6 podstawowych zasad stateczności statku

Poznaj 6 podstawowych zasad stateczności statku. Koncepcję hydrostatyki i stateczności można uznać za jeden z najważniejszych obszarów, na których skupia się projektowanie i eksploatacja statku morskiego, nie tylko w celu zapewnienia bezpieczeństwa statku, ładunku, załogi i pasażerów, ale także zapewnienia odpowiednich warunków do realizacji wszelkich procesów na statku. W artykule omówimy podstawową koncepcję stateczności statku.

Założenia stateczności możemy streścić w 3 punktach.

1. W jakim stanie jest statek (tonie czy unosi się na wodzie)
2. Na którą z burt statek się przechyla (prawa czy lewa)?
3. W którym kierunku statek jest przegłębiony (na dziób czy na rufę?)

Jeśli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania to jedno jest pewne. Musisz poznać 6 podstawowych zasad stateczności statku.

1. Zasada Archimedesa

Podstawowe pytanie jakie zadają wszystkim kadetom na statku. Dlaczego mała metalowa kulka tonie w wodzie a taki stalowy statek unosi się na niej?

Chociaż pytanie jest dość banalne to odpowiedź na nią stanowi podstawę stateczności statku dzięki zastosowaniu prawa Archimedesa.

Ciało całkowicie lub częściowo zanurzone w cieczy jest poddawane wypychaniu w górę siłą równą ciężarowi cieczy wypartej przez zanurzone ciało.

Kamień zatonie gdyż jego waga jest większa niż siła wypartej przez ten kamień wody. Gdyby zamiast takiego kamienia spróbować wepchnąć piłkę do wody wówczas poczujesz opór, który powstrzymuje cię przed zrobieniem tego. To jest właśnie siła wyporu, o którym mówimy w zasadzie Archimedesa. Siła ta jest również nazywana „siłą wyporu” lub po prostu pływalnością.

Kiedy umieszczamy jakiś przedmiot w wodzie, ten przedmiot wypiera trochę wody. No to może trochę praktyki.

Więc jeśli wrzucimy kamień do zbiornika całkowicie wypełnionego wodą, wówczas woda wyleje się ze niego, ponieważ kamień wyparł trochę wody z tego zbiornika.

Co to nam daje? Daje nam to sposób na obliczenie siły wyporu, jaką obiekt zanurzony w wodzie (lub jakimkolwiek płynie) ją wypiera.

2. Jak statki unoszą się na wodzie?

Więc co musimy zrobić, aby obiekt mógł unosić się na wodzie? Wszystko, co musimy zrobić, to upewnić się, że obiekt wypiera więcej wody niż jego własny ciężar.

Powiedzmy, że statek posiada niewielką masę 10 000t i wykonany jest ze stali, a obok niego sześcian o wadze 10 000t wykonany z tego samego materiału – stali.

Oba obiekty zostaną umieszczone w wodzie i statek unosi się na wodzie, a sześcian tonie. Dlaczego tak się dzieje skoro ciężar i materiał obu obiektów jest taki sam (wliczając w to grawitację)?

Dzieje się tak, ponieważ siła wyporu działająca na statek jest większa niż działająca na sześcian.

Zobaczmy, dlaczego?

Założenia:

• Standardowa gęstość wody: 1,025 t/m³
• Rozmiary sześcianu: 10m x 10m x 10m
• Waga sześcianu: 10 000 t (objętość: 1000 m³)

Obliczenia:

Objętość x gęstość wody = siła wyporu

1000 x 1,025 = 1025t

Siła wyporu działająca na sześcian wyniesie 1025t. Ponieważ waga sześcianu (siła skierowana w dół) wynosi 10 000t, a siła wyporu tylko 1025t wówczas ten sześcian będzie przesuwał się w dół, aż do momentu całkowitego zatonięcia.

Teraz przyjrzyjmy się siłom działającym na statek o masie 10 000t.

Założenia:

• Długość: 150 metrów.
• Szerokość: 30 metrów
• Wysokość od stępki do pokładu głównego: 20 metrów

Obliczenia:

Gdyby był zanurzony na pełną wysokość, wyparłby 63 000 m3 (150m x 30m x 20m x 0,7) wody. (wartość 0,7 to współczynnik pełnotliwości statku).

63 000 x 1,025 = 64575t

Oznacza to, że siła wyporu działająca na statek wynosi 64575t czyli więcej niż sama waga statku (10 000t), a więc statek ma prawo unosić się na wodzie.

---

Przeczytaj więcej o stateczności

---

3. Pływalność (Buoyancy)

W powyższym przykładzie policzyliśmy siłę wyporu statku. Ponieważ waga statku wynosiła 10 000t, oznacza to, że będzie on generował siłę netto skierowaną do góry równą 56575t.

Ta siła skierowana ku górze będzie unosić statek, aż do momentu kiedy siła wyporu zrówna się z ciężarem statku. Zatem w stanie równowagi siła wyporu będzie równa masie statku, która wynosi 10 000t.

Pozostała pływalność 56757 T będzie służyć jako pływalność rezerwowa (reserve buoyancy).

Nie zapomnijmy również o sile grawitacji. Dla przykładu, gdy statek jest w stanie nieruchomym, siła wyporu działająca na statek będzie równa sile grawitacji działającej na ten statek. Zatem kiedy dodamy jakąkolwiek wagę do tego statku, wówczas działająca siła będzie inna wraz ze wzrostem siły grawitacji (większa masa). Oczywiście spowoduje to zatonięcie statku, gdy wyporność zrówna się z działającą w dół siłą grawitacji.

