Stabilitatea navei - Ceea ce face o navă instabilă
O cunoaștere aprofundată a curbelor de stabilitate intactă ne poate ajuta să cunoaștem și să analizăm cazuri reale de instabilitate cauzate la navele de suprafață. Pentru fiecare caz de instabilitate, proiectantul navei trebuie să știe mai întâi efectul pe care l-ar provoca asupra navei. Odată cunoscut efectul, se investighează cauza instabilității navei. În practică, principalele instrumente utilizate pentru analiza cauzelor tuturor cazurilor de instabilitate ale unei nave sunt condițiile de încărcare și curbele de stabilitate.
Un anumit nivel de intuiție bazat pe experiența cu stabilitatea navei de suprafață joacă, de asemenea, un rol major în sublinierea cauzei fiecărui caz, ceea ce face din stabilitate un domeniu și mai interesant de cercetare în domeniul arhitecturii navale.
Mai întâi vom discuta câteva cazuri majore de instabilitate la navele de suprafață. Odată ce efectul fiecăruia a fost studiat, vom vedea apoi ce măsuri sunt luate în etapele de proiectare și operaționale pentru a preveni același lucru. De asemenea, vom raporta fiecare dintre acestea la cazuri reale care au avut loc în trecut.
Efectul liber al suprafeței navelor:
Când orice rezervor sau un compartiment este parțial umplut, mișcarea lichidului (datorită mișcărilor de rulare și de înclinare a navei) ar reduce stabilitatea navei. De ce? Deoarece, atunci când nava este înclinată, lichidul din rezervor se deplasează spre partea inferioară a rezervorului, așa cum se arată în figura următoare.
Figura 1: Efect de suprafață liberă.
În figura de mai sus, rezervorul navei se extinde de jos până la vârful rezervorului (prezentat în roșu) și este umplut doar parțial. Când nava este în poziție verticală, suprafața liberă a lichidului din rezervor este prezentată ca AA1. Când nava se înclină către un anumit unghi de călcâi (să spunem „theta” (), suprafața liberă a lichidului se schimbă acum în TT1. De asemenea, centrul flotabilității se deplasează de la „B” la „B1”.
Ce se întâmplă ca urmare a acestui fapt? Rețineți că atunci când lichidul din rezervor este transferat în partea inferioară, volumul lichidului din pene între punctele „A” și „T” s-a deplasat acum în partea inferioară dintre punctele A1 și T1. Deci, practic, centrul de greutate al volumului de lichid s-a schimbat de la „g” la „g1”.
Ca urmare a schimbării greutății în interiorul navei, centrul de greutate al navei se schimbă acum de la „G” la „G1”. Efectul acestei deplasări de lichid este de așa natură încât greutatea rezultată a întregului sistem acționează printr-un punct virtual mult mai mare decât centrul de greutate real al navei. Acest centru de greutate virtual „GV” se obține prin extinderea unei linii verticale de la noul centru de greutate „G1” la linia centrală a navei. Deci KG-ul rezultat crește, reducând astfel înălțimea metacentrică a navei.
Noua înălțime metacentrică cu efect de suprafață liberă este acum „GVM”, iar noua pârghie de redresare este „GVZV”, ambele fiind semnificativ mai mici decât valorile inițiale (fără efect de suprafață liberă). Această reducere a înălțimii metacentrice sau creșterea CG a navei datorită efectului de suprafață liberă este cea care reduce stabilitatea navei sau chiar o poate face instabilă.
Această reducere a înălțimii metacentrice datorită efectului suprafeței libere poate fi calculată prin următoarea expresie:
În expresia de mai sus,
?L = Densitatea lichidului din rezervor.
?S = Densitatea apei de mare.
IL = Momentul suprafeței libere în jurul liniei centrale longitudinale a rezervorului.
∇S = deplasarea în masă a navei în apa mării.
