Классификация сил, действующих на корабль при
КАЧКЕ
На корабль, как на твердое тело, совершающее движение с ускорением, кроме силы веса D действуют также силы и моменты, обусловленные инерцией. Их можно записать в виде:
; ; ; Jx ; Jy ; Jz .
Здесь - масса корабля; Jx ,Jy , Jz - моменты инерции массы корабля относительно осей Gх , Gy и Gz .
Ввиду того, что корабль качается на поверхности воды, со стороны воды действуют силы и моменты гидромеханической природы. Они разделяются на несколько составляющих .
1. Гидростатические силы - результирующие гидростатических давлений, действующих на смоченную поверхность корабля, переменную во время качки.
В равновесном положении при отсутствии качки на корабль действует сила плавучести, равная Pгидрост= - gV0 (V0 - объемное водоизмещение, знак " - " выбран потому, что сила направлена вертикально вверх - против положительного направления оси 0 ).
При качке в воду будут входить дополнительные объемы vt или будет меняться форма подводного объема корабля, вследствие чего возникнут восстанавливающие силы и моменты. Пример определения восстанавливающей силы для чисто вертикальной качки симметричного (или почти симметричного) относительно мидельшпангоута корабля показан на рис. 4. В этом случае Pвосст = - gS0g, так как дополнительный погруженный объем vt = S0g.. Знак " - " взят потому, что сила направлена против перемещения.
Для нессиметричного относительно мидельшпангоута корабля добавляется сила , учитывающая влияние килевой качки на вертикальную. В этом случае
(1)
Где -отстояние ЦТ ватерлинии от ЦТ корабля
Для чисто бортовой качки
Мхвосст = - Dh0 . (2)
Здесь h0 - начальная поперечная метацентрическая высота.
Это выражение было получено еще в статике корабля. Знак " - " взят потому, что восстанавливающий момент действует против наклонения.
Для килевой качки симметричного относительно мидель - шпангоута корабля
Мувосст = - DH0 , (3)
где Н0 - начальная продольная метацентрическая высота.
Для нессиметричного судна с учетом влияния вертикальной качки
(4)
Рис. 4. Определение восстанавливающих сил при вертикальной качке
2. Гидродинамические силы. Это силы, возникающие в результате передачи кораблем части своей энергии окружающей воде. Некоторая доля ее тратится на придание частицам воды скоростей - возникают силы сопротивления (демпфирования) качке, а остальная энергия тратится на придание частицам воды ускорений - возникают силы инерции окружающей воды.
Силы сопротивления могут быть волновой природы (энергия идет на созда-ние отходящих от судна волн) и вязкостной (энергия тратится на преодоление трения воды и на вихреобразование).
При малых наклонениях
Рсопр = ;
Рсопр = (5)
и т.д.
В этих выражениях:
- коэффициенты сопротивления; i - индекс, обозначающий тот вид качки, для которого подсчитывается сила сопротивления; k - тот вид качки, который оказывает влияние.
С учетом симметрии корабля относительно ДП и несиметрии мидельшпангоута и предположения о достаточно больших отношениях L/B и L/T, можно существенно упростить выражения (5)
Рсопр = ; Pсопр = ;
Pсопр = + ; Mxcопр = ;
Мусопр = + ; Mzсопр= . (6)
Аналогичным образом можно получить упрощенные выражения для инерционных сил:
Рин = ; Pин = ;
Pин = + ; Mxин = ;
Муин = + ; Mzин = . (7)
Здесь - присоединенные массы - мера инерции окружающей корабль воды.
Для определения гидродинамических сил существуют различные методы.
3. Возмущающие силы и моменты. На волнении часть энергии волн передается кораблю - действуют возмущающие силы и моменты. Они переменны во времени. Величина их зависит от размеров набегающих на корабль волн, размеров корабля и его положения относительно волн.
В общем виде возмущающие силы и моменты запишем как Р(t), P(t), P(t), Mx(t), Му(t), Mz(t). На тихой воде возмущающие силы и моменты равны 0.