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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淺談船舶的重心、浮心和穩(wěn)心船舶為什么能漂浮在水上?答:因?yàn)樗懈×?。那么,水為什么?huì)產(chǎn)生浮力?一般說(shuō)來(lái),流體(氣體和液體)在重力作用下會(huì)給浸沒(méi)在其中的物體一個(gè)浮力。就好比一個(gè)受到“外敵”入侵的群體一樣,這個(gè)群體會(huì)有“抵抗情緒”,不會(huì)輕易讓出空間給“異類”。雖然上面這個(gè)回答缺乏說(shuō)服力,但是很形象,也提到了非常關(guān)鍵的因素重力作用。這里,我們用一杯水來(lái)作研討模型。杯子里的水是水分子的集合體,水分子在重力作用下都有下降的“趨勢(shì)”。如果可能的話,可以把這杯水分成若干層。由于重力作用,下層的水分子總是受到上層水分子的壓力,力是可以傳遞的,所以,越到最低層水分子受到壓力越大。我們可
2、以把“水杯模型”放大到江河湖海中去。已經(jīng)有前人研究過(guò),水在深度h處的壓強(qiáng)P=gh,等號(hào)兩邊同時(shí)乘以有效受力面積S,有PS=gSh,PS(即壓強(qiáng)×面積)為壓力(即浮力F),Sh(即面積×高)為體積(即排水體積),則船在水中受到浮力F=g。因此,我們可以準(zhǔn)確地來(lái)回答水為什么會(huì)產(chǎn)生浮力了,是因?yàn)橹亓ψ饔眯纬傻撵o水壓力而產(chǎn)生浮力。一、船舶重心、浮心和穩(wěn)心的定義船舶在任一裝載情況下,漂浮于水面(或浸沒(méi)于水中)一定位置時(shí),是一個(gè)處于平衡狀態(tài)的浮體。這時(shí),作用在船上的力,有船舶本身的重力(Gravity),有前述提及的浮力(Buoyancy)。船體的重力包括船體構(gòu)件、機(jī)電設(shè)備、貨物、人員
3、、行李、武備、彈藥等重量形成的重力。船舶的重力W的作用點(diǎn)G成稱為船舶的重心。船體浸水表面的每一點(diǎn)都受到水的靜壓力,這些靜壓力都垂直于船體表面,其大小隨浸水深度增加而增加,如圖1所示??梢?jiàn),靜水壓力的水平分量互相抵消,垂直方向形成一個(gè)垂直向上的合力,這個(gè)合力就是浮力,它支撐船舶漂浮在一定位置。浮力的作用點(diǎn)B稱為船舶的浮心。圖1 重心和浮心船舶在橫傾角后,水線由正浮時(shí)的WL變成傾斜后的W1L1,浮心從原來(lái)的B沿某一曲線移動(dòng)至B1,這時(shí)浮力的作用線垂直于W1L1,并與原正浮時(shí)的浮力作用線相交于M點(diǎn)(如圖2所示)。當(dāng)為小角度時(shí),曲線1可看作是圓弧的一段,M點(diǎn)為曲線1的圓心,=為曲線1的半徑。船舶在小角
4、度傾斜過(guò)程中,可假定傾斜前后的浮力作用線均通過(guò)M點(diǎn),因此,M點(diǎn)稱為橫穩(wěn)心(或初穩(wěn)心),稱為橫穩(wěn)心半徑(或初穩(wěn)心半徑)。圖2 穩(wěn)心和穩(wěn)心半徑二、船舶重心、浮心和穩(wěn)心的關(guān)系根據(jù)阿基米德原理,船舶在水中受到的浮力在數(shù)值上等于它的排水量。=式中:為船舶排水量(t),為船舶排水體積(m3),為水的重量密度(tf/m3),為浮力(tf,習(xí)慣上用質(zhì)量單位t代替)。所以,浮心B也是船舶排水體積的形心(幾何中心)。綜上所述,船舶處于平衡狀態(tài)(浮態(tài))的條件是:(1)重力與浮力的大小相等而方向相反,即W=;(2)重心G和浮心B在同一鉛垂線上;(3)船舶有正浮、橫傾、縱傾、任意浮態(tài)4種浮態(tài);(4)在各種浮態(tài)下,重心G
