Остойчивостью судна называют такое его свойство, благодаря которому судно при воздействии на него внешних факторов (ветер, волны и др.) и внутренних процессов (смещение грузов, перемещение жидких запасов, наличие свободных поверхностей жидкости в отсеках и т.д.) не переворачивается. Остойчивость судна – одно из его мореходных качеств: плавучести, остойчивости, ходкости, качки, управляемости.
Наиболее ёмким определением остойчивости судна может быть следующее: способность судна не переворачиваться при воздействии на него природных морских факторов (ветра, волнения, обледенения) в назначенном ему районе плавания, а также в сочетании с «внутренними» причинами, вызванными действиями экипажа.
Остойчивость водоизмещающих судов (судов, плавающих на поверхности воды) по своему механизму возникновения отличается как от подводных судов, так и от судов с динамическими принципами поддержания, хотя и они должны обладать этим мореходным качеством.
В настоящее время в научных исследованиях, посвященных остойчивости водоизмещающих судов, рассматривается очень сложное взаимодействие нескольких факторов – шквалистого ветра, нерегулярного морского волнения, динамики жидкости во внутренних помещениях и отсеках судна и на палубе, а также динамики судна со сместившимся грузом.
В практических задачах, связанных с нормальной эксплуатацией судна, экипаж сталкивается только с проверкой остойчивости судна, подчиненной строгим методикам, либо решением частных задач, например, о влиянии перемещения твердых и жидких грузов, об оценке величины крена и дифферента судна, либо в задачах, связанных уже с аварийной остойчивостью и непотопляемостью.
Остойчивость водоизмещающего судна основана на природном свойстве плавающего на поверхности воды объекта – стремится вернуться в первоначальное положение после прекращения этого воздействия. Таким образом, остойчивость, с одной стороны, естественна, а, с другой, требует регламентированного контроля со стороны человека, принимающего участие в его проектировании и эксплуатации.
При проектировании судна стараются обеспечить определенный диапазон возможностей в части остойчивости, но любые действия экипажа по изменению нагрузки судна требуют строгого расчетного контроля для обеспечения безопасности.
Водоизмещающее судно, плавающее на поверхности тихой воды, в спокойном состоянии при определённых внешних воздействиях может находиться в равновесии. Это вертикальное равновесие обеспечивается за счет равенства сил тяжести (водоизмещения) судна и противодействующих им сил поддержания (или сил плавучести) со стороны воды. Условия и свойства вертикального равновесия судна рассматриваются в теории судна в разделе плавучести.
Эти же две категории сил участвуют в обеспечении остойчивости, хотя их взаимодействие при крене судна существенно изменяется.
Вес судна (точнее «весовое водоизмещение») представляется в теории судна как сосредоточенная сила тяжести, приложенная в центре тяжести судна. Эта идеализация вполне допустима в задачах остойчивости и совершенно не годится в задачах прочности судна. В действительности вес судна представляет собой распределенную по длине, ширине и высоте судна неравномерную нагрузку, которая меняется при любых действиях экипажа по перемещению и расходованию грузов и запасов. Вторая сила – сила плавучести, так же как и вес судна, в остойчивости представляется как сосредоточенная сила, приложенная к судну в центре подводного объема, называемом «центром величины».
В действительности реакция воды на неподвижное судно, погруженное в неё, проявляется в виде неравномерно распределённого гидростатического давления в точках наружной поверхности погруженного корпуса.
При наклонениях судна эта распределенная нагрузка изменяется по своему характеру, однако, результирующая вертикальная сила (сила плавучести) остается постоянной согласно третьему закону Ньютона («действие равно противодействию»).
Перераспределение гидростатического давления по поверхности судна при его наклонении приводит к изменению положения «центра величины» внутри судна.
При вертикальном положении судна центр тяжести и центр величины расположены на одной вертикали, следовательно, момент силы веса и плавучести равен нулю.
