Метацентрическая высота судна что это

Метацентр и метацентрическая высота

Для понимания остойчивости судна необходимо вначале ввести понятие метацентра, а затем — метацентрической высоты.

Метацентр

Если мы начнем наклонять судно, добавив внешнее воздействие, или перемещая внутри него какой-либо груз (например, переходить с одного борта на другой), у судна будет изменяться положение центра величины, из-за того, что один борт будет погружен в воду больше, чем другой. По сути, центр величины будет перемещаться по некоторой кривой траектории, при небольших кренах (до примерно 12º) похожей на дугу окружности.

Центр кривизны этой дуги — то есть центр окружности, часть которой является описываемая дуга — будет называться метацентром. На чертежах он обозначается прописной латинской буквой m.

Причем поскольку при небольших кренах траектория действительно похожа на дугу, этот метацентр будет неподвижной точкой, а при больших углах крена — то есть когда центр величины будет меняться сильнее, поскольку вода будет уже касаться бортов и палубы судна — метацентр будет менять свое положение.

Метацентрическая высота

Если соединить метацентр m с центром тяжести судна G отрезком, то его длина будет называться метацентрической высотой. При этом если метацентр располагается выше центра тяжести, говорят о положительной метацентрической высоте, а если ниже (а такое бывает) – об отрицательной.

Метацентрическая высота при нормальном положении судна с нулевым креном – важный критерий остойчивости судна. Чем она выше, тем больше начальная остойчивость судна, то есть способность его держаться устойчиво прямо и сопротивляться внешним воздействиям.

Если метацентрическая высота равна нулю или отрицательна, то судно находится в неустойчивом состоянии — при любом малейшем воздействии оно приобретает крен и даже если это воздействие пропадет, судно не вернется в прямое положение.

Источник

Метацентрическая высота

Метацентрическая высота — критерий остойчивости судна. Представляет собой возвышение метацентра над центром тяжести плавающего тела. Чем больше этот параметр, тем выше начальная остойчивость судна. При приобретении отрицательного значения метацентрической высоты судно утрачивает способность плавать без крена. Ответить на вопрос «перевернется ли судно, имеющее отрицательную метацентрическую высоту» не представляется возможным, так как метацентрическая теория остойчивости верна лишь при наклонениях судна, не превышающих 10 градусов.

Тем не менее, в Правилах классификационных обществ, осуществляющих надзор за технической эксплуатацией судов (Российский Речной Регистр, Российский Морской Регистр Судоходства и др.), запрещена эксплуатация судов, имеющих метацентрическую высоту менее 0,2 м. Характерным примером тела, имеющего нулевую метацентрическую высоту, является симметричный плавающий бочонок. При нахождении в спокойной воде такой бочонок будет совершать вращение вдоль продольной оси под воздействием любых внешних сил (например ветра).

Ссылки

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Метацентрическая высота» в других словарях:

Метацентрическая высота — расстояние по вертикали от центра масс погружённого в жидкость или газ тела до точки приложения равнодействующей сил давления на поверхность тела (метацентр). М. в. является мерой статической устойчивости плавающего тела; одна из важных… … Энциклопедия техники

МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТА — возвышение метацентра над центром тяжести плавающего тела. М. в. служит мерой остойчивости судна. МЕТР (франц. metre, от греч. metron мера) (м, т), единица длины, основная в СИ. До 1960 междунар. эталоном М. была штриховая мера длины брусок из… … Физическая энциклопедия

метацентрическая высота — metacentrinis aukštis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. metacentric height vok. metazentrische Höhe, f; metazentrum Höhe, f rus. метацентрическая высота, f; расстояние между метацентром и центром тяжести, f pranc. distance métacentrique … Fizikos terminų žodynas

МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТА. — 1. Расстояние между метацентром и центром тяжести судна. Различают М.В. поперечную (малую) h и продольную (большую) Н, значения которых вычисляют по формулам h = zc+r zg; H = zc + R Zg, где zc и zg аппликаты центра величины и ЦТ судна,… … Морской энциклопедический справочник

