Stabilność (kadłub)

Pięta to nachylenie statku wokół jego osi podłużnej (x)

W budownictwie okrętowym i naukach morskich termin stateczność odnosi się do właściwości ciała pływającego , na przykład statku, do utrzymywania pionowej pozycji pływania lub samodzielnego prostowania się w odpowiedzi na moment obrotowy przechylający .

Stateczność statków pełnomorskich

Czynniki wpływające

Następujące czynniki decydują o indywidualnej stateczności statku.

Inne warunki pracy, które należy wziąć pod uwagę, to:

Podstawy fizyczne

Położenie środka ciężkości (G), środka nośności (B) i metacentrum (M), gdy statek jest wyprostowany lub przechylony

Podstawowymi parametrami stateczności statku są środek ciężkości i środek nośności (również forma lub wyporność środka ciężkości ), a także wynikająca z tego wysokość metacentryczna .

W środku ciężkości można sobie wyobrazić, że cały ciężar statku skierowany w dół koncentruje się w jednym punkcie. Jeśli statek jest przechylony, utrzymuje swoją pozycję na statku tak długo, jak wszystkie masy na statku pozostają na swoim miejscu. (Na przykład, jeśli ładunek ześlizgnie się lub dostanie się woda, zmienia to środek ciężkości).

Można sobie wyobrazić całkowitą wagę w górę wypartej wody w centrum wyporu. Zmienia swoją pozycję podczas przechylania, ponieważ kształt kadłuba zmienia również „kształt” przemieszczanej wody.

Kiedy statek znajduje się w pozycji pionowej, środek ciężkości znajduje się dokładnie poniżej środka wyporu. Jeśli statek jest przechylany przez wpływ zewnętrzny, środek ciężkości i środek wyporu nie są już do siebie prostopadłe. Powstaje moment prostujący , który przywraca statek do pozycji wyjściowej po usunięciu wpływu przechylania.

Identyfikacja i ocena

Krzywa ramienia dźwigni. GZ odpowiada ramieniu ramienia prostującego

Kluczowymi parametrami oceny stateczności statku są stateczność początkowa (metacentryczna wysokość początkowa), zakres stateczności oraz pole pod krzywą ramion prostujących. Wysokość metacentryczna jest parametrem ramienia ramienia prostującego. Zakres stateczności oznacza obliczone przechylenie statku w stopniach do punktu przewrócenia się, a krzywa ramienia ramienia prostującego jest graficzną reprezentacją ramienia ramienia prostującego w pełnym zakresie przechyłu do punktu przewrócenia. Ramię dźwigni staje się silniejsze wraz ze wzrostem pięty, następnie słabsze i słabsze, a przy jeszcze silniejszym piętie znów staje się mniejsze, aż w końcu osiągnie punkt wywrócenia, gdy środek ciężkości wyjdzie poza środek unoszenia. Dzięki obszarowi pod krzywą ramienia dźwigni możliwe jest nie tylko udowodnienie, że została osiągnięta minimalna stabilność, ale także zademonstrowanie niepożądanie wysokiego poziomu stabilności.

Przepisy ustawowe

Kilka rezolucji IMO ma decydujące znaczenie dla stabilności statków . Najważniejsze z nich to rezolucje A.749 (18) i MSC.267 (85) ( 2008 IS Code ) dotyczące stateczności statków morskich w stanie nienaruszonym lub odpowiednio rozporządzenie SOLAS dotyczące statków pasażerskich. Nawet jeśli wymagania tam sformułowane nie są wiążące, wiele państw bandery i z. Na przykład UE przyjęła również przepisy IMO we własnych przepisach dotyczących stabilności. Jednak statki handlowe pływające pod niemiecką banderą muszą również spełniać bardziej rygorystyczne przepisy See-Berufsgenossenschaft , obecnie BG Verkehr, w tym zakresie .

Typowe wymagania dotyczące stabilności to na przykład:

  • Minimalna wielkość wysokości metacentrycznej , odległość między środkiem ciężkości a metacentrum.
  • Obszar pod krzywą dźwigni prostującej.
  • Kąt maksymalnego łuku ramienia prostującego.
  • Moment prostujący przy określonym kącie przechyłu jest sprawdzany za pomocą aktywnego ramienia dźwigni.

