Основные понятия и определения
Качкой судна называются колебательные движения, совершаемые судном относительно положения равновесия. В основном качка возникает под действием гидродинамических сил, обусловленных возмущающим эффектом ветрового волнения.
Цель изучения качки судна и ее законов – выявить вредные последствия качки и разработать рациональные мероприятия по предотвращению или смягчению этих последствий. Степень подверженности судна качке характеризуется его мореходностью: чем меньше судно подвержено качке, тем оно более мореходное.
К вредным последствиям качки относятся: уменьшение скорости судна вследствие увеличения сопротивления воды движению судна и ухудшения режима работы движителей; возникновение добавочных усилии, вызванных силами инерции и ударами волн, что может привести к местным разрушениям корпуса и отдельных устройств судна; нарушение нормального режима работы механизмов, устройств и различных приборов вследствие воздействия сил инерции; заливание палубы, затрудняющее обслуживание механизмов и отдельных устройств, расположенных на палубе и выше нее; ухудшение условий обитаемости судна, вредное физиологическое воздействие на людей, находящихся на судне.
Ро-флоу Ville de Bordeaux
Опасными последствиями качки являются: опрокидывание судна из-за потери остойчивости в результате появления больших углов крена или значительное уменьшение остойчивости вследствие смещения грузов, приема большого количества воды на палубу и т. д.; разрушение (излом) корпуса из-за потери общей продольной прочности, как это показано на рисунках 92 – 94.
При изучении колебательных движений судна различают качку на тихой воде и качку на волнении. Свободная качка на тихой воде происходит после прекращения действия сил, которыми судно было выведено из равновесия, а затем предоставлено самому себе. Такие колебания быстро затухают вследствие действия сил сопротивления воды. Однако некоторые параметры и характеристики качки судна на тихой воде существенно влияют на параметры вынужденной качки на волнении, поэтому их необходимо изучать. Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления, возникающими при повышении и понижении уровня воды у бортов судна при плавании на взволнованной поверхности воды.
В зависимости от направления колебаний судна относительно устойчивого положения равновесия различают три вида качки:
- бортовую – вращательные колебательные движения в поперечной плоскости;
- килевую – вращательные колебательные движения в продольной плоскости;
- вертикальную – поступательные колебательные движения относительно плоскости ватерлинии, соответствующей статическому равновесию.
Такое разделение качки облегчает и упрощает ее изучение, позволяет установить основные зависимости и получить необходимые для практических целей выводы.
Ролкер Finntide
Источник: fleetphoto.ru
Качку судна, как всякое колебательное движение, характеризуют следующие параметры: амплитуда качки θ – наибольшее отклонение судна от положение равновесия; размах качки – удвоенная амплитуда или полное перемещение судна из одного крайнего положения в другое/ период качки Т – время, в течение которого судно совершает одно полное колебание; частота качки n – число полных колебаний судна за время 2 п сек. Период и частота качки связаны соотношением: Т = 2 п / n.
Качка судна на тихой воде
Качка судна на тихой воде, которая происходит после прекращения действия некоторого начального возмущения, представляет собой собственные (свободные) колебания. Рассмотрим три основные вида качки, которые на спокойной воде теоретически могут существовать независимо друг от друга: бортовую, килевую и вертикальную.
Бортовая качка. Бортовой качкой на тихой воде называют вращательное колебательное движение судна вокруг продольной оси с попеременным креном на левый и правый борта. Такую качку можно вызвать перебежкой людей по палубе с борта на борт, быстрым выносом груза стрелой или краном за борт.
Бортовая качка судна на тихой воде характеризуется амплитудой бортовой качки 0m и периодом собственных колебаний Т0:
Tθ=2·C·B√h
Где С = 0,36 – 0,43 – коэффициент, значение которого зависит от типа судна; В – ширина судна; h – метацентрическая высота. Это выражение называется капитанской формулой . Хотя ее точность относительно невелика, она, благодаря своей простоте, широко применяется, например, для определения метацентрической высоты судна по периоду бортовой качки Т0.
Анализируя эту формулу, можно сделать вывод, что период бортовой качки на тихой воде не зависит от ее амплитуды. При этом увеличение остойчивости судна уменьшает период качки судна, т. е. чем больше метацентрическая высота h , тем меньше период качки Т0.
Ролкер Marfret Niolon
Источник: fleetphoto.ru
Килевая и вертикальная качка . Килевой качкой судна на тихой воде называют вращательные колебательные движения судна относительно поперечной оси, вызывающие попеременный дифферент на корму и на нос.
Физическая сущность продольных колебаний при килевой качке остается такой же, как и при бортовой, хотя продольные колебания имеют некоторые особенности, например: они быстро затухают из-за большого сопротивления воды. Как показывают опытные данные, до полной остановки судна при килевой качке на тихой воде требуется лишь 3 – 5 размахов.