метацентрическая высота — метацентрическая высота — расстояние по вертикали от центра масс погружённого в жидкость или газ тела до точки приложения равнодействующей сил давления на поверхность тела (метацентр). М. в. является мерой статической устойчивости плавающего … Энциклопедия «Авиация»

метацентрическая высота — метацентрическая высота — расстояние по вертикали от центра масс погружённого в жидкость или газ тела до точки приложения равнодействующей сил давления на поверхность тела (метацентр). М. в. является мерой статической устойчивости плавающего … Энциклопедия «Авиация»

Метацентрическая высота — возвышение Метацентра над центром тяжести плавающего тела. М. ц. служит мерой остойчивости (См. Остойчивость) судна … Большая советская энциклопедия

МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТА ПОПЕРЕЧНАЯ — (Metacentric height) расстояние между поперечным (малым) метацентром и центром тяжести судна. Поперечная М. В. является мерой остойчивости судна. Чем она больше, тем остойчивее судно. М. В. измеряется метрами или его делениями. Установленные… … Морской словарь

МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТА ПРОДОЛЬНАЯ — расстояние продольного метацентра М от центра тяжести судна G. Величина М. В. П. во много раз превосходит таковую поперечной метацентрической высоты. Поэтому беспокоиться относительно того, что судно перевернется в продольном направлении, никогда … Морской словарь

большая метацентрическая высота — Расстояние между большим метацентром и центром тяжести неподвижного плавающего тела … Политехнический терминологический толковый словарь

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Метацентр

Когда корабль кренится (кренится вбок), центр плавучести корабля смещается вбок. Он также может двигаться вверх или вниз по отношению к ватерлинии. Точка, в которой вертикальная линия, проходящая через пятый центр плавучести, пересекает линию, проходящую через исходный вертикальный центр плавучести, является метацентром. Метацентр по определению остается прямо над центром плавучести.

Парусные яхты, особенно гоночные, спроектированы так, чтобы быть жесткими, что означает, что расстояние между центром масс и метацентром очень велико, чтобы противостоять кренящему воздействию ветра на паруса. В таких судах качение не вызывает дискомфорта из-за момента инерции высокой мачты и аэродинамического демпфирования парусов.

Разные центры

Восстанавливающая пара на корабле пропорциональна горизонтальному расстоянию между двумя равными силами. Это сила тяжести, действующая вниз в центре масс, и сила той же величины, действующая вверх через центр плавучести и метацентр над ним. Выпрямляющая пара пропорциональна метацентрической высоте, умноженной на синус угла крена, отсюда важность метацентрической высоты для устойчивости. Когда корпус поправляется, работа выполняется либо за счет падения его центра масс, либо за счет падения воды, чтобы приспособиться к растущему центру плавучести, либо за счет того и другого.

Например, когда идеально цилиндрический корпус катится, центр плавучести остается на оси цилиндра на той же глубине. Однако, если центр масс находится ниже оси, он переместится в одну сторону и поднимется, создавая потенциальную энергию. И наоборот, если корпус корпуса с идеально прямоугольным поперечным сечением имеет центр масс на уровне ватерлинии, центр масс остается на той же высоте, но центр плавучести опускается вниз по мере того, как корпус кренится, снова накапливая потенциальную энергию.

При установке общей точки отсчета для центров обычно выбирается формованная (внутри плиты или обшивки) линия киля ( K ); таким образом, эталонные высоты:

Правая рука

Метацентрическая высота является приблизительной для устойчивости сосуда при небольшом угле (0-15 градусов) крена. За пределами этого диапазона устойчивость судна определяется так называемым восстанавливающим моментом. В зависимости от геометрии корпуса морские архитекторы должны итеративно вычислять центр плавучести при увеличивающихся углах крена. Затем они вычисляют восстанавливающий момент под этим углом, который определяется с помощью уравнения:

Парусные суда предназначены для работы с более высоким углом крена, чем моторные, и восстанавливающий момент при экстремальных углах имеет большое значение.