Stateczność jest brana pod uwagę już w fazie projektowania statku i między innymi. zbadane na podstawie określonych standardowych przypadków obciążenia. Obecnie stateczność jest zwykle weryfikowana za pomocą komputera pokładowego, który z góry oblicza wszystkie kryteria obciążenia i stateczności. Środek ciężkości statku wyznacza się eksperymentalnie w próbie przechyłu . Faktura jest sprawdzana przez towarzystwo klasyfikacyjne upoważnione przez państwo bandery i jest uważana za przyjętą, jeśli spełnione są wszystkie przepisy statecznościowe mające zastosowanie do danego statku. Sprawdzone dokumenty stateczności stanowią część dokumentów pokładowych.

Względy praktyczne

Zachowanie przechyłu statków z dużym ramieniem ramienia prostującego nazywa się sztywnym , to statków z małym ramieniem ramienia prostującego nazywa się miękkim, a statek z bardzo małym ramieniem ramienia prostującego nazywa się szeregiem .

Typy statków, takie jak kontenerowce lub promy, często mają niepożądanie wysoko położony środek ciężkości ze względu na ich obciążenie i konstrukcję, co skutkowałoby niewystarczającą statecznością. Aby zapewnić wystarczającą stateczność, duże obciążenie pokładu kompensuje się dużą pojemnością wody balastowej, głównie w zbiornikach z podwójnym dnem. Odwrotną sytuację można znaleźć na przykład w przypadku statków do przewozu rudy , które podczas załadunku zwykle mają wyjątkowo nisko położony środek ciężkości. Statek o niepożądanie dużej stabilności ma bardzo krótki okres kołysania z małymi kątami kołysania, które występują z powodu dużych przyspieszeń , przesłaniając łaskę szarży lub obrażenia ciała, a konwoje byłyby bardzo uciążliwe. Tutaj środek ciężkości jest przesunięty w górę przez absorpcję wody balastowej w wysokich zbiornikach, aby poprawić to zachowanie.

Ocena stateczności statku dotyczy nie tylko samego kadłuba, ale także różnych warunków, które zmieniają się podczas eksploatacji. Dotyczy to głównie załadunek statku, w którym, na przykład, szczególne przepisy dotyczące ładunków zboża (które można łatwo wsunąć jak sypkich ) lub małe kąty przechyłu ciężkich towarów Colli na pokładzie muszą być brane pod uwagę. Ponadto zmieniające się warunki podczas eksploatacji, w szczególności ze względu na zużycie bunkrów, materiałów eksploatacyjnych i świeżej wody, a także zmiany ilości wody balastowej od początku do końca rejsu muszą być wyliczone z góry. Należy również wziąć pod uwagę wpływ różnych zewnętrznych warunków eksploatacyjnych, takich jak ciśnienie wiatru, falowanie, wchłanianie wody przez ładunek pokładowy i gromadzenie się wody na pokładzie lub oblodzenie w zimnych regionach. Wreszcie, ale nie mniej ważne, należy również wziąć pod uwagę wpływy wewnętrzne, takie jak ustawienie twardych sterów na pełną prędkość lub możliwą sytuację, w której wszyscy pasażerowie przesuną się na jedną stronę statku pasażerskiego.

Podczas rejsu mogą powstawać inne tak zwane dynamiczne obciążenia stabilności od wiatru i falowania. Głównie chodzi tu o wpływy silnych podmuchów wiatru, zachowanie się statku podczas falowania i falowania, a także występujące rezonanse okresów kołysania. Ponieważ zjawisk tych nie można po prostu ująć w formuły ze względu na bardzo złożone bilanse energetyczne, na których są oparte, ich ocenę nadal w dużej mierze pozostawia się doświadczeniu nautycznemu dowództwa statku. W przypadku nieszczelności rozkład masy, jak również pływalność mogą się znacznie zmienić, tak że statek wywróci się, mimo że nadal jest w pełni wyporny. Z powyższego wynika, że ​​ocena stateczności statków jest trudniejsza, im bardziej złożona i im bardziej zmienne są warunki eksploatacji.

Stabilizatory statków

Na większych statkach, zwłaszcza pasażerskich , często stosuje się układy tłumiące ruch statku na osi podłużnej lub podobne. B. ze stabilizatorami płetw, mogą być aktywnie kontrolowane.

Obszar rzemiosła przyjemności

W przeciwieństwie do statków handlowych i morskich, statki wycieczkowe są często prostsze konstruowane. Często składają się one zasadniczo z pustego kadłuba, prawdopodobnie z masztem i żaglami. W praktyce wystarczy więc wziąć pod uwagę kilka aspektów: średni przekrój torsu, środek ciężkości i/lub dodatkowy ciężarek stabilizujący.