Există câteva concluzii foarte importante care pot fi extrase din expresia de mai sus și acestea sunt utilizate pentru a dezvolta metode de proiectare pentru a combate efectul suprafeței libere pe nave. Ele pot fi înrolate ca:
- Efectul suprafeței libere este independent de poziția rezervorului. Adică, un tanc poate fi la orice înălțime a navei sau la orice poziție longitudinală, iar dezvoltarea oricărei suprafețe libere din aceasta ar afecta nava în același mod, indiferent de locația sa.
- Reducerea înălțimii metacentrice datorită efectului suprafeței libere este mai mare pentru lichidele mai dense.
- Forma rezervorului joacă un rol major în evaluarea efectului suprafeței libere. Asta deoarece, reducerea stabilității navei este direct proporțională cu momentul zonei suprafeței libere în jurul liniei centrale longitudinale a tancului. Ce presupune acest lucru? Suprafața transversală mai mică a suprafeței libere, cu cât este mai mică zona de moment de inerție față de linia centrală longitudinală a rezervorului, este mai mică reducerea GM datorită efectului suprafeței libere.
Pentru a realiza acest lucru, o prioritate de proiectare în timpul proiectării rezervoarelor este reducerea momentului longitudinal al suprafeței libere prin furnizarea de pereți etanși longitudinali în rezervoare cu suprafață mare, așa cum se arată în figura de mai jos.
Figura 2: Împărțirea longitudinală a unui rezervor pentru a reduce efectul suprafeței libere.
În primul caz, un rezervor cu lățimea aceeași cu grinda navei (b) ar fi produs o reducere semnificativ ridicată a GM datorită unei suprafețe libere. Dacă același rezervor este compartimentat în trei părți egale prin furnizarea a două pereți etanși longitudinali, suprafața liberă se va reduce cu un factor de cub din lățimea rezervorului (b). Dacă studiați planul tancurilor oricărei nave, ați observa că rezervoarele mari de combustibil și apă dulce sunt împărțite în compartimente Port, Centru și Starboard din acest motiv.
Efect de suprafață gratuit pentru două lichide:
Există cazuri în care un rezervor conține două lichide nemiscibile. În rezervoarele de compensare a combustibilului, volumul de păcură utilizat este înlocuit cu apa de mare. În rezervoarele de benzină, apa de mare este introdusă în rezervor pentru a preveni lăsarea unor spații pentru vapori inflamabili. Benzina fiind mai ușoară decât apa de mare, formează întotdeauna stratul superior și este extrasă din partea superioară a rezervorului.
Întrebarea interesantă aici este că aceste tancuri sunt întotdeauna pline. Cum este legat efectul suprafeței libere de aceste cazuri? Rețineți următoarea figură.
Figura 3: Efect de suprafață liberă în rezervoare cu două fluide.
Ceea ce se întâmplă este că interfața celor două lichide acționează ca o suprafață liberă. Deci, când nava se înclină, interfața va rămâne paralelă cu linia de plutire. Pentru ca acest lucru să se întâmple, volumul anumit al lichidului mai greu trebuie să se deplaseze către partea inferioară a navei, înlocuind un anumit volum care a fost ocupat de lichidul mai ușor. Volumul înlocuit al lichidului mai ușor, la rândul său, se deplasează în partea superioară. Efectul rezultat este o deplasare a CG datorită mișcării fluidelor, care creează un efect de suprafață liberă.
Efectul schimbării mărfurilor uscate în vrac:
La navele care transportă mărfuri uscate în vrac, cum ar fi cereale, minereu, cărbune etc. chiar dacă suprafața încărcăturii este aplatizată după încărcare, mișcarea de rulare în timpul călătoriei poate redistribui încărcătura în cală, determinând deplasarea acesteia într-o parte. Aceasta va duce la o listă către o parte. Acum, o navă care a fost listată din cauza schimbării încărcăturii este vulnerabilă la răsturnare în cazul în care rularea crește la unghiuri mai mari. De fapt, se știe că vrachierele se răstoarne din cauza schimbării mărfurilor.