в чем измеряется плавучесть
Удельный вес и плавучесть тела
Удельный вес и плавучесть тела [ править | править код ]
Удельным весом называется вес вещества в единице объема. Удeльный вес в системе СИ измеряется в Н/м3 (1 Н/м3 = = 0,102 кгс/м3) и находится по формуле
где Р — вес тела, Н; V— объем тела, м3.
По размерности плотность и удельный вес воды мало различаются и незначительно изменяются в зависимости от давления и температуры воды.
Удельный вес дистиллированной воды равен 1020 кгс/м3, или 1 кгс/дм3, или 1 гс/см3. Удельный вес воды, насыщенной солями, больше, чем пресной. Так, морская вода имеет удельный вес от 1,15 до 1,3 гс/см3.
Согласно закону Архимеда на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной телом жидкости. Равнодействующая этих выталкивающих сил проходит через центр тяжести вытесненного объема и направлена вертикально вверх.
Если вес тела больше вытесненной им воды, то тело имеет отрицательную плавучесть и погружается на дно.
Если вес вытесненной телом воды больше веса тела, то тело плавает по поверхности воды, и в этом случае оно имеет положительную плавучесть.
Если вес вытесненной телом воды равен весу тела, то тело может находиться в неподвижном положении на любой глубине. Такая плавучесть называется нейтральной, или нулевой. Нулевой плавучести практически не бывает, как не бывает абсолютного равенства между весом тела и весом вытесненной им воды.
Удельный вес человеческого тела при полном вдохе в среднем равен 0,92 гс/см3, при выдохе в связи с уменьшением объема тела — 1,2 гс/см3. Наибольший удельный вес в теле человека имеет костная ткань — 1,7 —1,9 гс/см3, меньше — удельный вес мышечной ткани — 1,04—1,08 гс/см3 и самым малым удельным весом отличается жировая ткань — 0,92 — 0,94 гс/см3.
Так как удельный вес морской воды больше, чем пресной, человек в ней обладает большей плавучестью, и его тело лежит более высоко, чем в пресной воде. В связи с этим в морской воде можно плыть быстрее. По этой причине Международная федерация плавания не фиксирует рекордных результатов, показанных в морской воде.
Плавучесть тела имеет большое значение при решении вопроса, какую формировать технику движений. Пловцы с хорошей плавучестью для удержания тела в высоком положении тратят меньше усилий для этого при гребке. У таких пловцов относительные траектории движений рук при гребках вытянуты в горизонтальной плоскости, у пловцов с меньшей плавучестью больше усилий затрачивается на опору руками вниз. Замечено, что плавучесть у мужчин меньше, чем у женщин, у спринтеров — меньше, чем у стайеров. Критерий плавучести можно использовать для определения как специализации в плавании, так и характера технических действий.
Плавучесть корабля
Плавучестью корабля называется его способность плавать с заданной посадкой, неся на себе все грузы, необходимые для выполнения боевых или иных задач, свойственных данному классу корабля.
Плавучесть есть самое необходимое мореходное качество корабля, с потерей которого он тонет. Когда корабль плавает на поверхности спокойной воды, на него действуют две равные и противоположно направленные силы, уравновешивающие друг друга.
Первая сила — вес корабля Р, которая складывается из весов корпуса, вооружения, боеприпаса, бронирования, механизмов, топлива, масла, воды, провизии, экипажа и запасных частей. Сила веса направлена всегда вниз (к центру Земли), и под ее влиянием корабль стремится всегда погрузиться. Эта сила приложена в точке G, называемой центром тяжести корабля. При проектировании, постройке и эксплуатации корабля, чтобы исключить постоянный крен, стремятся разместить грузы таким образом, чтобы центр тяжести находился в диаметральной плоскости. Обычно центр тяжести корабля находится вблизи плоскости мидель-шпангоута и несколько смещен в корму, а по высоте примерно на половине высоты надводного борта или, как правило, несколько ниже.
Второй силой, действующей на корабль, является равнодействующая всех сил давления воды на погруженный объем корпуса. Эта сила, обозначаемая буквой D, приложена в центре тяжести погруженного объема корабля и направлена вертикально вверх. Под ее влиянием корабль стремится всплыть, поэтому ее называют силой поддержания или силой плавучести корабля. Точка приложения силы поддержания обозначается буквой С и называется центром величины; она является геометрическим центром тяжести погруженного объема корпуса корабля.
