Корабли и лодки

В прошлом большинство кораблей лодок строили из дерева, и так было до 90-х годов XVIII века, когда появились первые корабли из железа. Через 100 лет их стали строить из стали.

Примерно в XVIII веке появилась идея построить корабль из железа. Многие люди опасались, что такое судно потонет, поскольку железо намного тяжелее дерева. В действительности способность судна удерживаться на плаву зависит от соотношения его массы и объема. Неважно, сколько весит судно; имея достаточно большой объем, оно будет плавать. Сплошной железный брус пойдет ко дну, но сделанный из него корпус судна не утонет, поскольку имеет большой объем по сравнению со своей массой.

Водоизмещение

Если предмет поместить в воду, он вытеснит определенный объем воды
. Эта вода удерживалась на месте выталкивающей силой, создаваемой окружающей водой. Та же выталкивающая сила будет действовать на предмет, помещенный в воду, и, следовательно, уменьшать кажущуюся массу предмета на величину, равную массе вытесненной воды.

Предмет, постепенно погружающийся в воду, будет испытывать постоянно растущую выталкивающую силу. Даже если железный брус полностью погружен, выталкивающая сила будет недостаточной, чтобы поддержать его на плаву. Но если той же массе железа придать форму большего объема, она будет вытеснять значительно большее количество воды. При погружении в воду лодка, в конце концов, достигнет уровня, когда будет вытеснять стольководы, что образующаяся выталкивающая сила будет поддерживать ее на плаву. Это количество воды, вытесненное плавающим судном, называют его водоизмещением. Таким образом, лодка плавает на уровне, на котором она вытесняет количество воды, равное ей по массе.

Грузоподъемность

Теперь положим на лодку груз. Он толкает лодку вниз в воду до тех пор, пока корпус не вытеснит достаточное дополнительное количество воды, чтобы обеспечить дополнительную выталкивающую силу, необходимую для поддержания лодки на плаву. И в этом случае, лодка будет плавать на уровне, на котором масса вытесненной воды равнаобщей массе плавающего тела. Но если груз будет слишком тяжелым, лодка никогда не достигнет точки, в которой сможет вытеснить достаточное количество воды, чтобы держаться на плаву, и потонет. Поэтому одной из важнейших эксплуатационных характеристик судна является дедвейт (полная грузоподъемность судна) - масса груза (полезный груз, судовые запасы, экипаж), принимаемая судном. Во время волнения корабли подвергаются сильным механическим напряжениям. Это вызвано тем, что выталкивающая сила, действующая на какую-либо часть корпуса, зависит от высоты волн в этой точке. На гребне волны водоизмещение будет наибольшим, и выталкивающая сила здесь также наибольшая. В подошве (нижней точке) волны выталкивающая сила будет наименьшей. В бурном море на разные части корпуса действует различная и постоянно меняющаяся выталкивающая сила.

Гребень и подошва

Хуже всего кораблю приходится, когда он идет против волн, длина которых (а это расстояние между гребнями) равна его собственной. Когда под носом и кормой находятся гребни, а по центру корпуса подошва, выталкивающая сила на концах судна значительно больше, чем по центру, и его средняя часть прогибается. Затем вершина волны оказывается по центру, а подошвы на концах судна, и проседают кор¬ма и нос. В экстремальных условиях судноможет переломиться пополам вне зависимости от качества его конструкции. Наибольшему риску подвергаются длинные суда, поэтому супертанкеры и большие сухогрузы строят широкими, чтобы отношение их длины к ширине находилось в оптимальных пределах.

Кроме прогибов и перегибов, на корпус корабля действуют и другие дополнительные нагрузки удары волн, скручивающие моменты, давление воды (возрастая с глубиной, оно оказывает наибольшее воздействие на корабли с большой осадкой). Конструкция корпуса должна быть рассчитана так, чтобы выдерживать все эти напряжения.

Остойчивость

Остойчивость судна зависит от взаимного положения трех воображаемых точек -центра
тяжести, центра водоизмещения и метацентра. Вес корабля можно считать силой, направленной вниз и проходящей через точку, называемую центром тяжести, а плавучесть силой, направленной вверх и проходящей через точку, называемую центром водоизмещения. Когда корабль поднимается, центр водоизмещения находится непосредственно под центром тяжести, причем обе эти точки находятся на осевой линии воображаемой линии, проходящей через середину корабля.

Если под воздействием ветра или волны корабль кренится на один борт, центр тяжести не меняет своего положения но центр водоизмещения отклоняется от осевой линии в сторону более низкого борта корабля. Затем вес корабля, направленный вниз, и сила плавучести, направленная вверх, принуждают корабль вернуться в вертикальное положение. Когда корабль дает крен, вертикальная линия, по которой действует сила плавучести, пересекает исходную осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока она находится выше центра тяжести, корабль устойчив и возвращается в вертикальное положение по¬сле исчезновения силы, вызвавшей крен. Но если две эти точки совпадают, силы плавучести и тяжести направлены противоположно. Поэтому сила, возвращающая корабль в вертикальное положение, отсутствует, и опасный крен сохранится.