Pływające statki

Na szczególną uwagę zasługują żaglówki i statki. Ponieważ ich żagle oferują bardzo dużą powierzchnię do ataku wiatru, bez odpowiednich środków zaradczych po prostu przewróciłyby się przy niskiej sile wiatru.

Stabilność łodzi żaglowej zależy w dużej mierze od kształtu kadłuba i rozkładu ciężaru łodzi (w tym załogi). Istnieją dwa elementy, których można użyć do wyrównania pięty. Poza kilkoma szczególnymi przypadkami (łodzi czysto wymiarowo stabilnych), na stabilność zawsze składają się dwa elementy wznoszące:

  • Stabilność ciężaru – nisko położony kil balastowy wymusza powrót łodzi do pozycji pionowej ( zasada stojącego człowieka ).
  • Stabilność wymiarowa – kształt tułowia sprzyja powrotowi do pozycji wyjściowej.

Stabilność wagi

Stabilność masy dzięki stępce balastowej

W żaglowcach i jachtach stępka balastowa działa jako przeciwwaga przeciwdziałająca przechylaniu . Zawiera do 50% masy statku, a tym samym powoduje moment prostujący. Pewien przechył pod żaglem - w zależności od konstrukcji statku od 20 do 45° - jest normalny na tych jednostkach i nie stanowi dla statku Na rysunku G to środek ciężkości (środek ciężkości łodzi) i A to geometryczny środek ciężkości (środek ciężkości wypartej masy wody). Ze względów mechanicznych siły ciężaru można traktować jako połączone w punkcie G i siły wyporu jak w punkcie A. Wraz ze wzrostem przechyłu środek ciężkości przesuwa się dalej na zewnątrz, a tym samym zwiększa się moment prostujący . Dlatego niektóre żaglowce prostują się ponownie, nawet jeśli są przechylone o więcej niż 120°. Można je obracać tylko kilem do góry w bardzo wysokich falach i dlatego uważa się je za bezpieczne przed przewróceniem . Jeśli jednak do wnętrza łodzi dostaną się większe ilości wody, opadają one z powodu dużego balastu. Jeżeli taki kadłub utraci swój balastowy kil, na przykład po zetknięciu się z ziemią, prawie nie ma stabilności i właściwie nie można już zapobiec jego wywróceniu.

Stabilność wymiarowa

Stabilność wymiarowa

W przeciwieństwie do jachtów kilowych, większość pontonów jest w dużej mierze stabilna wymiarowo. Lekki miecz pontonu (w większości rozkładany) nie ma godnego uwagi efektu prostowania. Również katamarany czy trimarany ze względu na swoją szerokość mają dużą stabilność wymiarową.

Na sąsiednim rysunku G to środek ciężkości (środek ciężkości łodzi), a A to środek ciężkości formy (środek ciężkości wypartej masy wody). W tych punktach można pomyśleć o połączonych siłach ciężaru lub wyporu. Pozycja A ma decydujące znaczenie dla stabilności wymiarowej.

Gdy łódź jest w pozycji pionowej, ta sama ilość wody przemieszcza się po obu stronach kadłuba. A jest wtedy w środku przekroju kadłuba, nie ma momentu obrotowego. Wraz ze wzrostem pięty (patrz zdjęcie) woda przemieszcza się głównie po jednej stronie kadłuba. W rezultacie A migruje na zewnątrz, tworząc moment obrotowy. Im szersza łódź, tym dalej A przesuwa się na zewnątrz i tym silniejszy jest moment prostujący. Jeśli jednak pięta stanie się zbyt duża, moment obrotowy ponownie się zmniejszy, ponieważ szeroki tułów jest pochylony i A jest ponownie bliżej środka. Niewielki przechył jest więc kompensowany przez potężny moment prostujący („opór wody”), podczas gdy zbyt duży przechył prowadzi do wywrócenia łodzi. Katamarany wywracają się, gdy pięta osiąga 90 °.

Istnieją nawet przykłady całkowicie stabilnych wymiarowo typów łodzi z ujemną stabilnością początkową. W spoczynku nie mają one wyprostowanej pozycji do pływania.

Środki zaradcze w przypadku dużego obcasa

Marynarz wisi na trapezie, aby zrównoważyć katamaran.