При проектировании и постройке корабля обводы корпуса делают такими, чтобы центр величины при прямом положении корабля находился в диаметральной плоскости и на одной вертикали с центром тяжести корабля. По высоте, считая от основной плоскости, центр величины находится несколько выше половины осадки корабля.
Для обеспечения равновесного положения корабля необходимо и достаточно, чтобы вес корабля был равен силе поддержания, т. е. Р=уV=D и центр тяжести и центр величины корабля лежали на одной вертикали.
Если сила поддержания больше веса корабля, корабль всплывет, если меньше — погружается. Если центр тяжести и центр величины по длине корабля не совпадают, то корабль будет наклоняться в продольной плоскости (дифферентоваться) до тех пор, пока эти точки не окажутся на одной вертикали, после чего корабль будет плавать в положении равновесия, но с дифферентом. Если центр тяжести и центр величины не совпадают по ширине корабля, то корабль будет наклоняться в поперечной плоскости (крениться) до тех пор, пока эти точки не совпадут по вертикали, после чего корабль будет плавать в положении равновесия, но с креном. Надо всегда иметь в виду, что всякое перемещение грузов, а также прием или расход их вызывает перемещение центра тяжести и центра величины.
Выдающийся древнегреческий математик и механик Архимед доказал, что сила поддержания равна весу воды, вытесненной погруженным в нее телом (поэтому силу поддержания иногда называют архимедовой силой). Вес воды, вытесненной плавающим кораблем, называется его весовым водоизмещением, измеряется в тоннах и обозначается буквой D (этой же буквой иногда обозначается сила поддержания). Объем воды, вытесненной плавающим кораблем, называется объемным водоизмещением, обозначается буквой V и измеряется в кубических метрах. Зная объем погруженной части корпуса корабля, можно определить объем вытесненной воды, или объемное водоизмещение. Если бы корпус корабля был сделан в виде прямоугольного ящика длиною L и шириною В и плавал бы с осадкой T, то объем погруженной части такого корабля легко было бы найти по формуле
Так как корпус корабля значительно отличается от прямоугольного ящика и имеет в носу и корме сужения, т. е. имеет меньшую полноту, то вводят специальный коэффициент, учитывающий отличие обводов корпуса корабля от формы ящика. Этот коэффициент, называемый коэффициентом полноты водоизмещения, обозначается буквой дельта и лежит в пределах от 0,45 до 0,65. Зная длину, ширину, осадку корабля и коэффициент полноты водоизмещения, можно приближенно определить объемное водоизмещение по формуле
V=дельта х В х Т куб.м
Зная объемное водоизмещение корабля, легко получить весовое водоизмещение, для чего необходимо знать вес одного кубического метра воды.
Вес одного кубического метра воды называется ее объемным или удельным весом и обозначается буквой гамма.
Таким образом, весовое водоизмещение корабля можно вычислить по формуле
Водоизмещение служит мерой плавучести корабля. Если говорят, что авианосец имеет водоизмещение D = 80 000 т, то это значит, что он обладает плавучестью в 80 000 т, которая уравновешивает вес авианосца Р = 80 000 г. Если удельный вес воды, в которой плавает этот авианосец, гамма = 1 т/куб. м, то он вытесняет объем воды V = 80000 куб. м.
В зависимости от количества принимаемых на корабль грузов будет изменяться и водоизмещение корабля. Для военных кораблей нашего флота приняты следующие водоизмещения: порожнем, стандартное, нормальное, полное и наибольшее.
Водоизмещение порожнем — водоизмещение полностью построенного корабля со всем вооружением и механизмами, но без личного состава, боеприпасов, снабжения, продовольствия, топлива, масла и воды.
Стандартное водоизмещение — водоизмещение полностью построенного корабля, укомплектованного всем необходимым для военного времени, за исключением запасов топлива, масла и котельной воды, но с пресной и забортной водой и маслом в системах механизмов, котлах, теплых ящиках и сточных масляных цистернах, т. е. включая вес механической установки, приготовленной к действию.
Нормальное водоизмещение (водоизмещение при официальных испытаниях) — водоизмещение, равное стандартному плюс половина запасов топлива, масла и питательней воды, обусловленных полным водоизмещением.
Полное водоизмещение — водоизмещение, равное стандартному плюс запасы топлива, масла, питательной воды, в размерах, обеспечивающих заданную дальность плавания полным и экономическим ходами.
