§ 164. Устойчивость плавания кораблей

Для кораблей и подводных лодок чрезвычайно важен вопрос об устойчивости их равновесия при плавании («остойчивость» судов). Известно, что при неправильном распределении груза на судне оно может перевернуться. Вопрос об остойчивости является вопросом безопасности мореплавания.

Рис. 269. Устойчивость плавания подводной лодки в погруженном положении: ц. т.— центр тяжести лодки, ц. д.— центр давления

Рассмотрим устойчивость равновесия тела, находящегося под водой, например подводной лодки. Пусть центр давления расположен выше центра тяжести лодки. В нормальном положении центр тяжести и центр давления лежат на одной вертикальной прямой, и лодка находится в равновесии (рис. 269, а). При наклонении лодки (рис. 269, б), сила тяжести и выталкивающая сила образуют пару сил, которая будет возвращать лодку в исходное положение. Таким образом, равновесие устойчиво. Если бы центр давления лежал ниже центра тяжести, то равновесие лодки было бы неустойчивым. В самом деле, в этом случае при отклонении от строго вертикального положения сила тяжести и выталкивающая сила образовали бы пару сил, поворачивающую лодку дальше от положения равновесия (рис. 269, в).

Наконец, в случае совпадения центра тяжести с центром давления равновесие безразличное. Эти случаи полностью аналогичны разным случаям равновесия твердого тела, подвешенного в одной точке, Центр давления играет роль точки подвеса.

Условия устойчивости равновесия тела, плавающего на поверхности жидкости (рис. 270), будут совершение другие, так как при наклонении тела (например, корабля) изменяется форма вытесняемого объема, а следовательно, и положение центра давления относительно корабля. Например, при наклонении вправо большая часть вытесненной воды будет расположена справа от средней линии корабля, а следовательно, и центр давления сместится в ту же сторону. Как видно на рисунке, здесь вопрос об устойчивости равновесия зависит от относительного положения центра давления и центра тяжести после наклонения судна. Если точка  пересечения вертикали, проведенной, через центр давления, со средней линией судна (так называемый метацентр) лежит выше центра тяжести (рис. 270, б), то пара сил, образованная силой тяжести и выталкивающей силой, поворачивает судно обратно; следовательно, равновесие устойчиво. Если же метацентр лежит ниже центра тяжести (рис. 270, в), то равновесие неустойчиво. Здесь роль точки подвеса играет метацентр, и равновесие может быть устойчивым, несмотря на то, что центр давления лежит ниже центра тяжести корабля. Заметим, что положение метацентра меняется при изменении угла наклонения плавающего тела.

Рис. 270. Устойчивость плавания корабля; ц. т.— центр тяжести  корабля, ц. д.— центр давления,  — метацентр

Расстояние между центром тяжести и метацентром называют метацентрической высотой. Чем больше метацентрическая высота, тем больше остойчивость судна, тем быстрее возвращается оно в прямое положение, будучи выведено из него внешними силами (порывом ветра, ударом волны). Для парусных судов особенно важно иметь достаточную метацентрическую высоту, так как силы, действующие на парус, создают большой опрокидывающий момент. Поэтому на некоторых типах парусных судов с высокими мачтами и большой поверхностью парусов (яхты) днище судна утяжеляют балластом, понижая таким образом центр тяжести и увеличивая метацентрическую высоту. В грузовые суда, идущие порожняком, часто кладут на дно балласт с целью понизить центр тяжести. Известно, что на верхнюю палубу торговых судов избегают класть тяжелые грузы: груз на верхней палубе повышает положение центра тяжести, т. е. уменьшает метацентрическую высоту, а вместе с тем и остойчивость судна.