Килевая качка характеризуется амплитудой ψ и периодом собственных колебаний Тψ:
ТΨ=2,4·√Т,
- где Т – осадка судна.
Следует иметь ввиду, что эта формула является весьма приближенной.
Вертикальной качкой судна на тихой воде называют поступательные движения судна вдоль вертикальной оси, вызывающие попеременное уменьшение и увеличение осадки.
Вертикальная качка, как самостоятельный вид колебательных движений, возможна только в том случае, если Ц.Т. входящего в воду слоя будет находиться на одной вертикали с Ц.Т. судна. Это условие практически неосуществимо, поэтому вертикальная качка обязательно сопровождается килевой. Периоды собственных колебаний вертикальной и килевой качки на тихой воде практически равны.
Качка судна на регулярном волнении
Бортовая качка. Бортовая качка судна на регулярном волнении может быть представлена как сумма двух гармонических колебаний – собственных колебании с частотой ne бортовой качки на тихой воде без учета сопротивления воды и вынужденных колебании с частотой волны а и амплитудой качки em.
Сухогруз Longvik
Источник: fleetphoto.ru
На регулярном волнении, которое имеет место, например, при мертвой зыби или при качке модели судна в опытном бассейне, на искусственно создаваемых регулярных волнах, собственные колебания быстро затухают вследствие влияния сопротивления воды, и колебания судна по истечении некоторого времени становятся чисто вынужденными. Амплитуда вынужденных колебаний при бортовой качке без учета сопротивления воды, согласно выводам линейной теории качки, может быть вычислена по формуле:
θm=α0·11–σ2ne2. Так как σ=2π/τ, а nθ=2π/Tθ,
то θm=α0·11–Тθ2τ2 или θmα0=11–Tθ2τ2 (1)
- где θm – амплитуда качки;
- α0 – наибольший угол волнового склона;
- Тθ – период собственных колебании судна;
- τ – период волны.
Отношение θm / α0 принято называть относительной амплитудой, зависимость которой от отношения Тθ / τ можно представить следующим графиком:
Рис. 1
Из уравнения (1) следует, что по мере приближения периода волны т. к. периоду собственных колебании Tθ относительная амплитуда вынужденных колебаний возрастает и при отсутствии сил сопротивления воды становится бесконечно большой (при τ = Tθ ). Такое явление называется резонансом.
В действительности, резонанс, хотя и не приводит к возникновению бесконечно больших амплитуд, вызывает появление резонансных максимальных амплитуд. Из сравнения кривых, приведенных на рисунке видно, что влияние сопротивления воды на относительную амплитуду вынужденных колебании существенно лишь в том случае, когда отношение периодов находится в интервале 0,70 < Tθ / τ < 1,3; вне этой области влияние сопротивления незначительно.
Рассматриваемый случай качки является наиболее опасным. Если судно не обладает достаточной динамической остойчивостью, то резонанс может привести к потере остойчивости и к опрокидыванию судна. Именно поэтому при нормировании остойчивости морских судов оценивают углы, возникающие не только от действия динамически приложенного давления ветра, но и углы крена при бортовой качке, исходя из предположения, что судно находится на регулярном волнении в условиях резонанса при положении лагом к волне.
Килевая и вертикальная качка. Если судно располагается вразрез волне, то оно испытывает килевую качку. Физическая сущность явлений, происходящих при килевой и бортовой качке, практически одинакова, т. к. характер движения судна не меняется, а силы, действующие на него, по своей природе остаются теми же.
Однако условия килевой качки судна на волнении отличаются от условий бортовой качки. При килевой качке сопротивление окружающей среды значительно больше, чем при бортовой. Поэтому свободные колебания при килевой качке затухают быстрее. Практически килевую качку можно считать состоящей из одних вынужденных колебаний.
Исследование килевой качки осложняется тем, что одновременно возникает вертикальная качка, причем их взаимное влияние друг на друга и на характеристики колебаний судна существенно.
Сухогруз Sylvia
Источник: fleetphoto.ru
Поскольку даже при резонансе амплитуды килевой качки относительно невелики, можно утверждать, что практическое значение для судна имеет не столько сама качка, сколько связанные с ней заливаемость палубы и надстроек и появление слемминга – гидродинамических ударов носовой частью судна о воду. Указанные явления, а также ухудшение работы гребных винтов из-за периодического обнажения винто – рулевой группы приводят к значительному (до 50 %) уменьшению скорости судна, что неблагоприятно сказывается на его экономических показателях. Явление слемминга ощущается на протяжении от 1/10 до 1/8 длины судна. Удары о воду сопровождаются сотрясениями корпуса, переходящими в вибрацию. По мере увеличения крутизны волны сила ударов возрастает, что нередко приводит к повреждениям днища. Поэтому при возникновении сильных ударов судоводитель вынужден уменьшать скорость или изменять курс судна.
Предлагается к прочтению:
Основные понятия об управляемости судна
Требования регистра к непотопляемости морских судов
