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      為了確保船舶在各種條件下的安全和正常航行,要求船舶具有良好的航行效能,這些航行效能包括浮力、穩性、抗沉性、快速性、搖擺性和操作性。 船舶浮性   船舶在一定裝載情況下的漂浮能力叫做船舶浮性(buoyancy) 船舶是浮體,決定船舶沉浮的力主要是重力和浮力。其漂浮條是:重力和浮力大小相等方向相反,而且兩力應作用在同一鉛垂線上。 船舶重力即船舶的總重量。船舶浮力是指水對船體的上託力 根據阿基米德定理,船舶浮力大小等於船體所排開同體積水的重量。  船舶重力,通常用W表示,它經過船舶重量的中心,也叫重心(G),其方向垂直向下,船舶重心G的位置是隨貨物移動而改變;船舶浮力,通常用B表示,它經過船舶水下體積的幾何中心,也叫浮心(G),其方向垂直向上,船舶浮心G的位置是隨水線下船體體積的變化而變化,如圖1-23所示。 船舶重力(W)和浮力(B)大小相等、方向相反且重力與浮力又是作用在同一鉛垂線上,這時船舶就平衡漂浮在水面上。 如果增載入貨,重力增大船舶就會下沉,使吃水增加,浮力也就增大,直到浮力和重力又相等,船舶就達到新的平衡位置;同樣,若重力減少,船舶上浮,也會到達另一新的平衡點。 船舶的平衡漂浮狀態,簡稱船舶浮態。船舶浮態可分為四種。 1.正浮狀態 是指船舶首、尾、中的左右吃水都相等的情況。 2.縱傾狀態 是指左右吃水相等而首尾吃水不等的情況。船首吃水大於船尾 水叫首傾;船尾吃水大於船首吃水叫尾傾。為保持螺旋槳一定的水深,提高螺旋槳效率,一航未滿載的船舶都應有一定的尾傾。 3、橫傾狀態 是指船首尾吃水相等而左右吃水不等的情況,航行中不允許出現 橫傾狀態。 4、任意狀態  是指既有橫傾又有縱橫傾的狀態。  船舶在海上航行,經常會遇到海浪打上甲板,冬季還會結成很厚 的冰,這就等於給船舶增加了重量。為了保障船舶安全,船舶必須留有一定的儲備浮力(也叫保留浮力)。儲備浮力是指船舶主甲板以下至水線之間水密空間產生的浮力,如下圖所示。 載貨越少,船舶幹舷越高,儲備浮力越大,浮性越好,越有利於航行安全。所以,為了既保證船舶安全,又能充分利用船舶的載重能力,就必須根據不同季節和航區進行合理配載,使最大吃水不超過載重線標誌上規定的滿載吃水線。 船舶穩性  穩性(stability)是指船舶在外力矩(如風、浪等)的作用下發生傾斜,當外力矩消除後能自行恢復到原來平衡位置的能力。 船舶穩性,按傾斜方向可分為橫穩性和縱穩性;按傾斜角度大小可分為初穩性(傾角100以下)和大傾角穩性;按外力矩性質可分為靜穩性和動穩性。對於船舶來說,發生首尾方向傾覆的可能性極小,所以一般都著重討論橫穩性。  當船舶在平衡位置時,由於船舶構造上是左右對稱的,船上重量分佈也要求左右對稱,所以重心(G)是在船舶中線上。如前所述,重力(W)是從重心(G)垂直向下。船舶浮心(C)是船舶水下體積的幾何中心,當船舶正浮時,也在船舶中心線上,浮力(B)是從浮心(C)垂直向上,如圖1-25所示。 當外力矩迫使船舶傾斜,若貨物不移位,則重心位置不變。但由於水下體積形狀發生變化,而浮心則由C點移到C1點。此時重力和浮力組成一個反抗傾斜的力偶,如圖1-26所示。當外力矩消失後,船舶在上述力偶所產生的力矩作用下恢復到初始位置。此力矩稱為復原力矩。當船舶處於穩定平衡狀態時,稱船舶具有穩性。  如果船舶的重心過高,或船寬較窄,當船舶受外力矩作用橫傾時,由於船寬較窄的船舶浮心橫移的距離較小,因而重力和浮力組成的力偶所產生的力矩,反而使船舶繼續傾斜,以至於傾覆,此力矩稱為傾覆力矩,如圖1-26所示。當船舶處於不穩定平衡狀態時,稱船舶沒有穩性。  從上述兩種情況可以看出:在圖1-26中,M點(船舶傾斜後新的浮力作用線與船舶中心線的交點)是在重心G點之上,船舶具有穩性,M點叫做穩心。