Плавучість

Матеріал з Вікі-знання або навчання 2.0 в ТНТУ
Перейти до: навігація, пошук
Плавучість

Плавучість - здатність тіла плавати в заданому положенні відносно поверхні води при певній вазі LaTeX: G.

Плавучість - одна з морехідних якостей наукової дисципліни "Теорія корабля" і відноситься до розділу «Статика корабля».

Теорія плавання тіл базується на законі Архімеда.

Зміст

Закон Архімеда

Закон можна сформулювати так: на будь-яке тіло, яке повністю або частково занурене в рідину, діє

вертикальна і спрямована вгору виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі витісненої рідини.


Ця сила називається Архімедовою або підйомною силою. Закон відкрив давногрецький математик і механік Архімед.


Записати його можна у вигляді LaTeX: P=\rho gW;

(де LaTeX: W - об'єм тіла).

Випадки

Рисунок 1

З викладеного зрозуміло, що можуть існувати такі випадки:

  • LaTeX: G>P - тіло тоне;
  • LaTeX: G=P - тіло плаває в зануреному стані;
  • LaTeX: G<P - тіло спливає і плаває на поверхні;

(де LaTeX: P - підйомна сила).


При плаванні неоднорідного тіла в зануреному стані можливі такі три випадки рівноваги:

  • Стійка рівновага тіла (рис. 1, а);
  • Нестійка рівновага тіла (рис. 1, б);
  • Байдужа рівновага тіла (рис. 1, в).


Якщо центр ваги LaTeX: C (рис. 1, а) буде нижчим точки LaTeX: D центру водотоннажності, то рівновага тіла є стійкою, оскільки пара сил LaTeX: G і LaTeX: P намагається повернути тіло в початкове положення.

Коли ж центр ваги розміщений вище центра водотоннажності (рис. 1, б), то рівновага є нестійкою; при виведені тіла зовнішньою силою в рівновагу воно до початкового положення не повертається. Для однорідного тіла в зануреному стані центр ваги LaTeX: G і центр водотоннажності LaTeX: D збігаються, і тіло може перебувати в рівновазі у довільному положенні.

Основні положення

Осадка судна

Положення судна відносно води називають посадкою.


Посадка судна характеризується трьома параметрами:

  • Середньою осадкою LaTeX: {{d}_{CP}};
  • Креном LaTeX: {{\Theta }^{0}};
Крен судна
  • Диферентом LaTeX: t в м.
Диферент судна
Кренометр


Осадка судна - глибина, на яку судно занурюється у воду.

Крен - поперечний нахил судна.

Диферент - кут поздовжнього нахилу судна, що викликаний різницею осадки носу і корми.


Середня осадка судна визначається по маркам заглиблення на міделі судна.

Формула для визначення середньої осадки (японська):

LaTeX: {{d}_{CP}}=\frac{{{d}_{H}}+6{{d}_{CP}}+{{d}_{K}}}{8};

(де LaTeX: {{d}_{H}}, LaTeX: {{d}_{CP}} та LaTeX: {{d}_{K}} осадка судна носом, на міделі і кормою).


Крен визначається кренометром.

Якщо є заміри осадок на міделі з правого і лівого бортів, то крен судна визначається за формулою:

LaTeX: {{\Theta }^{0}}=\frac{{{d}_{PrB}}-{{d}_{LB}}}{B}\times 57.3{}^\circ ;

(де LaTeX: B – ширина судна).


Диферент:

LaTeX: t={{d}_{H}}-{{d}_{K}}.

Умова плавучості і рівноваги

Розглянемо сили, що діють на верхню і нижню основу зануреного в воду прямокутного циліндра:

Сили тяжіння підтримки.png

На верхню основу діють сили: LaTeX: {{P}_{1}}=\rho {{h}_{1}}{{S}_{1}}, на нижню: LaTeX: {{P}_{2}}=\rho {{h}_{2}}{{S}_{2}}.

Рівнодійна сил, що діють на верхню і нижню основи буде визначатися:

LaTeX: \Delta ={{P}_{2}}-{{P}_{1}}=\rho S({{h}_{2}}-{{h}_{1}})=\rho S\Delta h=\rho V.

