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时间:2019-09-09
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1、船舶“三心”讲稿 浅谈船舶的重心、浮心和稳心 船舶为什么能漂浮在水上?答:因为水有浮力。那么,水为什么会产生浮力? 一般说来,流体在重力作用下会给浸没在其中的物体一个浮力。就好比一个受到“外敌”入侵的群体一样,这个群体会有“抵抗情绪”,不会轻易让出空间给“异类”。 虽然上面这个回答缺乏说服力,但是很形象,也提到了非常关键的因素——重力作用。这里,我们用一杯水来作研讨模型。杯子里的水是水分子的集合体,水分子在重力作用下都有下降的“趋势”。如果可能的话,可以把这杯水分成若干层。于重力作用,下层的水分子
2、总是受到上层水分子的压力,力是可以传递的,所以,越到最低层水分子受到压力越大。我们可以把“水杯模型”放大到江河湖海中去。已经有前人研究过,水在深度h处的压强P=ρgh,等号两边同时乘以有效受力面积S,有PS=ρgSh,PS为压力,Sh为体积,则船在水中受到浮力F=ρg▽。 因此,我们可以准确地来回答水为什么会产生浮力了,是因为重力作用形成的静水压力而产生浮力。 一、船舶重心、浮心和稳心的定义 船舶在任一装载情况下,漂浮于水面一定位臵 时,是一个处于平衡状态的浮体。这时,作用在船上的力,有船舶本身的
3、重力,有前述提及的浮力。 船体的重力包括船体构件、机电设备、货物、人员、行李、武备、弹药等重量形成的重力。船舶的重力W的作用点G成称为船舶的重心。 船体浸水表面的每一点都受到水的静压力,这些静压力都垂直于船体表面,其大小随浸水深度增加而增加,如图1所示。可见,静水压力的水平分量互相抵消,垂直方向形成一个垂直向上的合力,这个合力就是浮力ω▽,它支撑船舶漂浮在一定位臵。浮力的作用点B称为船舶的浮心。 图1重心和浮心 船舶在横倾φ角后,水线正浮时的WL变成倾斜后的W1L1,浮心从原来的B沿某一曲线移动至
4、B1,这时浮力的作用线垂直于W1L1,并与原正浮时的浮力作用线相交于M点。当φ为小角 度时,曲线BB1可看作是圆弧的一段,M点为曲线BB1的圆心,BM=B1M为曲线BB1的半径。船舶在小角度倾斜过程中,可假定倾斜前后的浮力作用线均通过M点,因此,M点称为横稳心,BM称为横稳心半径。 — ⌒ ⌒⌒—— 图2稳心和稳心半径 二、船舶重心、浮心和稳心的关系 根据阿基米德原理,船舶在水中受到的浮力在数值上等于它的排水量Δ。 Δ=ω▽ 式中:Δ为船舶排水量,▽为船舶排水体积,ω为水的重量密度,ω▽
5、为浮力。 所以,浮心B也是船舶排水体积▽的形心。综上所述,船舶处于平衡状态的条件是:重力与浮力的大小相等而方向相反,即W=ω▽; 重心G和浮心B在同一铅垂线上; 船舶有正浮、横倾、纵倾、任意浮态4种浮态;在各种浮态下,重心G在浮心B之上。 船舶的重量、重心可根据总布臵图和其他有关图纸及技术资料进行分析计算,排水量、浮心依据型线图和型值表进行分析计算。具体的计算方法比较复杂,可以参考有关专业书籍,这里不作介绍。 船舶在水上航行时,总是受到风浪等外力的干扰,使其倾斜一个小角度,水线正浮时的WL变成倾
6、斜后的W1L1,船的重量在倾斜前后没有变化,船的重心保持在原来位臵,船的重力大小等于其受到的浮力大小,数值上等于它的排水量Δ,所以船的排水体积大小也没有变化,但其水下体积形状发生了变化,故浮心的位臵原来的B点移到了B1点。此时,浮心和重心不再位于同一铅垂线上,浮力和重力就形成一个力偶,促使船舶回复到原来的平衡位臵,如图3所示。自重心G作直线GZ,垂直于通过B1的浮力作用线,则力偶的矩等于ΔGZ,称为复原力矩,通常用MR表示,即MR=ΔGZ,式中GZ为复原力臂。造成船舶离开原来平衡位臵的是倾斜力矩,它产生的
7、原因 — — — 图3船的横倾 有风浪作用、货物移动、旅客集中于一舷、船舶回转等。若复原力矩与倾斜力矩的方向相反,则复原力矩起着抵抗倾斜力矩的作用,MR为正值。此时,一旦外力消失复原力矩能使船舶回复到原来正浮的平衡位臵。若复原力矩与倾斜力矩的方向相同,则复原力矩反而促使船舶继续倾斜,此时MR为负值,如图3所示。促使船舶回复到原来平衡位臵的是复原力矩,其大小取决于排水量、重心和浮心的相对位臵等因素。因此在倾斜力矩和复原力矩这一对矛盾中,前者是影响船舶稳性的外因,后者是内因。 船舶稳性可分为初稳性
8、和大倾角稳性。初稳性一般指倾斜角度小于10°-15°或上甲板边缘开始入水前的稳性。大倾角稳性一般指倾斜角度大于10°-15°或上甲板边缘开始入水后的稳性。船舶的倾斜可分为横倾和纵倾。于船舶纵向尺度大,横向尺度小,船舶的纵倾一般都属于小角度情况,大角度倾斜一般只在横向倾斜时产生。而且,纵稳性高与船长为同一数量级,除浮吊等特种船舶外,一般不必考虑纵向稳性问题。 前面我们已经知道,船舶横倾某一小角度φ时,如果船上的货物没有移动,则
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