В наклонном положении судна эти силы уже не лежат на одной вертикали, хотя и остаются параллельными, и образуют в пространстве пару сил, момент которой не равен нулю.
В остойчивости принято методически выделять поперечную и продольную остойчивость как самостоятельные разделы этой дисциплины. В большинстве практических задач такое разделение наклонений судна допустимо. Механика остойчивости в продольной и поперечной плоскостях аналогична, хотя порядок участвующих величин сильно отличается. Отличаются также методы и подходы, что сделало эти разделы единой науки относительно независимыми.
Для наклоненного судна схема действия сил сводится к паре сил (силам веса и поддержания), обладающим некоторым моментом, который принято называть восстанавливающим моментом. Знак этого момента принимают положительным, если его действие стремится уменьшать угол крена.
Важно, что появление восстанавливающего момента – это только реакция судна на появление крена или дифферента, то есть на изменение симметрии формы его подводного объема. При всех свободных наклонениях, при которых на судно извне действуют только внешние моменты (а не изолированные силы), судно только наклоняется (поворачивается), но не получает линейного перемещения (дрейфа или погружения). Иными словами, крен и дифферент судна – это результат совместного воздействия кренящих и восстанавливающих моментов. Без внешних моментов симметричное по форме корпуса и симметрично загруженное судно (с центром тяжести в диаметральной плоскости) плавает по поверхности воды в прямом положении.
Однако, вертикально плавающее судно при появлении внешних моментов в первый момент не оказывает им противодействия (поскольку вес и сила поддержания проходят по одной прямой). Вследствие отсутствия этого противодействия судно начинает наклоняться, изменяя конфигурацию подводного объема и «теряя симметрию» погруженного объёма. Процесс наклонения заканчивается тогда, когда внутренний (восстанавливающий) момент достигает величины внешнего момента и наступает новое состояние равновесия, теперь уже – для наклоненного судна. И это состояние будет сохраняться, пока внешний момент не изменится или не исчезнет. Как только это произойдет, восстанавливающий момент заставит судно принять вновь вертикальное положение, т. е. «восстановит» судно. При любом изменении баланса между внешним кренящим и восстанавливающим моментом судно будет изменять свое положение на поверхности воды в направлении действия большего по величине момента.
Такова физическая картина, рассматриваемая в разделе теории остойчивости, называемом статической остойчивостью.
При прочих условиях, когда процесс наклонения рассматривается протекающим во времени, а внешний кренящий и восстанавливающий моменты изменяются по величине (и во времени) следует учитывать инерцию самого судна и окружающей жидкости. Этот круг вопросов составляет предмет динамической остойчивости.
Таким образом, статическая остойчивость изучает равновесные состояния судна под действием постоянных внешних моментов, и условия этого равновесия, а динамическая остойчивость занимается комплексом проблем, включая опрокидывание судна в реальных условиях его эксплуатации.
Если рассматривать наклонения в продольной (диаметральной) и в поперечной (в плоскости миделя) плоскостях, то можно говорить о продольной и поперечной остойчивости судна.
Теория продольной остойчивости позволяет рассчитать и предсказать дифферент судна и его посадку на тихой воде, что очень важно для экипажа при решении проблем загрузки судна, обеспечения прочности, определения количества груза на судне, безопасной его посадки, заливаемости, слемминга и т.д.
Теория поперечной остойчивости позволяет судоводителю
-оценивать уровень безопасности мореплавания,
-планировать и осуществлять действия по распределению грузов и запасов на судне,
-выполнять необходимые расчеты по методикам контроля остойчивости Регистра судоходства и ИМО,
-обосновывать те или иные действия по изменению загрузки судна.
Кроме того, существует условное методическое разделение остойчивости на начальную остойчивость и остойчивость при больших наклонениях.
В первом случае удается за счет введения упрощающих предположений получить несложные расчетные формулы для некоторых важных величин, а во втором – применять графоаналитические методы при невозможности применения простых формул начальной остойчивости.
