§ 26. Влияние на остойчивость подвижных грузов

Наличие на судне грузов, которые могут перемещаться, ухудшает его остойчи-вость. Поэтому грузы следует надежно раскреплять на судне. Но часть грузов относятся к категории так называемых подвижные грузов, жесткое закрепление которых невозможно. К таким подвижным грузам можно отнести жидкие грузы, сыпучие и подвешенные.

Подвешенные грузы. Подвешенные грузы – это, прежде всего, грузы, подвешенные на кранах.

Пусть судно при помощи собственного грузового устройства, например, грузовой стрелы, принимает с берега груз весом р (рисунок 44- а). так как груз висит на тросе, то, как только груз оторвется от поверхности , его вес фактически перемещается в ближай-шую неподвижную точку, каковой является нок стрелы А, координаты которого хр, ур и zр. В таком случае расчет остойчивости и посадки судна сводится к уже рассмотренному ранее случаю приема малого груза в точку А. в данном случае точка оказывается всегда даже выше палубы, а ,как уже было сказано ранее, при приеме груза выше действующей ватерлинии метацентрическая высота уменьшается, следовательно, остойчивость судна при работе судового грузового устройства со стрелой однозначно ухудшается. Угол крена при этом определяется по формуле (118)

,

где h'' = h + Δh, а поправку к метацентрической высоте определяем по формуле (112)

.

Если груз находился в трюме (рисунок 44-b), то, как только грузовая стрела при-поднимет груз, его вес мгновенно перемещается из точки А(ха; уа; zа) в точку В(хb; yb; zb). При этом остойчивость судна ухудшается, так как центр тяжести судна поднимается вверх, а метацентр своего положения не меняет, следовательно, метацентрическая высота уменьшается. Расчетная схема в этом случае будет следующей:

,

h'' = h +Δh

Подвешенный груз ухудшает остойчивость судна, причем значительно, что осо-бенно важно учитывать на судах, оборудованных тяжеловесными грузовыми стрелами.

Жидкие грузы. Рассмотрим, что произойдет с остойчивостью судна перевозящего другой подвижный груз – жидкости. Вообще-то жидкие грузы перевозят все суда, так как все суда имеют запасы воды и топлива или каких-либо еще жидкостей. Если цистерны с жидкостями заполнены полностью, то такой груз не будет подвижным, и его можно рас-считывать, как обычный твердый груз. Если же цистерны заполнены неполностью, и в цистерне имеется свободная поверхность жидкости, то при крене судна жидкость пе-рельется в сторону наклоненного борта, ее поверхность станет параллельной дейст-вующей ватерлинии, а центр тяжести груза переместится из точки k в точку k1, так как изменится форма объема, занимаемого жидкостью (рисунок 45)

Перемещение центра тяжести груза можно представить в виде схемы, изобра-женной на рисунке 45: из точки k груз убрали, следовательно сила направлена вверх, в точку k1 приняли – сила р направлена вниз. В итоге получим пару сил, которая создает дополнительный кренящий момент для судна. Величина этого кренящего момента определяется произведением силы на плечо

Мд = р kk1, (121)

где р = γоv – вес жидкости в цистерне в тоннах, γо – удельный вес жидкости в цистерне в кг/м³, v – объем жидкости в цистерне в м³.

Плечо kk1 определим из треугольника mkk1, где оно является катетом:

kk1 = mk sinθ. (122)

Но точку k можно рассматривать, как центр величины объема v, тогда гипотенуза mk бу-дет метацентрическим радиусом, и ее можно определить по формуле:

mk = ix/v, (123)

где ix – момент инерции площади свободной поверхности жидкости относительно про-дольной оси в м ; v – объем жидкого груза в м³.

Подставляя выражения (122) и (123) в выражение (121), получим следующее выра-жение для определения дополнительного кренящего момента:

(124)

Но р = γоv, тогда, подставив его в выражение (124), получим

Мд = ixγosinθ (125)

По условию статического равновесия:

Мвос = Мкр + Мд. (126)

Или

Dh sinθ = Мкр + ixγosinθ

Мкр = Dh sinθ - ixγosinθ (127)

Преобразуем выражение (127), вынося за скобки Dsinθ,

(128)

Но по условию статического равновесия

Мкр = Мвос = Dh'' sinθ, (129)

Сравнив выражения (128) и (129) получим формулу для определения новой метацентри-ческой высоты:

(130)

где h – метацентрическая высота судна в метрах; ix – момент инерции площади свобод-ной поверхности жидкости относительно продольной оси в м ; γо – удельный вес жидко-сти в цистерне в кг/м³, D – вес судна в тоннах.