在圖1-27中,M點是在G點之下,船舶不具有穩性。經分析研究,船舶是否具有穩性以及穩性好壞,決定於G點與M點的相對位置和G和M間距離的大小,即GM值是衡量船舶穩性好壞的標準,稱GM值為初穩性高度。它與穩性的關係是:當M點在G點之上時,GM>0,船舶具有穩性,GM值越大,穩性越好,但船舶搖擺就會加劇;當M點在G點之下時,GM<0,船舶不具有穩性,一旦受到外力矩作用很容易使船傾覆;當M點和G點重合一點時,GM=0,船舶也不具有穩性,因為一旦受到外力矩作用,船舶處於隨遇平衡狀態,對船舶也極不安全。 船舶抗沉性  抗沉性(insubmersibility)是指船舶在一個艙或幾個艙進水的情況下,仍能保持不致於沉沒和傾覆的能力。   為了保證抗沉性,船舶除了具備足夠的儲備浮力外,一般有效的措施是設定雙層底和一定數量的水密艙壁。一旦發生碰撞或擱淺等致使某一艙進水而失去其浮力時,水密艙壁可將進水儘量限制在較小的範圍內,阻止進水向其他艙室漫延,而不致使浮力損失過多。這樣,就能以儲備浮力來補償進水所失去的浮力,保證了船舶的不沉,也為堵漏施救創造了有利條件。  對於不同用途、不同大小和不同航區的船舶,抗沉性的要求不同。它分“一艙制”船、“二艙制”船、“三艙制”船等。“一艙制”船是指該船上任何一艙破損進水而不致造成沉沒的船舶。一般遠洋貨船屬於“一艙制”船。“二艙制”船是指該船任何相鄰的兩個艙破損進水而不致造成沉沒的船舶。“三艙制”船以此類推。一般化學品船和液體散裝船屬於“二艙制”船或“三艙制”船。對“一艙制”船也不是在任何裝載情況下一艙進水都不會沉沒,因為按抗沉性原理設計艙室時是按照艙室在平均滲透率下的進水量來計算的。所謂滲透率是指某艙的進水容積與該艙的艙空的比值。所以滿載鋼材的雜貨船,貨艙進水時其進水量就會較大地超過儲備浮力,就不一定保證船舶不沉。  還應指出,船舶在破損進水後是否會傾覆或沉沒,在一定程度上還與船上人員採取的抗沉性措施有關。船舶破損進水後的措施有很多,如抽水、灌水、堵漏、加固、拋棄船上載荷、移動載荷或調駁壓載水等。抽水、灌水、堵漏、加固、拋棄船上載荷、移動載荷是為了保證船舶浮力,有時為了減少船舶傾斜、改善船舶浮態和穩性,常常透過採用灌水或調駁到相應的艙室的辦法來達到。 船舶快速性  船舶在主機輸出功率一定的條件下,儘量提高船速的能力叫船舶快速性(speedability)。快速性包含節能和速度兩層意義,所以提高船舶快速性也應從這兩方面入手,即儘量提高推進器的推力和減小船舶航行的阻力。   船舶阻力包括水阻力和空氣阻力。由於水的密度比空氣大800多倍,所以船舶在海上航行時,主要考慮船體水阻力。船體水阻力為摩擦阻力、渦流阻力(形狀阻力)和興波阻力三個部分。它們的總和就船體的總的水阻力。即:  摩擦阻力是由水粘性引起,船在水中運動時,總有一層水粘附在船體表面,並跟著船體一起運動。船舶運動帶動水分子運動所消耗的能量,即為船舶克服摩擦阻力所消耗的能量。摩擦阻力的大小與船體浸水錶面積、船體表面滑度、航速高低有關。因此,船舶定期進塢清除汙底, 是減少摩擦阻力的重要措施。  船體運動時除產生摩擦阻力之外,還同時產生渦流阻力,當船體向前運動時,產生一相對水流,由於水具有粘性,靠近船體表面處的相對水流速度就小,到達船尾時,斷面擴大,流速很快下降,可達到零或者倒流,就造成船尾部的渦流運動,使船尾壓力下降,對船舶就形成一個壓力差阻力,就叫渦流阻力,或叫形狀阻力。在船體彎曲度較大部分就容易產生渦流,尾部橫剖面作急劇收縮的船舶所引起的渦流阻力較為嚴重,而流線型船體就不產生渦流阻力或只產生極小的渦流阻力。因此,改善水下船體的線型,對船舶快速性影響很大。  興波阻力是由於船舶航行中掀起的船行波,產生與船舶前進方向相反的阻力。