В теорії корабля сила LaTeX: \Delta =\rho V називається силою підтримки або силою плавучості.


На судно на тихій воді діють дві системи сил: сили тяжіння і сили підтримки.

Судно в рівновазі
Судно в рівновазі без диферента
Судно в рівновазі з диферентом

1. Сили тяжіння. Їх рівнодійна LaTeX: P направлена вертикально вниз (до центру тяжіння Землі) і прикладена до центру тяжіння судна (точка LaTeX: G), і визначається: LaTeX: P={{p}_{0}}+{{p}_{1}}+{{p}_{2}}+{{p}_{3}}+...+{{p}_{n}};

(де LaTeX: {{p}_{0}} - маса порожнього судна; LaTeX: {{p}_{1}}, LaTeX: {{p}_{2}}, LaTeX: {{p}_{3}}... LaTeX: {{p}_{n}} - маси вантажів, прийнятих на судно і не входять в масу порожнього судна).

Положення точки LaTeX: G (координати центру тяжіння судна) визначається методами, які будуть розглянуті нижче.

Сили що діють.png

2. Сили підтримки (або сили гідростатичного тиску). Їх рівнодійна LaTeX: \Delta направлена вертикально вгору і прикладена до центру тяжіння підводного об'єму (точка LaTeX: C).

Центр тяжіння об'єму, витісненого судном, називається центром величини (цв).

Положення точки LaTeX: C визначається для заданої осадки за допомогою кривих елементів теоретичного кресленика.

Величина сили LaTeX: \Delta визначається: LaTeX: \Delta =\rho kV;

(де LaTeX: \rho - щільність води, LaTeX: k - коефіцієнт, який займає обшивка і виступаючі частини, в - теоретичний обєм, витіснений судном, без врахування обшивки і виступаючих частин).


Рівновазі судна на тихій воді повинні відповідати такі умови:

  • Перша умова. Сили тяжіння (LaTeX: P) і сили підтримки (LaTeX: \Delta ) повинні бути рівними: LaTeX: P=\Delta або LaTeX: P=\Delta =\rho V.

Якщо, наприклад, одна з сил стане більшою (наприклад, вага судна зросте при прийомі баласту чи нового грузу), то під дією надлишку сили ваги судно буде занурюватись, поки сили підтримки які зростають з глибиною не врівноважать надлишок сил і знову LaTeX: {{P}_{1}}={{\Delta }_{1}}=\rho {{V}_{1}}.

  • Друга умова (за відсутності зовнішніх моментів). Центр тяжіння (точка LaTeX: G) і центр величини (точка LaTeX: C) повинні знаходитись на одній вертикалі.

Умова відсутності диференту: LaTeX: {{x}_{g}}={{x}_{c}}.

Диферент (і крен) викликаються зміщенням центру тяжіння судна. Наприклад, при переміщенні грузу на плече LaTeX: {{l}_{x}} центр тяжіння судна переміститься з точки LaTeX: {{G}_{1}} в точку LaTeX: {{G}_{2}} на плече LaTeX: \Delta x і момент LaTeX: {{M}_{dif}}={{\Delta }_{\Delta {{x}_{g}}}} (добре видно на рис. Судно в рівновазі без диферента) поверне судно навкруг центру тяжіння площі ватерлінії, зміниться форма підводного об'єму і умова рівноваги наступить, коли новий центр величини (точка LaTeX: {{C}_{2}}) прийде під новий центр тяжіння.

Запас плавучості

Запас плавучості

Запас плавучості судна – це маса додаткового вантажу, який може прийняти судно аж до повної втрати плавучості.

Він визначається непроникним для води об’ємом судна вище вантажної ватерлінії.


Його можна виразити в кубічних метрах (LaTeX: \Delta V,{{m}^{3}}), в тонах (LaTeX: \rho \Delta V), у відсотках від повного водозаміщення судна.

Для судна, зануреного по квл, запас плавучості визначають за формулою: LaTeX: ZP={{V}_{gran}}-{{V}_{pov}};

(де LaTeX: {{V}_{gran}} - водозаміщення судна, яке занурене на граничний рівень ватерлінії, яка проходить по верхній кромці палубної лінії; LaTeX: {{V}_{pov}} - повне водозаміщення судна при зануренні по гвл).