Наибольшее водоизмещение — водоизмещение, равное стандартному плюс добавочный боеприпас, который корабль может принять на оборудованные для этого места сверх нормального боеприпаса, предусмотренного стандартным водоизмещением, а также плюс запасы топлива, смазочных материалов и котельной воды в полном объеме специально оборудованных для этого цистерн.
Для точного учета всех составляющих вес корабля, нагрузка корабля, разбивается на разделы, группы, подгруппы и статьи.
Основными разделами нагрузки являются: 1) корпус, 2) бронирование, 3) вооружение, 4) боеприпас, 5) механизмы, 6) топливо, 7) снабжение и команда, 8) запас водоизмещения.
Вычислению нагрузки корабля уже в процессе проектирования уделяют исключительное внимание. Особый контроль за нагрузкой должен осуществляться во время службы корабля. При стоянке корабля нагрузка должна проверяться ежедневно, во время хода — через каждые 4 часа. На кораблях должна проводиться строжайшая весовая дисциплина. Такой точный учет состояния переменных грузов на кораблях (количество и расположение) необходим не только для того чтобы знать о их наличии, сколько для готовности корабля к борьбе за непотопляемость.
Во время плавания часто возникают вопросы, связанные с определением водоизмещения корабля или средней осадки, например: насколько изменится осадка после приема или расходования некоторого заданного груза, какой груз необходимо принять или удалить, чтобы осадка увеличилась или, соответственно, уменьшилась на определенную величину и т. п.
Все эти вопросы легко решаются с помощью так называемой кривой объемного водоизмещения, или «грузового размера», выражающей зависимость водоизмещения от осадки. Так, например, на корабль нужно принять груз весом р и определить, как изменится его средняя осадка. По кривой объемного водоизмещения это легко решить, для чего по горизонтальной оси к водоизмещению корабля D до приема груза нужно прибавить вес груза р и в точке А восстановить перпендикуляр до пересечения с кривой грузового размера. Затем через точку Б надо провести горизонтальную линию, которая на оси осадок отсечет новую осадку Т1.
Изменение осадки будет:
В практике часто требуется решать вопросы, связанные с изменением осадки, не прибегая к расчетам и справочным материалам. Для этой цели пользуются специальной величиной — числом тонн на сантиметр осадки, т. е. величиной груза в тоннах, изменяющей осадку корабля на один сантиметр. Это число обозначается буквой q и для каждого корабля является вполне определенным. Так, для эскадренного миноносца q = 10—12 тонн/см, для базового тральщика й=2,5—3,0 т/см.
Число тонн на сантиметр осадки легко подсчитать, зная площадь ватерлинии S, по формуле
q=0,01 x гамма х S (т/см),
где гамма —объемный вес воды, т/куб. м.
Предположим, что на эсминец принимается груз р = 100 тонн; определить, на сколько изменится средняя осадка эсминца, если
q = 10 т/см.
дельта Т = p / q = 100 / 10 = 10 см.
Необходимо иметь в виду, что пользоваться числом тонн на сантиметр осадки можно только до тех пор, пока снимаемый или принимаемый груз по весу не превышает 10% водоизмещения корабля. В нормальных условиях на корабли принимаются или снимаются с них обычно так называемые малые грузы, т. е. грузы, имеющие вес менее 10% водоизмещения корабля.
Мы уже установили, что величина погруженного в воду объема корпуса корабля является мерой плавучести. Чем больше этот объем, тем плавучесть больше. В этом смысле весь водонепроницаемый объем корабля, расположенный выше действующей ватерлинии, называется запасом плавучести корабля. В запас плавучести не включается объем надстроек и всех выступающих частей на верхней водонепроницаемой палубе.
На поврежденном корабле из запаса плавучести исключаются объемы, расположенные выше ватерлинии, но принадлежащие поврежденным отсекам, сообщающимся с забортной водой, а также надводные объемы помещений, в которых имеются надводные пробоины. 
Запас плавучести есть запас жизненной силы корабля и расходовать его нужно крайне разумно. Для более рационального использования запаса плавучести корабль разделяется переборками и палубами на ряд водонепроницаемых отделений.
Необходимо помнить, что запас плавучести уменьшается при приеме на корабль грузов сверх штатной нагрузки и главным образом при поступлении на корабль забортной воды через пробоины и незадраенные забортные отверстия.
