Условие начальной остойчивости судна.
Метацентрические высоты
Найдем условие, при соблюдении которого судно, плавающее в состоянии равновесия без крена и дифферента, будет обладать начальной остойчивостью. Полагаем, что грузы при наклонении судна
не смещаются и ЦТ судна остается в точке, соответствующей исходному положению.
![]() | ![]() |
При наклонениях судна сила тяжести Р и силы плавучести γV образуют пару, момент которой определенным образом воздействует на судно. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения ЦТ и метацентра.
Рис.38. Первый случай остойчивости судна
Возможны три характерных случая состояния судна для которых воздействие на него момента сил Р и γV качественно различно. Рассмотрим их на примере поперечных наклонений.
1-й случай (рис. 38) - метацентр располагается выше ЦТ, т.е. zm > zg. В данном случае возможно различное расположение центра величины относительно центра тяжести.
I. В начальном положении центр величины (точка С0), располагается ниже центра тяжести (точка G) (рис. 38, а), но при наклонении центр величины смещается в сторону наклонения настолько сильно, что метацентр (точка m) располагается выше центра тяжести судна. Момент сил Р и γV стремится вернуть судно в исходное положение равновесия, и поэтому оно остойчиво. Подобное расположение точек m, G и С0 встречается на большинстве судов.
II. В начальном положении центр величины (точка С0), располагается выше центра тяжести (точка G) (рис. 38,б). При наклонении судна возникающий момент сил Р и γV выпрямляет судно, и поэтому оно остойчиво. В данном случае, независимо от размеров смещения центра величины при наклонении, пара сил всегда стремится выпрямить судно. Это объясняется тем, что точка G лежит ниже точки С0. Такое низкое положение центра тяжести обеспечивающая безусловную остойчивость на судах трудно осуществить конструктивно. Та-
кое расположение центра тяжести можно встретить в частности, на парусных яхтах.
![]() |
Рис.39. Второй и третий случай остойчивости судна
2-й случай (рис. 39,а) – метацентр располагается ниже ЦТ, т.е. zm < zg. В этом случае при наклонении судна момент сил Р и γV стремится еще больше отклонить судно от исходного положения равновесия, которое, следовательно, является неустойчивым. В этом случае наклонения судно имеет отрицательный восстанавливающий момент, т.е. оно не остойчиво.
3-й случай (рис. 39,б) – метацентр совпадает с ЦТ, т.е. zm = zg. В этом случае при наклонении судна силы Р и γV продолжают действовать по одной вертикали, момент их равен нулю – судно и в новом положении будет находиться в состоянии равновесия. В механике – этот случай безразличного равновесия.
С точки зрения теории судна в соответствии с определением остойчивости судна судно в 1-м случае остойчиво, а во 2 и 3-м – не остойчиво.
Итак, условием начальной остойчивости судна является расположение метацентра выше ЦТ. Судно обладает поперечной остойчивостью, если
zm > zg,
и продольной остойчивостью, если
zм > zg.
Отсюда становится ясным физический смысл метацентра. Эта точка является пределом, до которого можно поднимать центр тяжести не лишая судно положительной начальной остойчивости.
Расстояние между метацентром и ЦТ судна при Ψ = Θ = 0 называют начальной метацентрической высотой или просто метацентрической высотой. Поперечной и продольной плоскости наклонения судна отвечают соответственно поперечная h и продольная H метацентрические высоты. Очевидно, что
h = zm – zg и H = zм – zg ,
или h = zc + r – zg и H = zc + R – zg,
h = r – α и H = R – α,
где α = zg – zc – возвышение ЦТ над ЦВ.
Как видно h и H различаются только метацентрическими радиусами, т.к. α является одной и той же величиной.
, поэтому H значительно больше h.
α = (1 %) R, поэтому на практике считают, что H = R.