5、在浮心B之上。船舶的重量、重心可根據(jù)總布置圖和其他有關(guān)圖紙及技術(shù)資料進(jìn)行分析計(jì)算,排水量、浮心依據(jù)型線圖和型值表進(jìn)行分析計(jì)算。具體的計(jì)算方法比較復(fù)雜,可以參考有關(guān)專業(yè)書籍,這里不作介紹。船舶在水上航行時(shí),總是受到風(fēng)浪等外力的干擾,使其傾斜一個(gè)小角度,水線由正浮時(shí)的WL變成傾斜后的W1L1,船的重量在傾斜前后沒(méi)有變化,船的重心保持在原來(lái)位置,船的重力大小等于其受到的浮力大小,數(shù)值上等于它的排水量,所以船的排水體積大小也沒(méi)有變化,但其水下體積形狀發(fā)生了變化,故浮心的位置由原來(lái)的B點(diǎn)移到了B1點(diǎn)。此時(shí),浮心和重心不再位于同一鉛垂線上,浮力和重力就形成一個(gè)力偶,促使船舶回復(fù)到原來(lái)的平衡位置,如圖3(a
6、)所示。自重心G作直線GZ,垂直于通過(guò)B1的浮力作用線,則力偶的矩等于,稱為復(fù)原力矩,通常用MR表示,即MR=,式中為復(fù)原力臂。造成船舶離開(kāi)原來(lái)平衡位置的是傾斜力矩,它產(chǎn)生的原因圖3 船的橫傾有風(fēng)浪作用、貨物移動(dòng)、旅客集中于一舷、船舶回轉(zhuǎn)等。若復(fù)原力矩與傾斜力矩的方向相反,則復(fù)原力矩起著抵抗傾斜力矩的作用,MR為正值。此時(shí),一旦外力消失復(fù)原力矩能使船舶回復(fù)到原來(lái)正浮的平衡位置。若復(fù)原力矩與傾斜力矩的方向相同,則復(fù)原力矩反而促使船舶繼續(xù)傾斜,此時(shí)MR為負(fù)值, 如圖3(b)所示。促使船舶回復(fù)到原來(lái)平衡位置的是復(fù)原力矩,其大小取決于排水量、重心和浮心的相對(duì)位置等因素。因此在傾斜力矩和復(fù)原力矩這一對(duì)矛
7、盾中,前者是影響船舶穩(wěn)性的外因,后者是內(nèi)因。船舶穩(wěn)性可分為初穩(wěn)性(或稱小傾角穩(wěn)性)和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性(或稱小傾角穩(wěn)性)一般指傾斜角度小于10°-15°或上甲板邊緣開(kāi)始入水前(取其小者)的穩(wěn)性。大傾角穩(wěn)性一般指傾斜角度大于10°-15°或上甲板邊緣開(kāi)始入水后的穩(wěn)性。船舶的傾斜可分為橫傾和縱傾。由于船舶縱向尺度大,橫向尺度小,船舶的縱傾一般都屬于小角度情況,大角度傾斜一般只在橫向傾斜時(shí)產(chǎn)生。而且,縱穩(wěn)性高與船長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí),除浮吊等特種船舶外,一般不必考慮縱向穩(wěn)性問(wèn)題。前面我們已經(jīng)知道,船舶橫傾某一小角度時(shí),如果船上的貨物沒(méi)有移動(dòng),則重心位置G保持不變,而
8、浮心則自B點(diǎn)移至B1點(diǎn),如圖4(a)所示。此時(shí)重力W的作用點(diǎn)G和浮力的作用點(diǎn)B1不在同一鉛垂線上,因而產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)原力矩MR,即MR=sin 式(1)式中:為復(fù)原力臂,為橫穩(wěn)性高,也稱初穩(wěn)性高。當(dāng)橫傾角度較小時(shí),sin,上式可寫成MR= 式(2)式(1)或式(2)稱為初穩(wěn)性公式。從復(fù)原力矩MR和橫傾方向(或從穩(wěn)心M和重心G的相對(duì)位置)之間的關(guān)系,可以判斷船舶平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性能:(1)重心G在穩(wěn)心M之下,則復(fù)原力矩MR的方向與橫傾方向相反,當(dāng)外力消失后,它能使船舶回復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài),所以稱為穩(wěn)定平衡(如圖4(a),此時(shí),和MR都為正值;(2)重心G在穩(wěn)心M之上,則復(fù)原力矩MR的方向與橫傾方向相