Запас плавучості судна необхідний для забезпечення вимог до остійності. Окрім того запас плавучості необхідний для забезпечення непотоплюваності в разі попадання води всередину корпусу. Запас плавучості судна в першу чергу забезпечується висотою надводного борту. Кожне судно має мати певний запас плавучості, який має велике значення при плаванні в штормових умовах, при обледенінні, при пошкодженні корпуса і повному (або частковому) затопленні відсіків судна.


Зі збільшенням диференту і крену запас плавучості зменшується.

Сідловатість, герметичні надбудови і рубки та інші приміщення, які розташовані вище палубної лінії, збільшують запас плавучості.


Мінімальна висота надводного борту визначається в усьому світі однаково згідно з «Міжнародною конвенцією про вантажну марку» 1966 року в залежності від типу судна, його довжини, довжини надбудови і інших параметрів.

Вантажна марка

Будова вантажної марки
Вантажна марка на судні

Вантажна марка - це спеціальний знак, який наноситься на обидва борти судна в районі міделя для контролю за висотою надводного борту.

Вантажна маркаа.png

Вантажна марка визначає рівень, до якого судно може бути безпечно навантажене. При завантаженні судна воно сідає глибше у воду і відмітка опускається ближче до поверхні води.

Вертикальна відстань на міделі від верхньої кромки палубної лінії до центру грузової марки повинна бути рівна висоті літнього надводного борту в морській воді.


Знак вантажної марки складається з палубної лінії, диску Плимсоля і гребінки осадок.


Буквами позначені лінії гребінок, які відповідають осадкам при плаванні в різних умовах:

  • Л (S) - плавання літом в солоній воді.
  • З (W) - плавання зимою в солоній воді. Надводний борт збільшений (часті шторми, можливість обледеніння).
  • ЗСА (WNA) - плавання зимою в Північній Атлантиці.
  • Т (Т) - плавання в тропіках в солоній воді. Допускається зменшення надводного борту.
  • П (F) - плавання в прісній воді щільністю LaTeX: \rho = 1000 т/м3
  • ТП (TF) - плавання в тропіках в прісній воді.


На рисунку зображено вантажні марки:

а) обмеженого району плавання;

б) необмеженого району плавання.

Райони плавання.png

На лісовозах наявність палубного вантажу сприяє більшій плавучості, тому на них допускається менша висота надводного борту. Вона контролюється спеціальною грузовою маркою, яка має такі ж позначення, лише з додаванням букви Л. Для вимірювання осадки судна користуються марками заглиблення, які наносять на обидва борти судна в носі і на кормі, а іноді в районі міделя. Осадка на марках заглиблення наноситься в дециметрах і позначається арабськими цифрами або в фунтах і позначається римськими цифрами. Ці цифри показують відстань від зовнішньої поверхні горизонтального килю.

Посилання

Наочне зображення плавучості

Список використаних джерел

1. Гідравліка. Загальний курс - Львів: Світ, 1994. - 264 с. - ISBN 5-7773-0158-4

2. Будова та теорія водотонажних суден - Херсон: В. І. Прадюх, 2013. - 146 с.

3. Плавучесть и остойчевость промисловых судов. - М.: Мир. 2003. - 272 с. - ISBN 5-03-003668-7

4. Энциклопедия судов / Под общ. ред. проф. Н.Б. Слижевского. - Николаев: НУК, 2005. - 172 с. - ISBN 966-321-032-X

5. Грузовая марка морских судов/ А.И. Новиков, В.Г Зиньковский-Горбатенко: Учебное пособие, - Севастополь: Издатель Кручинин Л.Ю., 2006 - 160 с. - ISBN 966-8389-17-4

6. Статика корабля: Учебное пособие / В.В Луговский, Б.В. Мирохин, В.В Рождественский. - 2-е мзд., перераб. и доп. СПб.: Судостроение, 2005. - 256 с. - ISBN 5-7355-0634-X

7. https://uk.wikipedia.org/wiki/Плавучість

3. https://uk.wikipedia.org/wiki/Ватерлінія

Особисті інструменти
Google AdSense
реклама