Однокорпусные парусные суда должны быть спроектированы так, чтобы иметь положительную правую стойку ( предел положительной остойчивости ) по крайней мере до 120 ° крена, хотя многие парусные яхты имеют пределы остойчивости до 90 ° (мачта параллельна поверхности воды). Поскольку смещение корпуса при любой определенной степени крена непропорционально, вычисления могут быть трудными, и эта концепция не была официально введена в военно-морскую архитектуру примерно до 1970 года.

Стабильность

GM и прокатный период

Период качения можно оценить по следующему уравнению:

Нарушенная стабильность

Эффект свободной поверхности

В резервуарах или пространствах, которые частично заполнены жидкостью или полужидкостью (например, рыбой, льдом или зерном), когда резервуар наклонен, поверхность жидкости или полужидкости остается ровной. Это приводит к смещению центра тяжести резервуара или пространства относительно общего центра тяжести. Эффект похож на то, как если бы вы несли большой плоский поднос с водой. При наклоне кромки вода устремляется в эту сторону, что еще больше усугубляет состояние наконечника.

Поперечные и продольные метацентрические высоты

Технически, существуют разные метацентрические высоты для любой комбинации движения по тангажу и крену, в зависимости от момента инерции ватерлинии корабля вокруг рассматриваемой оси вращения, но они обычно рассчитываются и указываются как конкретные значения для ограничение чистого тангажа и крена.

Измерение

Метацентрическая высота обычно оценивается при проектировании корабля, но может быть определена путем испытания креном после постройки. Это также можно сделать, когда судно или морская плавучая платформа находятся в эксплуатации. Его можно рассчитать по теоретическим формулам, исходя из формы конструкции.

Источник

Общие понятия

Правила и силы

Важно отметить, что существуют правила Классификационных Сообществ, которые следят за технической эксплуатацией судов. В данных документах описано, что эксплуатировать можно лишь те корабли, метацентрическая высота которых составляет не менее 0,2 метра. Чтобы понять, как будет вести себя тело с нулевой высотой, можно представить себе бочонок, плавающий в воде. Этот параметр данного тела будет равен 0, а его передвижение будет происходить вдоль продольной оси каждый раз, когда на него будет воздействовать любая внешняя сила, к примеру, волна или ветер.

Работа сил

При «прямом» положении судна получается так, что эти две силы уравновешивают друг друга и находятся в одной вертикальной плоскости. Из-за этого корабль и способен перемещаться по воде. В том случае, если возникает крен судна, центр подводного объема ЦВ смещается в сторону наклона корабля. Смещение происходит из-за того, что меняется форма подводной части корпуса. Кроме того, при смещении ЦВ в одну из сторон возникает восстанавливающий момент, который будет противодействовать крену морского судна. При возникновении наклона ЦВ как бы начинает осуществлять поворот вокруг точки, которую условно называют метацентром m.

Расстояние от этой условной точки метоцентра m до центра тяжести судна ЦТ и будет являться его высотой. К примеру, для обычной гребной шлюпки числовое значение метацентрической высоты, которое будет являться достаточным для того, чтобы люди могли безопасно сесть и встать, равняется 0,3 м. В принципе, ничего сложного.

Как обеспечить остойчивость

Зная все то, что было описано выше, возникает явный вопрос о том, как же оценить безопасность лодки, парусной яхты, корабля и т. д.? Как понять, насколько велики шансы у корабля вернуться из положения «килем вверх» в нормальное, прямое состояние?

Для того чтобы добиться этого, необходимо улучшать остойчивость судна. Для этого существует несколько проверенных методов. Достаточно высокую остойчивость можно обеспечить за счет того, что на борту корабля будет размещен неподвижный балласт. Однако здесь нужно учитывать, что центр тяжести судна будет понижаться при дополнительной нагрузке. У кораблестроителей, моряков и всех, кто знаком с морским делом, есть такое правило: каждый килограмм груза, расположенный под ватерлинией, будет повышать остойчивость корабля, а вот каждый килограмм над этой линией будет ухудшать положение судна.