9、同,它使船舶繼續(xù)傾斜而不再回復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài),所以稱為不穩(wěn)定平衡(如圖4(b),此時(shí),和MR都為負(fù)值;(3)重心G與穩(wěn)心M重合,=0,MR=0,當(dāng)外力消失后,船不會(huì)回復(fù)到原來(lái)的位置,也不會(huì)繼續(xù)傾斜,稱為中性平衡或隨遇平衡(如圖4(c)。圖4 重心和穩(wěn)心的關(guān)系上面(2)、(3)兩種情況下船舶的穩(wěn)性得不到保障,是不允許出現(xiàn)的。從初穩(wěn)性公式式(1)和式(2)中可以看出:船舶在一定排水量下產(chǎn)生小橫傾時(shí),橫穩(wěn)性高越大,復(fù)原力矩MR也越大,也就是抵抗傾斜力矩的能力越強(qiáng)。因此,橫穩(wěn)性高是衡量船舶初穩(wěn)性的主要指標(biāo)。但是,橫穩(wěn)性高過(guò)大的船舶,其搖擺周期短,在遇到風(fēng)浪時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇的搖晃,故橫穩(wěn)性高的數(shù)值要選取適
10、當(dāng)。我國(guó)對(duì)不同種類的船舶的橫穩(wěn)性高都有限制性規(guī)定,例如,干貨船的橫穩(wěn)性高應(yīng)在0.31.0m。綜上所述,船舶初穩(wěn)性中最重要的問(wèn)題是,弄清楚浮心B、重心G和穩(wěn)心M的位置以及三者之間的關(guān)系,這里小結(jié)如下:初穩(wěn)性高是衡量船舶初穩(wěn)性的重要指標(biāo),可寫成=+- 式(3)式中,K點(diǎn)為參考基點(diǎn),為浮心高度,為初穩(wěn)性半徑,為重心高度;令= -為浮心和重心之間的距離,則上式也可寫成=- 式(4)三、船舶“三心”的應(yīng)用1.保證船舶具有一定的儲(chǔ)備浮力。船舶在水面的漂浮能力是由儲(chǔ)備浮力來(lái)保證的。所謂儲(chǔ)備浮力是指滿載水線以上主體水密部分的體積所能產(chǎn)生的浮力。船體損壞后,水進(jìn)入艙室必然導(dǎo)致浮力損失,吃水增加,浮心上移,當(dāng)儲(chǔ)備
11、浮力無(wú)法彌補(bǔ)浮力損失時(shí),船就會(huì)沉沒(méi)或擱淺。儲(chǔ)備浮力根據(jù)船型、航區(qū)以及貨種而定,內(nèi)河駁船的儲(chǔ)備浮力約為其滿載排水量的10%-15%,海船約為50%,軍艦在100%以上。為此,我國(guó)規(guī)定了國(guó)際航行海船、國(guó)內(nèi)航行海船和河船的最小干舷、最小船首高度和載重線標(biāo)志等的要求。2.在設(shè)計(jì)或航行時(shí),保證船舶處于正浮狀態(tài)或稍有尾傾。船舶處于正浮狀態(tài)有利于船舶安全航行。只有船舶具有平穩(wěn)性,船上各種機(jī)械和電氣設(shè)備才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),也能延長(zhǎng)其使用壽命。更重要的是,船舶處于正浮狀態(tài)更能保證船舶穩(wěn)性。如果船舶本身處于傾斜狀態(tài),在受到傾斜力矩或者大舵角操作時(shí),就會(huì)加劇船舶傾斜,可能導(dǎo)致船舶傾覆。船舶適當(dāng)尾傾可以提高螺旋槳推力的利用率,還可以減小船首水阻力。3.貨物配積載時(shí)應(yīng)考慮船舶穩(wěn)性。為避免船舶裝載方案確定后出現(xiàn)穩(wěn)性不足的情況,駕駛?cè)藛T注意合理配載貨物,防止船舶重心過(guò)高,船舶初穩(wěn)性高度過(guò)小,導(dǎo)
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