Сохранение запаса плавучести в первую очередь обеспечивается прочностью и водонепроницаемостью борта, палуб н главных водонепроницаемых переборок. Поэтому в целях постоянного сохранения запаса плавучести личный состав корабля обязан всегда поддерживать в исправном состоянии все конструкции корпуса, водонепроницаемые двери, иллюминаторы, люки и горловины, трюмы всегда держать сухими, а также удалять за борт лед при обмерзании палуб, рангоута и такелажа. Необходимо строго соблюдать правила задраивания водонепроницаемых закрытий. Пренебрежение этим может закончиться катастрофой.
Плавучесть судна
Результирующая сил веса Р равна сумме сил веса (тяжести) самого судна и всех грузов, находящихся на нем, приложена в центре тяжести (ЦТ) судна в точке G и всегда направлена вертикально вниз.
Результирующая гидростатических сил, определяемых давлением воды на поверхность судна, приводится к вертикальной силе yV, направленной вверх и называемой силой поддержания, или силой плавучести.
Согласно закону Архимеда, вес, или водоизмещение (масса), плавающего тела равны весу или массе вытесненной им воды: P=yV или D = ρV,
Объем V называется объемным водоизмещением и служит мерой плавучести.
Следует различать понятия веса и массы судна. Масса выражает инерционные и гравитационные свойства судна, является скалярной величиной и измеряется в тоннах (т). Вес судна является векторной величиной и измеряется в килоньютонах (кН) или тонна-силах (тс). Масса судна в тоннах численно равна его весу в тонна-силах.
Так как под действием сил Р и yV судно находится в равновесии, то необходимо, чтобы эти силы были равны и действовали по одной прямой в противоположные стороны. Если обозначить координаты точек G и С по длине, ширине и высоте судна соответственно хg и хc, yg и ус, zg и zc, то условия равновесия плавающего судна можно выразить следующими уравнениями: P=yV или D = ρV; xg=xc; yg = yc. Так как судно симметрично ДП, то точки G и С должны лежать в этой плоскости, т. е. уg=yc=0. У наводных судов центр тяжести G лежит выше центра величины С, т. е. zg>zc.
Так как объем подводной части корпуса можно выразить через главные размерения и коэффициент общей полноты, т. е. V=δLBT, то водоизмещение (массу) судна можно представить в виде D=ρδLBT. Водоизмещение D (нагрузка масс) и координаты центра тяжести (центра масс) определяются расчетом, учитывающим массу и местоположение отдельных составляющих.
Объемное водоизмещение, а также координаты центра величины С определяют по теоретическому чертежу методом трапеций в табличной форме. Вычисления начинают с определения площади шпангоутов. С этой целью площадь каждого шпангоута разбивают следами ватерлиний на n-е число участков, и криволинейные кромки заменяют прямыми (рис. 2). Расчеты будут тем точнее, чем большее число ватерлинии проведено.
Площадь шпангоута определяется как удвоенная сумма площадей трапеций, вписанных в этот шпангоут.
Далее на прямой в определенном масштабе отмечают теоретические шпангоуты, восстанавливают перпендикуляры и на них также в масштабе отмечают соответствующие площади шпангоутов. Полученные точки соединяют плавной линией, которая характеризует изменение площади поперечного сечения судна по длине и называется строевой по шпангоутам (рис. 3). Если найти площадь фигуры, ограниченной строевой по шпангоутам, то она с учетом масштаба будет равна объемному водоизмещению судна. Площадь строевой по шпангоутам определяется так же, как и площадь шпангоутов.
Строевая по шпангоутам
Если для разных осадок определить объем погруженной части корпуса и соответствующее этим осадкам водоизмещение, то можно построить график, называемый грузовым размером (рис. 4). Пользуясь грузовым размером, можно определить изменение средней осадки от приема или расходования груза или по заданному водоизмещению определить осадку судна.
Для обеспечения безопасности плавания каждое судно должно обладать запасом плавучести. Под запасом плавучести понимается количество грузов, котороесудно может принять сверх находящихся на нем до полного погружения.
Мерой запаса плавучести служит объем надводной непроницаемой части судна от действующей ватерлинии до верхней палубы, имеющей водонепроницаемые закрытия. В этот объем могут входить и надстройки, если они также имеют водонепроницаемые закрытия. В случае попадания воды внутрь корпуса осадка судна увеличивается, но оно остается на плаву.
Запас плавучести зависит от величины надводного борта: чем он больше, тем больше запас плавучести. Исходя из этого Регистр назначает каждому судну в зависимости от его размеров, назначения и района плавания минимальный надводный борт, который фиксируют в «Свидетельстве о грузовой марке», выдаваемом каждому судну.