Так как и момент инерции, и удельный вес жидкости, и вес самого судна – вели-чины положительные, следовательно, наличие свободной поверхности жидкости умень-шает метацентрическую высоту судна на величину

(131)

Из формулы (131) видно, что величина поправки зависит от момента инерции пло-щади свободной поверхности жидкости, то есть от величины самой площади. следова-тельно, изменить ее можно только, если изменить площадь свободной поверхности жид-кости, так как ни удельный вес жидкости, ни вес судна изменить нельзя.

Момент инерции для прямоугольной поверхности будет

(132)

где l – длина цистерны вдоль судна, b – ширина цистерны.

Из формулы (132) видно, что величина момента инерции в большей степени зави-сит от ширины цистерны b, чем от длины ее l. Следовательно, можно значительно умень-шить влияние свободной поверхности жидкости на остойчивость судно, уменьшая попе-речные размеры цистерны, то есть, устанавливая в них продольные переборки.

Рассмотрим насколько изменится поправка к метацентрической высоте, если свободную поверхность жидкости разделить, например, поставить на судне, перевозящем жидкие грузы – на танкере – одну продольную переборку. В этом случае момент инерции площади свободной поверхности жидкости будет рассчитываться сложением моментов инерции составляющих площадей.

Рассчитаем момент инерции для отсека без переборки (рисунок 46- а) он будет равен

Теперь рассчитаем момент инерции такого же отсека, но только разделенного продольной переборкой на две части (рисунок 46-б). В этом случае момент инерции свободной поверхности жидкости в одно отсеке будет следующим:

в двух отсеках:

То есть, одна продольная переборка в четыре раза уменьшает момент инерции свободной поверхности жидкости, а, следовательно, исходя из формулы (131), в четыре раза уменьшает поправку Δh к метацентрической высоте. Если же отсек разделить двумя переборками, поправка уменьшится в девять раз, три переборки уменьшают неприятно-сти от свободной поверхности жидкости в шестнадцать раз и т.д. именно это обстоятель-ство заставляет делить грузовые отсеки танкера продольными переборками на отдельные танки.

Сыпучие грузы. Сыпучие грузы при перевозке создают даже больше проблем для остойчивости судна, чем жидкие, хотя ведут себя похоже.

При наклонении судна, имеющего свободную поверхность сыпучего груза, сначала груз не пересыпается. Только когда угол крена превышает угол естественного откоса, начинается перемещение груза.

Сыпучее вещество, высыпанное на горизонтальную плоскость, в силу сцепления между частицами вещества образует конический холмик. Угол между горизонталью и об-разующей этого конуса, а проще говоря, угол наклона холмика, и называется углом есте-ственного откоса. Этот угол зависит как от самого вещества, так и от его влажности. на-пример, угол естественного откоса сухого песка гораздо меньше угла естественного отко-са сырого песка.

Таким образом, если угол крена меньше, чем угол естественного откоса, наличие сыпучего груза не оказывает влияния на остойчивость.

Если же груз начинает пересыпаться на борт вследствие наклонения судна, напри-мер, под действием ветра, то после прекращения действия кренящего момента, судно не вернется в исходное положение, так как часть груза останется на наклоненном борту и создаст остаточный крен, что при повторных наклонениях, например, при шквалах, мо-жет привести к потере остойчивости и опрокидыванию судна.

Кроме этого, способ, избежать потери остойчивости путем заполнения трюмов до верху, который помогает при перевозке жидких грузов, в случае сыпучих грузов не дает результата, так как сыпучий груз обладает еще одним неприятным качеством – он спосо-бен со временем давать усадку. Зерно, засыпанное в трюм доверху, через некоторое вре-мя уплотняется, в результате чего появляется свободная поверхность.

Предотвратить перетекание зерна могут специальные бункеры-питатели, которые досыпают в трюмы зерно. Но самый распространенный способ – это специальные разбор-ные переборки – шифтинг-бордсы, которые устанавливают в трюме только во время рей-са. Они могут представлять собой доски, устанавливаемые в специальные желоба. Задача таких переборок – удерживать верхний подвижный слой. Они могу быть также и виде подвесных полупереборок, погруженных в сыпучий груз на 1,0 – 1,5 м.