Основы теории понтона (судна)

Плавучесть — это способность понтона держаться на воде (плавать). Она должна сохраняться при нагружении понтона и при волнении. Так как любой понтон можно считать стационарно стоящим судном без киля и с прямоугольной (полукруглой для трубных поплавков) формой корпуса. Поэтому далее при упоминании судна речь пойдет о понтоне.

Всякий понтон в спокойном состоянии находится на воде в равновесии под действием двух сил: веса понтона, направленного вертикально вниз, и силы давления воды на подводную часть его, направленной вертикально вверх. Сила давления воды на подводную часть корпуса называется силой плавучести. По закону Архимеда сила плавучести равна весу воды, вытесненной судном.

Вес воды, вытесненной понтоном, называется весовым водоизмещением понтона, или просто водоизмещением. Отличают еще объемное водоизмещение, или объем воды, вытесненной понтоном.
Весовое водоизмещение измеряют в килограммах (для крупнотоннажных в тоннах), объемное — в кубических метрах. В пресной воде объемное водоизмещение равно весовому, так как кубический метр пресной воды весит одну тонну.

Один и тот же понтон с определенным весовым водоизмещением (всегда равным весу понтона) в разной воде может иметь разное объемное водоизмещение. В пресной воде объемное водоизмещение больше, чем в соленой, так как соленая вода тяжелее пресной и при равном весе занимает меньший объем. Поэтому понтон в пресной воде сидит глубже, а в соленой — мельче.
Объемное водоизмещение понтона определяется его формой, а также длиной и шириной по ватерлинии и осадкой.

Длина по ватерлинии измеряется в диаметральной плоскости, между точками пересечения передней и задней кромок понтона с плоскостью воды.

 

Ширина по ватерлинии измеряется в самом широком месте понтона, при условии что он не прямоугольный.

 

Осадкой называется расстояние самой углубленной точки подводной части понтоны от поверхности воды.
Если понтон имеет вид прямоугольного понтона с вертикальными стенками, то очевидно, что объемное водоизмещение его равняется объему параллелепипеда с гранями, равными длине по ватерлинии, ширине по ватерлинии и осадке. Конечно, всякое судно с определенными длиной и шириной по ватерлинии и осадкой будет иметь меньшее водоизмещение, чем понтон с такими же размерами. Отношение объемного водоизмещения судна к объему параллелепипеда со сторонами, равными длине по ватерлинии, ширине по ватерлинии и осадке, называют коэффициентом полноты водоизмещения. Чем больше этот коэффициент, тем больше полнота обводов судна или полнота судна. Для прямоугольных модульных понтонов коэффициент равен 1.

 

Пример. Надо подсчитать, каково водоизмещение швертбота длиной по ватерлинии 6,5 м, шириной по ватерлиния 1,7 м и осадкой 0,2 м. Если считать в среднем его коэффициент полноты равным 0,3, то по указанной формуле его водоизмещение равно:
V=0,3* 6,5* 1,7* 0,2=0,66 (м3)
При вычислении водоизмещения по этой формуле для швертботов и компромиссов надо брать осадку без шверта, а для килевых яхт — с фальшкилем.

 

Для расчет водоизмещения одного модуля понтона размерами 2000*1000*400: необходимо взять длину по ватерлинии 2 м., ширину 1 м., осадка 0,03 м. V=2*1*0,03=0,06 (м3). Так же можно посчитать исходя из веса понтона - 60 кг. По закону Архимеда понтон вытеснит объем воды равный своему весу - 60 кг. или 0,06 (м3). И соответственно без нагрузки только под собственным весом понтон погрузится (осадка) на 3 см.

 

Водоизмещение является мерой плавучести судна или понтона, но оно не полностью характеризует плавучесть его и безопасность его плавания.

 

Главную роль для сохранения плавучести при нагрузке играет высота надводного борта F . Судно или понтон с низким бортом будет легко захлестываться волной, поэтому высота борта определяется главным образом размером волны в тех водах, где ему предстоит плавать или быть размещенным. Вот почему речным швертботам достаточно иметь надводный борт высотой 0,3 - 0,4 м; мореходным килевым яхтам надо иметь борт значительно выше — 0,7 - 1,2 м. Чтобы яхта легче всходила на волну, высота борта в носовой части делается больше, чем в середине и в корме. Запас плавучести судна тем больше, чем больше высота надводного борта. Определяется он объемом надводной части судна от ватерлинии до палубы.

 

Если порожний понтон загрузить полностью, то оно сядет глубже и его водоизмещение станет больше. Разница между весовыми водоизмещениями груженого и порожнего понтона называется его грузоподъемностью.

 

Например, для расчет грузоподъемности одного модуля понтона размерами 2000*1000*400 при полном погружении в воду необходимо взять следующие показатели: длину по ватерлинии 2 м., ширину 1 м., осадка 0,37 м. V=2*1*0,37=0,74 (м3) или 740 кг. Обычно для комфортного использования считают грузоподъемность при погружении на 50% или 70%. В нашем случае это составит: V=2*1*0,17=0,34 (м3) или 340 кг. и V=2*1*0,25=0,50 (м3) или 500 кг.