Восстановление судна

Суда с надстройкой

Есть такой тип кораблей, которые обладают водонепроницаемой надстройкой. Естественно, вода не сможет попасть внутрь такого корабля, а это значит, что остойчивость останется на том же уровне даже при большом крене. Этот принцип стал основополагающим при изобретении спасательных шлюпок-неваляшек. Существуют спасательные плоты и шлюпки, которые считаются практически неопрокидываемыми из-за их конструкции. Такие категории кораблей способны восстановиться даже после того, как они полностью перевернулись.

Можно взять, к примеру, парусную яхту, которая обладает одним хитрым способом повышения остойчивости судна. Метод называется открениванием. А его суть заключается в том, что при наклоне будет перемещаться вес экипажа, балласта или качающегося киля по всей ширине судна. На сегодняшний день используется много различных типов перемещаемого балласта. А также существует один новейший, который заключается в наличии подводных управляемых крыльев.

Экспериментальная высота

Далее. Для того чтобы экспериментально вычислить метацентрическую высоту судна, можно перемещать большой груз по кораблю. Перемещение груза должно происходить на определенное расстояние Q от того места, где оно находилось изначально. Также при передвижении объекта нужно измерять малый угол вращения, который обозначается, как af. Числовое значение этой характеристики будет соответствовать углу наклона корабля.

Вот так будет выглядеть поперечная метацентрическая высота в формуле:

Именно такой способ вычислений, а также экспериментальный способ определения стали основными положениями, которые позволили принять высоту метацентра корабля за основной критерий его остойчивости.

Парусные суда

В настоящее время парусные суда являются одними из самых опасных в плане эксплуатации, а также самыми требовательными к остойчивости. Все дело в том, что при ветре парус такого судна будет постоянно подвергаться сильному воздействию воздуха, что в таких условиях будет являться основным моментом, создающим возможность для крена. Именно из-за наличия паруса суда с большими и длинными мачтами и, как следствие, большими парусами, нуждаются в наличии дополнительного тяжелого неподвижного балласта, который сильно снизит центр тяжести судна, создавая тем самым большее значение метацентрической высоты.

Очень важно отметить: довольно часто допускают такую ошибку, как оценка остойчивости корабля только по его метацентру. Конечно, эта высота будет являться основным критерием. Однако нельзя игнорировать те преимущества, которые имеются на всей диаграмме статической остойчивости. Туда входит не только высота метацентра.

Случаи неостойчивости

Существует три случая неостойчивости судна. Рассмотрим их подробнее.

Первый случай возникает в той ситуации, если высота h>0. Это возникает по причине того, что центр тяжести располагается выше, чем центр величины. При соблюдении этих условий и наклоне корабля в любую из сторон линия действия силы поддержания будет пересекать диаметральную плоскость выше, чем находится центр тяжести.

Второй случай неостойчивости произойдет тогда, когда метацентрическая высота будет равна нулю. В этом случае, практически, как и в предыдущем, центр тяжести окажется выше, чем центр величины. А при наклоне корабля случится так, что линия ЦТ будет проходить вдоль линии величины. В таком случае центр величины всегда будет расположен в одной вертикали с центром тяжести. При таком расположении сил восстанавливающая пара, которая выравнивает корабль, будет просто отсутствовать. Без воздействия каких-либо внешних сил судно не сможет вернуться в свое исходное, прямое положение.

Источник

Определение поперечной метацентрической высоты судна путем выполнения опыта кренования

При постройке судна возможно некоторое перераспределение масс, вследствие чего возникают расхождения между расчетными и действительными значениями аппликат Ц.Т. судна и метацентрической высоты. В связи с этим Регистр предписывает уточнять проектные данные о положении Ц.Т. построенного судна путем проведения так называемого опыта кренования. Опыту кренования подвергаются головные суда строящихся серий, каждое пятое судно серии, а также новые суда несерийной постройки. Кроме того, опыту кренования подвергают каждое судно после капитального ремонта или переоборудования и суда, остойчивость которых неизвестна или вызывает сомнения.

