр ваги судна розташований вище центру тиску, але нижче метацентра (рис. 2.15.в), що утворюється при нахилі пара сил повертає судно в початкове положення, стійкість забезпечена.
Таким чином, для забезпечення стійкості судна слід дотримуватися наступної умови: центр ваги судна повинен розташовуватися нижче метацентра.
У реальних судів при нормальних умовах роботи забезпечується саме випадок, коли центр ваги розташовується вище центру тиску, але нижче метацентра.
Відстань між метацентром і центром тиску rm (рис. 2.15.в) називається метацентричної радіусом, перевищення метацентра над центром тяжіння судна hm називається метацентрической висотою. Нагадаємо (формула (2.14)), що відстань між центром ваги і центром тиску називається ексцентриситетом тиску e.
Тоді умова стійкості судна можна записати так:
т. е. ексцентриситет тиску повинен бути менше метацентричної радіусу. Інакше кажучи,
метацентрическая висота повинна бути величиною позитивною.
Знаючи метацентричної висоту і водотоннажність судна (яке визначається величиною сили, що виштовхує P) можна для кожного малого кута крену визначити величину моменту, що повертає судно в положення рівноваги:
де - кут крену, - метацентричної момент.
Для кутів крену великих 15 ° користуватися цією формулою можна, так як при великих кутах метацентр вже не лежить на осі симетрії плавання. Залежність метацентричної моменту від кута крену при великих визначають дослідним шляхом і подають як графіка.
У випадках поздовжньої стійкості, т. Е. Повернення плаваючих судів в пряме положення з дифферента, виявляється, що метацентричної радіус rm завжди буває великим, тому поздовжня стійкість плаваючих судів завжди забезпечується.