 

Остойчивость. Если судно сидит так, что его расчетная ватерлиния не параллельна действительной в продольном направлении, то говорят, что судно имеет дифферент на нос или корму, а понтоны на один из краев. Дифферент обычно является следствием неверного расчета судна, или неправильного распределения грузов по длине или ширине судна или понтона, или, наконец, следствием затопления его кормовых или носовых отсеков, а у понтона - затоплением одного из модулей или поплавков.

Крен и дифферент

Из-за несимметричного относительно диаметральной плоскости понтона расположения грузов понтон может иметь крен.
Способность понтона противостоять крену и возвращаться в нормальное положение по прекращении действия кренящих сил называетсяпоперечной остойчивостью. У понтонов при отсутствии киля остойчивость зависит от площади поверхности.

 

Когда понтон стоит без крена, он находится в равновесии под действием силы плавучести и своего веса. Точка приложения силы тяжести понтона со всеми его частями и грузами называется центром тяжести (ЦТ). Точка приложения силы плавучести будет находиться в центре тяжести вытесненной воды. Эта точка называется центром величины (ЦВ).

 

Если грузы или люди не перемещаются, то в любом положении понтона центр тяжести сохраняет свое положение. Центр величины перемещается при крене из-за изменения формы подводной части корпуса.
Когда понтон стоит без крена, то сила тяжести (вес) уравновешивается силой плавучести. Сила плавучести приложена в центре величины (ЦВ) и направлена вертикально вверх. Центр величины расположен в диаметральной плоскости понтона, так как очертания подводной части понтона без крена симметричны относительно этой плоскости.

 

Если рассматривать случай, когда все грузы размещены на понтоне симметрично относительно диаметральной плоскости, то центр тяжести (ЦТ) будет расположен также в диаметральной плоскости. Сила плавучести равна весу; они лежат в одной плоскости, понтон находится в равновесии (Рис А).

Остойчивость лодки

Если швертбот (на его примере будем рассматривать варианты) накренится, то центр величины переместится в сторону крена вследствие изменения формы надводной части. Сила тяжести и сила плавучести уже не будут расположены в одной плоскости и образуют пару сил, стремящуюся возвратить швертбот в нормальное положение. Такая остойчивость называется положительной (рис. Б).
Мерой остойчивости является произведение весового водоизмещения на расстояние между силами веса и плавучести (плечо остойчивости) —так называемый момент статической остойчивости. Он измеряется в тонно-метрах. При данном крене момент остойчивости швертбота может быть увеличен, если экипаж переместится на борт, противоположный крену (рис. В). Тогда центр тяжести судна переместится в точку ЦТ и плечо остойчивости /, а следовательно, и момент остойчивости также увеличатся. Это обстоятельство широко используют спортсмены, плавающие на швертботах, где для уменьшения крена (увеличения остойчивости) экипаж «вывешивается» за борт, или, как говорят, откренивает судно.
С дальнейшим увеличением крена форма подводной части продолжает меняться, остойчивость сначала достигает наибольшего значения (при угле крена 20—35°), затем постепенно уменьшается, и наконец наступает такое положение, когда сила веса приходит в одну плоскость с силой плавучести и снова наступает положение равновесия (рис. Г).
Если придать швертботу больший крен, то действие пары сил будет уже стремиться опрокинуть его (рис. Д). Такая остойчивость называется отрицательной. Для большинства швертботов отрицательная остойчивость начинается при углах крена порядка 60—70°,

 

Очень своеобразно с точки зрения остойчивости ведут себя катамараны - на их базе можно рассматривать конструкции на трубных понтонах.

Остойчивость катамарана

На рисунке показаны силы и моменты, действующие на катамаран при крене. При малых углах крена, когда подветренный корпус погружается в воду, а наветренный выходит из нее, ЦВ энергично перемещается под ветер. Наконец, когда наветренный корпус выйдет из воды, плечо остойчивости достигнет максимальной величины.

В этот момент плечо остойчивости примерно равно половине расстояния между корпусами, а крен относительно невелик—около 10—12°. В дальнейшем остойчивость уменьшается, и катамаран ведет себя как швертбот, вплоть до переворачивания; при этом он становится вниз мачтой. Начальная остойчивость катамарана очень велика, однако, достигнув максимума, она интенсивно падает. Отрицательная остойчивость у него начинается несколько раньше, чем у швертбота, — при крене примерно 50—60°.
Следует отметить, что для катамарана имеет значение и продольная остойчивость. У килевых яхт и швертботов обычно продольная остойчивость достаточна велика, чтобы не считаться с возможностью сколько-нибудь серьезного дифферента под действием ветра на паруса (даже под спинакером). Узкие корпуса катамарана не имеют столь большой продольной остойчивости, и при свежем ветре он может получить дифферент на нос. В результате нос подветренного корпуса зароется в воду и катамаран опрокинется, как говорят, через скулу.