Przechyły jachtów kilowych jak i katamaranów czy pontonów można zredukować każąc załodze „siedzieć na wysokiej krawędzi”, czyli na relingu po stronie nawietrznej lub zmniejszając powierzchnię żagla ( refowanie ). Kiedy żaglowych pontony , zawiesza załogi w trapezie , aby móc dalej jeździć po nawietrznej. Wywracanie się może się zdarzyć podczas pływania pontonami. W zamian wyposażone są w pływaki, dzięki czemu nie toną mimo wywrócenia. Niemniej jednak pontony nie nadają się do pływania na pełnym morzu i nawet dobrzy żeglarze na łódkach nie będą już wypływać, jeśli ogłoszone zostaną prędkości wiatru większe niż 6 .

Przechył automatycznie zmniejsza efektywną powierzchnię żagla, a kształt kadłuba również preferuje określony kąt przechyłu, przy którym statek może osiągnąć największą prędkość. W związku z tym statek zwalnia z powodu silnego przechyłu, a przebywanie na pokładzie staje się bardziej niewygodne. Istnieje również zwiększone ryzyko tzw. strzału słonecznego z powodu nadmiernego przechyłu oraz „ wymykania się spod kontroli” statku i „strzelania pod wiatr”. Jest nawet gorzej, jeśli główny Boom nock jest zanurzony w wodzie, co może prowadzić do poważnych uszkodzeń wiertnicy . Dlatego refowanie w odpowiednim czasie – pomimo zmniejszonej powierzchni żagla – może wzrosnąć.

Łodzie motorowe

Typowy jacht motorowy ze stanowiskiem sterowym na dachu
Lotniskowiec Ronald Reagan pięty podczas testów wioślarskich.

Łodzie motorowe do pływania rekreacyjnego są łodziami prawie wyłącznie stabilnymi wymiarowo, mają szeroki i płaski kadłub ze stosunkowo nisko położonym środkiem ciężkości. Łodzie motorowe mogą się przewrócić podczas wykonywania ciasnych zakrętów z dużą prędkością. Przy silnym wietrze bocznym zazwyczaj oferują większą powierzchnię do ataku niż jacht żaglowy bez żagla, ponieważ mają kilka pokładów. Jeśli występują odpowiednie fale, jest to również niebezpieczne dla jachtu motorowego.

Kąt wywrócenia

W zależności od tego, jak dana łódź zachowuje się przy różnych kątach przechyłu, mówi się o wysokiej stabilności początkowej lub końcowej . Dynamiczny kąt wywrotu , od którego kąt wzrasta nawet bez zewnętrznych momentów, takich jak napór wiatru, odnosi się do końcowej stabilności . Środek podnoszenia porusza się pod środkiem ciężkości. Przy stabilnych jachtach kilowych ten kąt wywracania wynosi zwykle od 110 ° do 160 °, z drugiej strony w przypadku pontonów jest zwykle mniejszy niż 90 °, przy czym te ostatnie łatwo pozostają stabilne w wodzie z mieczem skierowanym do góry, podczas gdy kil jachty zwykle szybko się wywracają.

Zobacz też

Indywidualne dowody

  1. ↑ a b żeglarstwo , strona 163
  2. ^ Żeglarstwo , strona 162.
  3. ↑ „Wymykanie się z ręki” oznacza, że ​​ster jest zablokowany, ponieważ nie jest już prawidłowo myty lub całkowicie wystaje z wody. To uniemożliwia kierowanie.
  4. ↑ Żeglarstwo , strona 270 - Ze względów bezpieczeństwa łodzie są zwykle skonstruowane tak, aby były łatwe do wyostrzenia, tak więc w przypadku zgubienia steru łódź wyostrzy się i odzyska kontrolę.

literatura

  • Helmers, Walter (red.): Müller-Krauss, podręcznik zarządzania statkami . Tom 3, Żeglarstwo i technologia okrętowa, część B. Springer Verlag, Berlin 1980, ISBN 3-540-10357-0 .
  • Hermann Kaps: Stabilność, trym, wytrzymałość W: Knud Benedict (hr.), Christoph Wand (hr.): Manual Nautics II - Techniczne i operacyjne zarządzanie statkami . Seehafen Verlag (DVV Media Group), Hamburg 2011, ISBN 978-3-87743-826-8 , s. 65-153.
  • Werner Voss: Stabilność. w tym różne załączniki (plany wyważenia i załadunku, diagramy, arkusze stateczności i rezonansu itp.) (wyd.), Szkoła Morska w Bremie, wydanie 1963.

linki internetowe

Commons : Stabilność  - kolekcja obrazów, filmów i plików audio