Kontynuując temat jaki podjąłem ostatnio, czyli dlaczego statki w ogóle pływają postaram się dzisiaj chociaż z grubsza przybliżyć podstawy stateczności. To że kupa stali nie idzie na dno to jedno, jednak zauważ, że zawsze wraca ona do położenia równowagi. I właśnie zdolność do tego jest nazywa w branży statecznością statku morskiego. Co by na niego nie działało, wiatr, sztormowa pogoda, ogromne fale, to jednak pomijając sytuacje ekstremalne i błędy ludzkie zawsze wróci on do pozycji wyjściowej.
Płaszczyzny ruchu statku
Statek podczas swojej podróży oczywiście pracuje na fali. Zacznijmy więc od tego jakie ruchy wykonuje jego kadłub. Wyróżnia się ich 6, a są to:
- Kołysanie boczne- nic innego jak przechyły dynamiczne jednostki na prawą lub lewą (względem osi X),
- Kiwanie – tutaj w przeciwieństwie do kołysania bocznego mamy do czynienia z zanurzaniem dzioby bądź rufy – ruch odbywa się względem poprzecznej osi Y,
- Myszkowanie – są to ruchy obrotowe względem osi Z. Można je określić jako krótkotrwałe zmiany kursu jednostki ze względu na działanie sił zewnętrznych, tj. fala czy wiatr,
- Kołysanie burtowe -ruchy postępowe w kierunku prawej lub lewej burty. Tak jakby przesunąć statek po osi Y równolegle do osi X,
- Kołysanie postępowe – to z kolei są ruchy naprzód lub wstecz. Jednostka przesuwa się całościowo po osi X,
- Nurzanie – w tym przypadku statek porusza się po osi Z wynurzając się lub zanurzając podczas pracy na fali.
Wszystkie te ruchy obrazuje dobrze poniższy rysunek z książki Z. Szozdy:
Środek ciężkości statku
Wiemy już w jakich płaszczyznach może poruszać się statek. Teraz przejdźmy do szalenie istotnej rzeczy jaką jest środek ciężkości danej jednostki. Jest to podstawowa wartość, która jest punktem wyjściowym do dalszych obliczeń statecznościowych. Jego współrzędne zależą oczywiście od tego jak statek zostanie załadowany. Ale nie tylko. Ma na to wpływ sama konstrukcja jednostki morskiej, stan zapasów, paliw, balastów, wody słodkiej i wielu innych rzeczy. Jednak to, nad czym najbardziej głowi się Chief Officer to odpowiednie położenie środka ciężkości podczas jak i po załadunku/rozładunku. Oczywiście oprócz tak trywialnych rzeczy jak zanurzenie, przechył czy przegłębienie.
Dlaczego położenie środka ciężkości jest tak ważne? Z racji tego, że ma on wpływ na stateczność statku, czyli jak wcześniej wspomniałem, jego zdolność powrotu do pozycji wyjściowej (równowagi).
Generalnie trzeba kierować się zasadą, że ciężkie towary ładujemy jak najniżej, z kolei te lżejsze mogą bez problemu znajdować się w wyższych przestrzeniach ładunkowych. Takim działaniem sprawimy, że środek ciężkości będzie znajdował się odpowiednio nisko i zwiększy się GM (odległość metacentrum od środka ciężkości – nie pytaj, odpowiem później :). Tym samym statek będzie szybko wracał do położenia równowagi, co jest przez oficerów pożądane.
Oprócz położenia środka ciężkości w pionie (oś Z) określa się także jego współrzędne w osiach X oraz Y, czyli względem długości i szerokości statku. O ile w przypadku osi Y dąży się do jego położenia na samym środku (brak przechyłu na którąkolwiek z burt), o tyle względem osi X bywa różnie. Zazwyczaj pożądany jest trym na rufę (przegłębienie na rufę – rufa jest zanurzona bardziej niż dziób). Dzieje się tak z powodu odpowiedniego zanurzenia śruby, lepszego natarcia na fale, względy ekonomiczne (spalanie paliwa). Jeśli jednak statek ładowany jest na centymetry, to kapitan raczej będzie chciał umiejscowić środek ciężkości w pozycji 0 (brak przegłębienia).
