Остойчивость

В каждой яхтенной школе вопрос остойчивости обязательно рассматривается, так как остойчивость это важнейшая характеристика судна, показывающая его мореходность. Вот такое определение остойчивости дает словарь — остойчивость это способность плавучего средства противостоять внешним силам, вызывающим его крен или дифферент и возвращаться обратно в состояние равновесия при окончании возмущающего действия.  

 

 

 

 

Крен это наклон судна на левый или правый борт, а дифферент — на нос или корму.
Возмущающее воздействие, вызывающее крен яхты, это ветер, волны, перемещение массы  — например экипажа на парусной яхте или груза на коммерческом судне.
Остойчивость судна бывает продольная и поперечная. На яхте нам важна в первую очередь поперечная, так как отношение длины яхты к её ширине обычно велико. То есть мы будем рассматривать в первую очередь способность яхты противодействовать крену.
На яхте действую силы, которые стремятся восстановить первоначальное положение яхты при крене. Восстанавливающие положение силы это силы тяжести и силы плавучести, взаимодействуя они составляют плечо остойчивости.

ostoichovost1

Важно — бывает статическая и динамическая остойчивость. Статическая остойчивость, когда сила, приложенная к судну не изменяется по величине.
Однако, во время сильного порыва ветра или сильного удара волны происходит резкое выведение яхты из положения равновесия, судно начинает крениться со все возрастающей скоростью, а восстанавливающий момент нарастает медленнее. Судно достигает какого-то максимального положения — это угол динамического крена и возвращается обратно. В этом случае динамической остойчивостью судна является способность выдерживать динамическое воздействие кренящего момента, который ещё называют опрокидывающим.

Как оценить остойчивость судна

Для оценки остойчивости судна используют коэффициент остойчивости. Коэффициент остойчивости дает четкую оценку остойчивости яхты, так как показывает сопротивление, которое оказывает судно на кренящие воздействия. Коэффициент остойчивости это первая производная восстанавливающего момента по углу наклонения.
Для того, чтобы оценить начальную остойчивость судна при малых углах крена используется так называемая метацентрическая высота. Метацентр это точка в поперечной плоскости, где сходятся линии действия сил плавучести. Эта точка при разных углах занимает разное положение, но при малых можно считать, что она неподвижна.   Метацентрическая высота это отношение коэффициента остойчивости на тонну водоизмещения.  
Нас будет интересовать в первую очередь запас остойчивости яхты, так как основной вопрос состоит в том — а перевернется ли яхта, сможет ли она вернутся обратно после переворота?

sailing-yacht3

Восстанавливающий момент в данном случае не противодействует крену, а усугубляет его. Плечо остойчивости имеет отрицательные значения.

Диаграмма остойчивости

Наглядной является диаграмма статической и динамической остойчивости, по которому можно сразу оценить мореходность судна.
Диаграммы показывают зависимость восстанавливающего момента  от угла наклонения.   Эту наглядную диаграмму ввел в обиход инженер Рид, поэтому иногда её называют ещё диаграммой Рида. Так как на диаграмме на координатах по оси Х отложены углы крена и по оси Y восстанавливающий момент, можно сразу сказать, при каком угле восстанавливающий момент наибольший, а при каком происходит опрокидывание. Также можно выяснить, вернется ли яхта в первоначальное положение или нет.  

 

ostoichovost2

Глядя на диаграмму можно скзаать, что данная яхта не перевернется, даже если её мачта будет уже под водой

Посмотрим на диаграмму. В начальной точке крен отсутствует, нет и восстанавливающего момента. Далее мы видим линию, которая поднимается плавно вверх. Её кривизна характеризует скорость нарастания восстанавливающего момента. Очень крутой график у катамаранов, это говорит о том, что накренить катамаран сложно. При равных условиях, когда яхт будет идти под парусами с углом градусов 30-40, то на самом катамаране крен будет вообще не заметен, и может составить всего 5 градусов. Кривая идет вверх и достигает точки максимума. Эта точка показывает, что при увеличении угла крена восстанавливающий момент будет падать, вплоть до точки заката, когда спрямляющий (восстанавливающий) момент упадет до нуля. Именно в этот момент яхта и перевернется. Интересно рассмотреть диаграмму и ниже нуля. Эта часть графика показывает, сколько сил надо приложить,  чтобы вернуть яхту на ровный киль. Видно, что в случае с катамараном, для этого потребуется приложить почти столько же сил, сколько и для его переворота. Часть графика для килевых яхт очень мала. Это говорит о том, что достаточно небольшого толчка, чтобы вернуть яхты в первоначальное положение.

ostoichovost3

График динамической и статической остойчивости. Видно, что кривая динамической остойчивости ниже.

Как повысить остойчивость

Для того, чтобы повысить поперечную остойчивость судна требуется увеличить плечо остойчивости. Этого можно достигнуть несколькими способами. Например увеличить ширину. Чем шире судно, тем оно остойчивее и может нести большую парусность, оказывается более энерговооруженно. Это решение нашло свое воплощение в катамаранах и  тримаранах. Это быстроходные и легкие суда, несущие большое количество парусов. Также современные гоночные яхты, особенно открытого моря, также имеют большую ширину. Следующее решение для того, чтобы добиться увеличение восстанавливающего момента  — понизить центр тяжести. Для этого в современных яхтах используются глубокие кили, где масса сосредоточена в утолщении на самом низу — бульбе. В некоторых яхтах применяются качающиеся кили и водяной балласт по бортам. Перемещение экипажа на борта яхты преследует туже цель, противодействия крену, так как скорость яхты больше, когда она идет на ровном киле. В общем случае идет борьба между увеличением остойчивости парусной яхты, её энерговооруженности и скоростными качествами. Большая бульба увеличивает вес, большая ширина дает большое значение смоченной поверхности и уменьшает скорость. Также надо учитывать и комфорт для экипажа. Слишком узкое судно может быть валким, постоянно крениться, а на слишком широкой парусной яхте может быть неуютно на волнах в открытом море.

Vaza2

Уникальный корабль 17 века — «Ваза», из-за неправильно рассчитанной остойчивости прошел менее мили, потом затонул

Есть и ещё одна опасность — силы, воздействующие на киль с бульбой велики, и небольшая ошибка в проектировании или при строительстве ведет к тому, что киль просто отваливается в море в месте крепления к корпусу, при этом яхта мгновенно переворачивается. В случае с катамаранами этого не происходит, но на них действуют огромные силы в местах крепления поплавков к балкам, также следует учитывать и дифферент яхты. Были случаи, когда на огромной скорости катамараны переворачиваются через скулу.   
Это непростая задача для конструкторов и мы постоянно видим эксперименты  с формой корпуса парусных яхт.

Add Comment