Krótko mówiąc, statek może pływać lub tonąć, a to jak bardzo będzie tonął i jak bardzo będzie pływał, jest funkcją tych dwóch opisanych sił działających w przeciwnym kierunku.

• Siła wyporu działająca w górę
• Siła grawitacji działająca w dół

4. Środek ciężkości (Center of Gravity)

Środek ciężkości dowolnego obiektu jest punktem w trójwymiarze na tym ciele, przy założeniu że całkowita waga przedmiotu działa pionowo w dół. Ten punkt jest punktem wyimaginowanym.

W przypadku obiektów o jednolitych kształtach i wykonanych z jednolitego materiału znajomość środka ciężkości jest bardzo łatwym zadaniem. W przypadku tych obiektów środek ciężkości jest środkiem ciężkości danego kształtu.

W przypadku obiektów o nieregularnym kształcie, takich jak statki, środek ciężkości jest środkiem ciężkości tego nieregularnego kształtu. Ale w tym przypadku znalezienie środka ciężkości kształtu może być stosunkowo trudnym zadaniem.

Jest znaczenie środka ciężkości dowolnego obiektu?

1. Do obliczeń stateczności jest to punkt, w którym możemy wziąć pod uwagę siłę grawitacji działającą pionowo w dół.
2. Jest to punkt, w którym obiekt znajduje się w równowadze.

Gdzie znajduje się środek ciężkości statku i jak możemy poznać jego położenie?

Środek ciężkości statku mierzy się w trzech wymiarach:

1. Musimy znać położenia środka ciężkości na linii środkowej statku (TCG – poprzeczny środek ciężkości). Jeśli COG znajduje się bezpośrednio na linii środkowej, statek będzie wyprostowany (bez przechyłu). Ale jeśli COG statku nie znajduje się na linii środkowej, statek będzie w stanie przechyłu ze strony występowania COG (zółty prostokąt). Im dalej COG jest od linii środkowej, tym większy będzie przechył statku.
2. Musimy znać położenie środka ciężkości od rufy [w przekoroju pionowym] (aft perpendicular) do śródokręcia. (LCG – podłużny środek ciężkości). LCG jest przedstawione w tabelach hydrostatycznych statku dla różnych zanurzeń. Lokalizacja LCG decyduje o tym, w jaki sposób statek jest przegłębiony Jeśli LCG znajduje się dokładnie na śródokręciu, statek nie będzie miał przegłębienia. Ale jeśli LCG znajduje się przed śródokręciem, statek zostanie przegłębiony na dziób. W ten sam sposób, jeśli LCG znajduje się na rufie śródokręcia, statek będzie przregłębiony na rufę.
3. Musimy znać lokalizacje COG patrząc z stępki statku. (VCG lub KG – pionowy środek ciężkości). Jeżeli załadujemy ciężkie przedmioty na górną część statku (np. na pokład), wówczas COG statku będzie bliżej pokładu (wartość VCG będzie wysoka). Jeśli zaś załadujemy ciężkie przedmioty na dno ładowni, wówczas VCG przesunie się w dół statku (wartość VCG będzie niska). Jeśli „środek ciężkości” jest wyżej, to stateczność (stabilność) statku jest mała i można go będzie przewrócić nawet z niewielką siłą działającą z zewnętrzn (np. poprzez wiatr). Czyli im większe VCG tym mniej stabilny jest statek.

5. Środek wyporu (Center of Buoyancy)

Do teraz wiemy już, że ciężar statku działa pionowo w dół poprzez środek ciężkości, tak więc siła wyporu również musi działać przez jeden punkt ale pionowo w górę. Tym punktem jest właśnie środek wyporu.

Środek wyporu to środek ciężkości podwodnej części statku (podwodnej objętości statku).

Podobnie jak w przypadku COG, COB można również mierzyć w trzech wymiarach, ale mierzenie go od linii środkowej statku nie ma w tym wypadku żadnego znaczenia.

Zatem środek wyporu z praktycznych powodów mierzymy wyłącznie w dwóch wymiarach..

• Od stępki statku (KB)
• Z rufy, dziobu lub na śródokręciu statku (LCB)

6. Równowaga między COG i COB

To jest główne zadanie stateczności statku. Równowaga pomiędzie COG i COB to sedno możliwości utrzymywania pływalności statku.Te dwie przeciwstawne siły przez cały czas próbują się zrównoważyć i doprowadzić statek do stanu równowagi. Ale żeby te dwie siły się zrównoważyły, muszą się wydarzyć dwie rzeczy.

• Obie siły muszą być równe
• Obie siły muszą działać dokładnie odwrotnie

Siły w COG i COB muszą być równe

Kiedy obciążamy statek w stanie kiedy nie działają zewnętrzne siły, wówczas siła grawitacji działająca w dół wzrasta. Spowoduje to zatonięcie statku w momencie, w którym siła wyporu zrówna się z siłą grawitacji.

COG i COB muszą znajdować się w jednej linii

Jeśli umieścimy dodatkowy ciężar z dala od środka ciężkości statku. Środek ciężkości statku przesunie się i nie będzie już znajdować się w linii pionowej z COB. Spowoduje to, że ramię prostujące spróbuje ponownie ustawić COG i COB w pionowej linii.

To ramię prostująca spowoduje przegłębienie statku, aż do momentu w którym COB będzie znajdował się pionowo w jednej linii z COG statku.