Что называется метацентрической высотой судна
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
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.
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.
Метацентр, центр величины и центр тяжести судна. Метацентрическая высота как мера начальной остойчивости судна. Признаки отрицательной начальной остойчивости судна и меры по ее улучшению.
Метацентр (от греч. μετα — через и лат. centrum — средоточие) — центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины в процессе наклонения судна. При малых наклонениях судна (примерно, до 10 градусов) метацентр можно считать неподвижным, при больших наклонениях метацентр начинает смещаться. Возвышение метацентра над центром тяжести судна называется метацентрической высотой.
В теории корабля различают два метацентра:
при наклонении судна в поперечной плоскости (крен), метацентр является поперечным, или малым.
при наклонении судна в продольной плоскости (дифферент) — продольным, или большим.
На практике судно испытывает наклонения в обеих плоскостях, и если определить для этого случая метацентр, он будет лежать выше поперечного, но ниже продольного. С этой точки зрения метацентрические высоты, рассматриваемые в теории, являются предельными.
Центр тяжести — точка приложения силы веса судна. Для определения его положения есть два пути: расчетный — составление т. наз. продольной и вертикальной нагрузки судна, производимое по его чертежам; второй — экспериментальное определение положения Ц. Т. С. на плаву.
Поперечное наклонение плавающего судна.
Метацентр обозначен M.
Центр величины обозначен C
Центр тяжести обозначен G
Меры начальной остойчивости
Для практики недостаточно простой качественной оценки — остойчиво судно или неостойчиво, так как степень остойчивости может быть различной, в зависимости от размеров, нагрузки и величины наклонения. Величины, дающие возможность количественно оценить начальную остойчивость, называются мерами начальной остойчивости.
Использование восстанавливающего момента в качестве меры начальной остойчивости неудобно, так как он зависит от угла наклонения. При бесконечно малых углах крена восстанавливающий момент mθ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.
Благодаря своему простому геометрическому смыслу метацентрическая высота 
наиболее часто используется в качестве меры начальной остойчивости, хотя следует иметь в виду, что коэффициент остойчивости дает наиболее полную оценку этого мореходного качества.
Внешними признаками отрицательной начальной остойчивости корабля являются:
— плавание корабля с креном при отсутствии кренящих моментов;
— стремление корабля перевалиться на противоположный борт при спрямлении;
— переваливание с борта на борт при циркуляции, при этом крен остается и при выходе корабля на прямой курс;
— большое количество воды в трюмах, на платформах и палубах.
Последнее является не только признаком, но и основной причиной появления отрицательной начальной остойчивости. При наличии отрицательной начальной остойчивости спрямлять судно затоплением бортовых отсеков нельзя, так как при этом судно может опрокинуться на противоположный борт из-за совместного действия спрямляющего момента и момента от перетекания воды в сторону спрямления. Поэтому прежде всего необходимо восстановить начальную остойчивость либо удалением воды с палуб, либо спуском ее в нижние помещения.
Наличие на судне незакрепленных и подвешенных грузов также уменьшает его остойчивость. Эти грузы при наклонениях судна перемещаются в сторону наклонения и увеличивают кренящий момент.
Особенно резко снижается остойчивость корабля при входе в воду бортовой кромки верхней водонепроницаемой палубы.
На рис. 10 изображена диаграмма статической остойчивости судна, имеющего в прямом положении отрицательную остойчивость. В этом случае положениям неустойчивого равновесия судна будут отвечать не только точки заката диаграммы В и В’, но и начало координат О. Положениям устойчивого равновесия будут соответствовать две точки — С и С’. Таким образом, судно с отрицательной начальной остойчивостью не может плавать в прямом
положении; оно будет иметь крен θ1 на правый борт или равный ему крен на левый борт в зависимости от случайных внешних причин (ветра, волнения, перекладки руля и т. д.). Однако видно, что наличие отрицательной начальной остойчивости еще не может служить основанием для заключения о том, что судно вообще неостойчиво и должно опрокинуться. Судно опрокидывается только в том случае, когда его диаграмма остойчивости примет вид, показанный на рис. 10 пунктиром, и будет пересекать ось абсцисс только в одной точке — нулевой.
Для сохранения надлежащей остойчивости судна необходимо:
— все грузы располагать по возможности на штатных местах и обязательно закреплять их по-походному;
— жидкие грузы принимать и расходовать в соответствии с инструкцией и с таким расчетом, чтобы не допускать образования больших свободных поверхностей;
— не допускать перетекания жидких грузов из цистерн одного борта в цистерны другого борта;
— не допускать скопления воды в трюмах;
— немедленно удалять воду из поврежденных отсеков после заделки пробоины;
— скалывать и удалять лед за борт при обмерзании палубы, рангоута и такелажа;
— не допускать касания грунта при стоянке корабля у стенки и следить за швартовыми;
— выяснять причины появления крена и дифферента и устранять их;
— принимать все меры по удержанию крена до входа в воду верхней палубы.
Методы расчета и построение диаграммы статической остойчивости. Требование Регистра Судоходства к параметрам диаграммы.
На ней можно отметить три точки, характерные для неповрежденного судна, обладающего положительной остойчивостью: точку О (начало координат), определяющую положение устойчивого равновесия; точку А, где плечо статической остойчивости и восстанавливающий момент имеют максимальные значения; точку В, определяющую так называемый угол заката диаграммы.
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.