Измерение запаса плавучести.
Грузовая марка и надводный борт.
Определение запаса плавучести.
Плавучестью – называют способность судна плавать на воде или под водой в определенном положении относительно горизонта воды, неся на себе определенное количество грузов.
Посадкой судна – называется положение судна по отношению к поверхности воды.
На судно, свободно плавающее на спокойной воде, действуют распределенные силы двух видов – силы веса и силы гидростатического давления воды на погруженную (смоченную) наружную поверхность.
Каждая из указанных разновидностей сил приводится к вертикальной равнодействующей, причем направление обеих равнодействующих всегда противоположное.
Равнодействующая сила веса G называется силой веса и приложена в центре тяжести (ЦТ) судна.
Равнодействующая сил гидростатического давления воды (С) называется силой поддержания или силой плавучести.
Согласно закону Архимеда сила плавучести равна весу воды в объеме, вытесненном погруженной частью судна. Линия действия всегда проходит через ЦТ погруженного объема, который называется центром величины (ЦВ).
Равновесие свободно плавающего судна существует, если одновременно выполняются два условия:
1. Сила плавучести равна по величине силе веса судна;
2. ЦВ и ЦТ судна располагаются на одной вертикальной линии.
Условие равновесия судна выражается в следующем уравнении
— D = γ V;
— Xg = Xс.
D – вес судна (весовое водоизмещение), кН;
γ (гамма) – вес 1 м³ воды, кН;
V – объем подводной части судна (объемное водоизмещение), м³;
Хg – отстояние ЦТ от плоскости миделя, м;
Хс – отстояние ЦВ от плоскости миделя, м.
В зависимости от плотности воды, в которой плавает судно, его объемное водоизмещение может измениться, хотя масса судна остается постоянной. В пресной воде, плотность которой близка к единице, для поддержания судна определенной массы требуется больший погруженный объем V, чем в соленой воде, плотность которой колеблется от Р = 1,010 – 1,015 т/м³ в Балтийском море до 1,023 – 1,028 т/м³ в океане.
Знание главных размерений судна и его коэффициентов позволяет капитану выполнить некоторые элементарные расчетов приближенных значений водоизмещения, а также изменения осадки при приеме груза относительно небольшой величины.
Втесненный подводной частью объем воды (м³) называется – объемным водоизмещением.
V = δ L B T. м³
— δ (дельта) – коэффициент общей полноты (водоизмещения), выражающий отношение объемного водоизмещения судна к объему параллелепипеда со сторонами, равными длине, ширине, осадке судна, значение δ для различных типов судов принимается по справочным данным;
— L, B, T – длина, ширина, осадка судна.
Для того, чтобы вычислить водоизмещение судна по его теоретическому чертежу, нужно определить объем подводной части корпуса.
Точный объем подводной части судна из-за кривизны борта судна, как правило, не удается. В теории судна для определения объемного водоизмещения судна, а также для вычисления площадей криволинейных фигур чаще всего приближенным приемом – правилом трапеций.
Площадь половины шпангоута равна сумме площадей всех трапеций.
Ординаты для каждого шпангоута могут измеряться как в реальном масштабе, так и в его проекциях для различных моделей. Аналогично считывают другие площади и объемы судна.
Многие вычисления связанные со строевой по шпангоутам и ватерлиния.
Измерение запаса плавучести.
Запас плавучести обычно выражается в процентах от водоизмещения судна с полным грузом, т. е. является относительным запасом плавучести.
Если непроницаемый для воды надводный объем корпуса обозначить через – Vн, то относительный запас плавучести выразится отношением:
A = (Vн/ V) ×100%
Относительный запас плавучести различен у судов разных типов и составляет:
— сухогрузов – 25 – 50%;
— танкеров – 15 – 25%.
Сохранение запаса плавучести и его конструктивное обеспечение имеют жизненно – важное значение для любого судна.
Достаточный запас плавучести в процесс проектирования и постройки судна достигается рядом конструктивных мероприятий, к числу которых относится:
— обеспечение достаточной высоты надводного борта;
— устройство водонепроницаемых закрытий и разделение судна на отсеки прочными водонепроницаемыми переборками и палубами.
При отсутствии последних, любое повреждение подводной части корпуса судна может привести к полной потере запаса плавучести и гибели судна. запас плавучести в этом случае конструктивно не обеспечен.