Опыт кренования проводится в тихую погоду при спокойном состоянии поверхности воды и отсутствии течения. Скорость ветра не должна превышать 3 м/с. Судно не должно касаться стенки причала, грунта или находящегося рядом судна.

Следует проводить кренование порожнего судна, но со снабжением, находящимся на своих местах. Цистерны различного назначения должны быть осушены либо запрессованы. Начальный крен не должен превышать 0,5-1 град. Крен – балласт принимают на судно в таком количестве, чтобы обеспечить максимальные углы крена 2-4 град.

Для определения углов крена пользуются весками (нити с подвешенными грузами), сообщающимися сосудами, инклинографами различных типов и другими спец – приборами.

Рис. 1

При использовании весков на больших судах длина нити должна быть 4,0-6,0 м, а на малых – не менее 1,5 м. Груз веска, с укрепленной на нем крылаткой, из двух взаимно перпендикулярных пластинок, опускают в бак с водой или маслом, чтобы колебания веска быстрее прекращались. Весков должно быть не меньше двух (лучше три). Места подвешивания выбирают по длине судна. Для отсчета углов крена, вблизи нижнего конца веска, укрепляют горизонтальную деревянную рейку с нанесенной шкалой. Угол крена, соответствующий перемещению крен – балласта, определяют по формуле:

Кривые элементов теоретического чертежа

Кривые элементов теоретического чертежа представляют собой диаграмму, которая объединяет кривые, определяющие зависимость изменения значений теоретических элементов судна ( V, X_с, Z_с, Z_m, X_f, q_1см, r, R, M_1см ) от его осадки. Поскольку речь идет об элементах судна, связанных с плавучестью и остойчивостью, т. е. со статикой судна, эту совокупность кривых часто называют кривыми плавучести и начальной остойчивости.

Рис. 2

Количество кривых на диаграмме может доходить до 15-20. Для того чтобы определить необходимые значения элементов теоретического чертежа по кривым плавучести и начальной остойчивости, на оси осадок нужно наметить точку, соответствующую заданной осадке, и провести прямую, параллельную оси абсцисс. Отстояние точки пересечения прямой с соответствующей кривой от линии отсчета в выбранном масштабе определяет искомые элементы теоретического чертежа.

Примеры таких кривых приведены ниже на рисунках 3-6.

Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5 Кривые элементов теоретического чертежа т/х “Славянск” Рис. 6

Очень часто зависимость теоретических элементов судна от осадки приводят в документации судна не в виде кривых, а в виде таблицы, которая носит обычно название таблицы гидростатических элементов судна. Пример такой таблицы приводится ниже.

Остойчивость при больших углах крена – Плечо остойчивости

В предыдущих темах рассматривалась остойчивость судна при наклонении его от положения равновесия на малые (начальные) углы крена. При этом в основу изучения теории начальной остойчивости были положены следующие допущения:

Однако в процессе эксплуатации судна часто возникают наклонения на большие углы крена. В этих случаях применение перечисленных выше допущений приводит к неверным результатам. Поэтому была разработана теория остойчивости судна при больших углах наклонения.

При больших углах наклонения судно нельзя считать прямостенным в пределах изменения формы подводного объема; симметрия входящей и выхо­дящей частей площади наклонной ватерлинии значительно нарушается, что приводит к смещению оси пересечения двух равнообъемных ватерлиний. Пе­ремещение Ц.В. при больших углах крена происходит уже не по дуге окружности, а по кривой переменной кривизны. Это равносильно тому, что поперечный метацентр не остается в постоянной точке m на ДП, как это было при малых углах крена, а смещается в новую точку. Следовательно, и расстояние между метацентром и Ц.В. – поперечный метацентрический радиус – является переменной величиной. Из сказанного следует, что метацентрическая высота тоже изменяется и уже не может служить критерием поперечной остойчивости. По этим соображениям, решая вопросы остойчивости при больших углах крена, нельзя пользоваться метацентрической формулой поперечной остойчивости и всеми полученными на ее основании формулами, в которые входит значение поперечной метацентрической высоты.

Восстанавливающий момент, являющийся мерой статической остойчивости судна при больших углах крена, будет равен:

Источник