Nadmierna stateczność
Wspomniałem, że podczas określania stateczności statku bierze się pod uwagę szybkość jego powrotu do stanu równowagi. No właśnie, ale nie można też przedobrzyć. Jeśli jednostka będzie podczas przechyłów zbyt szybko wracać do pozycji wyjściowej, będzie to niesamowicie nieprzyjemne dla samej załogi. Wtedy dopiero wielu marynarzy dowiaduje się, że jednak nie są tak odporni na chorobę morską jak im się wydawało… 🙂
Moment prostujący
Zaczyna się trochę fizyki. Wytłumaczmy dlaczego statek przy statycznej sile zewnętrznej utrzymuje stały przechył oraz po jej ustąpieniu jest w stanie wrócić do stanu początkowego, neutralnego. Podczas normalnej eksploatacji jednostki przyjmuje się, że środek ciężkości zawsze pozostaje na płaszczyźnie symetrii (płaszczyzna symetrii dzieli statek na pół po jego długości).
W momencie wystąpienia zewnętrznego czynnika przechylającego kadłub (np. wiatr) jednostka przechyla się o określony kąt φ poprzez działanie określonego momentu przechylającego (MH). Tym samym środek wyporu (B) (siła równoważna do ciężaru zapewniająca pływalność) nie leży na jednej prostej ze środkiem ciężaru (G). Mimo to tworzą one parę sił, która w nomenklaturze morskiej nazywa się momentem prostującym. Ten z kolei jest równoważny momentowi przechylającemu, co zapewnia równowagę statku. Dlatego statek zawsze przyjmie taki przechył, żeby siły te równoważyły się.
Z kolei w obliczeniach statecznościowych często można spotkać oznaczenie GZ. Jest to ramię prostujące, a więc odległość między środkiem ciężkości statku, a jego rzutem na linię działania siły wyporu przy przechyle.
Wiem, że może to wszystko wydawać się nieco skomplikowane i chaotyczne, może jednak poniższy rysunek nieco rozjaśni sytuację:
Metacentrum
Domyślam się, że możesz mieć już dość tej całej stateczności, dlatego ostatnim punktem na dziś, będzie gwóźdź programu, czyli Metacentrum. Jak wytłumaczyłem nieco wyżej (albo chociaż starałem się wytłumaczyć…:) podczas przechyłu jednostki jego siła wyporu wraz ze środkiem wyporu odbiegają od linii działania siły ciężkości. I to nie tak, że ten oto środek wyporu wędruje sobie gdzie chce. Punkt przyłożenia siły wyporu porusza się po okręgu, którego środkiem jest zawsze punk zwany właśnie metacentrum.
Z kolei przy obliczeniach statecznościowych nie samo metacentrum jest istotne, a wartość zwana początkową wysokością metacentryczną (GM), która spędza sen z powiek młodym adeptom marynarstwa. To właśnie ta wielkość w dużej mierze determinuje to jak szybko statek będzie wracał do położenia równowagi. Jak nietrudno się domyślić GM jest odległością pomiędzy środkiem ciężkości statku, a metacentrum. Im ta wartość większa tym teoretycznie lepiej, bo statek szybciej będzie wracał do położenia równowagi. Jednak zbyt wysokie wartości mogą oznaczać wcześniej opisywaną nadmierną stateczność, co już nie jest tak mocno pożądane.
I na tym na dziś zakończę. Jeśli tu dotrwałeś/aś to serio gratuluję. Pisząc ten artykuł przypomniały mi się najgorsze koszmary z czasów studenckich 😀
Miłego!