船行波分船首波和船尾波,在船行波傳播中,如果船首波與船尾波在船尾處互相迭加,興波阻力就大;如果船首波和船尾波在船尾處互相抵消,興波阻力就小。所以興波阻就大小。,主要與航速和船長有關。航速越快,興波阻力越大,在一定的設計航速下,適當選擇船長,可以減少興波阻力。遠洋船多采用球鼻船首型,就是為了調整船長,以達到減少興波阻力的目的。  至於提高推進器推力,由於目前海船的推進器主要是採用螺旋槳,在主機輸出功率和轉速一定的條件下,正確設計或選擇螺旋槳的幾何形狀,對產生推力大小有很大關係。因此營運中的船舶應:可調螺距的螺旋槳適當地選擇螺旋槳的螺距,調整合適的吃水和吃水差,航行中保持螺旋槳在水下有足夠的深度。 船舶搖擺性  船舶在外力的影響下,作週期性的橫縱向搖擺和偏蕩運動的效能叫船舶搖擺性(yawing)。這是一種有害的效能,劇烈的搖盪會降低航速,造成貨損,損壞船體和機器,使旅客暈船,影響船員生活和工作等。  船舶的搖擺,可以分為橫搖、縱搖、立搖和垂直升降四種運動形式。橫搖是船舶環繞縱軸的搖擺運動;縱搖是船舶環繞橫軸的搖擺運動;立搖是船舶環繞垂直軸偏蕩運動;垂直升降是船舶隨波作上下升降運動。船舶在海上遇到風浪時,往往是以上四種搖擺的複合運動。由於橫搖比較明顯,影響也較大,所以我們僅著介紹橫搖,瞭解其規律性。 船舶橫搖的劇烈程度從外部條件來講,與風浪大小有關,但從船舶本身條件來講,又與穩性大小有關。  船舶在外力作用下,離開原來平衡位置向一側橫傾,當外力停止後,由於船舶具有穩性,會產生復原力矩使船向原來平衡位置方向運動。當船回到平衡位置時,由於慣性的作用使船繼續向另一側橫傾,當慣性力被相應的復原力矩相互抵消時,船舶又在復原力矩作用下,向原來平衡位置運動。船舶就按照這樣的運動規律,左右反覆地搖擺,只有當船舶所受的外力全部為水阻力耗盡後,船舶才可能停止在原來的平衡位置上,在靜水中這種搖擺運動叫“自由搖擺”。船舶從傾斜一側,經過左右完整的一次搖擺週期時,船舶搖擺就劇烈;當船舶自由搖擺週期長時,船舶搖擺就緩慢。而自由搖擺的長短,與船舶的穩性高度GM值有關,如果船舶的GM值太大,復原力矩很強。回覆速度很快,搖擺週期就短,形成劇烈的搖擺;反之,搖擺週期長,船舶搖擺緩慢。當船舶在波浪中航行時,還要加波浪引起的強迫搖擺。波浪的波峰移動一個波長距離所需要的時間叫“波浪週期”。對於運動的船舶,當第一個波峰打到船上至第二個波峰打到船上所經歷的時間叫“波浪視週期”。波浪視週期的大小,決定於波浪週期和船舶的航向、航速。  當船舶自由搖擺週期大於波浪視週期時,船舶在波浪中搖擺會減弱;當自由搖擺週期小於波浪視週期時,搖擺會增強。如果船舶自由搖擺週期與波浪視週期相似,船舶擺幅會急劇增大,這種現象叫“諧搖”。諧搖是一種對船舶有危險的現象,對船員、旅客、貨物、船體結構和機器都會產生不良影響,嚴重時將會危急船舶的安全。  如果發現船舶處在諧搖時,應當立即採取改變諧搖現象的措施。可改變航向和航速,使航向與波浪之間夾角發生變化或使波浪視運動速度改變,從而達到避免諧搖的目的。  為了減輕船舶橫搖,一般船舶在船體外的舭部安裝舭龍骨,其結構簡單,不佔船體內部位置,且有較明顯的減搖效果,實踐表明舭龍骨約能減小擺幅20%~25%,舭龍骨的缺點是增加水阻力,影響航速。大型客輪也有用減搖水櫃、減搖鰭、陀螺平衡減搖裝置等來減小船舶在風浪中的搖擺。 船舶操縱性  船舶能保持和改變運動狀態的能力叫船舶操縱性(manouverability)。 所謂運動狀態指航向和航速,所以操縱性應包括船舶能迅速改變航向的旋迴性和保持指定航向的穩定性,也包括船舶改變航速和保持航速以及船舶停車和倒車時的慣性等效能。  船舶操縱效能主要是透過車和舵來實現,但在靠離泊作業時,還透過錨、纜和拖輪來協助,提高船舶操縱性。

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