Качка — это колебательные движения, которые совершает судно около положенного ему равновесия. Возникает она под действием набегающих волн или каких-либо других внешних сил (шквала ветра, рывка буксирного троса, отрыва груза и т. д.).
Как и любое колебательное движение, качка характеризуется следующими параметрами: амплитудой — наибольшим отклонением судна от исходного положения, измеряемом в градусах; размахом — суммой двух последовательных амплитуд; периодом — временем совершения двух полных размахов (измеряется в секундах); частотой — количеством колебаний в единицу времени.
По внешним признакам различают бортовую, килевую и вертикальную качки.
Бортовая качка — это колебания судна в плоскости шпангоутов. Вызывается она волнением при движении судна лагом к волне, то есть параллельно гребням волн или же случайными динамическими силами. Эта разновидность качки наиболее опасна, ибо при небольших периодах (от 6 до 20 с) и больших амплитудах (10—35°) возникают сильные ускорения, опасные как для людей, так и для механизмов и приборов.
Колебания судна, совершаемые вокруг поперечной оси, называются килевой качкой. Происходит она при движении судна поперек волны.
Если судно колеблется в вертикальной плоскости, то это — качка вертикальная. Ее вызывают изменения сил поддержания при прохождении под судном волны.
На взволнованном море судно испытывает одновременно все три разновидности качек.
Для уменьшения колебаний принимают ряд мер, условно разделяемых на общие и специальные.
К первым относится рациональный выбор формы корпуса (развал носовых шпангоутов, седловатость палубы и т. п.). А специальные меры — это установка успокоителей качки. Последние по характеру действия делятся на пассивные — неуправляемые — и активные, которыми можно управлять.
Скуловые кили (рис. 10) — самые простые пассивные успокоители. Состоят они из стальных пластин, устанавливаемых в районе скулы в средней части судна примерно на протяжении 1/3 части его длины. Эти кили вызывают дополнительное сопротивление при бортовой качке и весьма ощутимо (до двух раз) уменьшают ее амплитуду.
К этому же виду успокоителей относятся бортовые пассивные цистерны (рис. 11). Устроены они по принципу сообщающихся сосудов, соединенных водными и воздушными каналами с клапаном, который регулирует переливание воды между цистернами. Регуляция производится с таким расчетом, чтобы вода не поспевала за креном судна, и, отставая, переливалась по инерции в сторону поднимающегося борта. Однако такие цистерны дают положительные результаты только при режимах качки, близких к резонансу. Во всех же прочих случаях они не только служат успокоителями, а даже увеличивают амплитуды колебаний.
Есть и активные цистерны, вода в которых протекает под воздействием регулируемых насосов. Действуют они эффективно при всех режимах качки.
К активным успокоителям относятся и управляемые боковые рули (рис. 12). Устанавливаются они в подводной части корпуса, в месте, где ширина судна наибольшая. Перекладка рулей производится автоматически, на всплытие — на погружающемся борту, на погружение — на всплывающем. Возникающие на рулях подъемные силы образуют момент, обратный наклонению судна и уменьшающий амплитуду качки почти в 4 раза.
Остается добавить, что подъемная сила таких рулей зависит от скорости, поэтому они устанавливаются только на быстроходных судах. При швартовке и при отсутствии качки рули убираются в специальные ниши.
Свойство гироскопа сохранять неизменной ось своего вращения использовано в так называемых гироскопических успокоителях. Они представляют собой маховики, вращающиеся в раме, связанной на шарнирах с корпусом судна. При бортовой качке рама гироскопа самопроизвольно раскачивается в ДП. Если эти качания тормозить или же поворачивать раму, то она при этом будет оказывать на цапфы (часть оси или вала, опирающаяся на подшипник) добавочные давления, которые станут противодействовать качке.
Как правило, гироскопические успокоители применяются только на малых судах. Дело в том, что, несмотря на сравнительную эффективность, установка таких успокоителей из-за большой массы и размеров нецелесообразна на крупных судах.
Поговорим теперь об управляемости судна — его способности удерживать заданное направление движения или изменять его. Определяется она двумя противоречивыми качествами — поворотливостью и устойчивостью на курсе. И в самом деле, если, например, создать судно с таким соотношением главных размерений, которые обеспечат ему повышенную устойчивость, то оно будет обладать плохой поворотливостью. А в случае, если судну придать хорошую поворотливость, оно станет крайне неустойчивым и рыскливым на курсе. И поэтому приходится отдавать предпочтение чему-то одному. Так, при проектировании океанских судов упор делается на устойчивость, а, скажем, буксиров — на поворотливость. И это понятно. Ведь первым, прежде всего, для длительного плавания нужна устойчивость, а вторым, учитывая их род занятий, — именно поворотливость.
Рыскливость — это способность судна произвольно отклоняться от курса под действием небольших случайных возмущающих сил, при прямом положении руля. Если для удержания судна на курсе число перекладок руля не превышает 4—6 в минуту и при этом отклонение не свыше 2—3°, то судно считается устойчивым. Для обеспечения устойчивости, а также для поворотливости в кормовой части судна устанавливают рули. При перекладке руля на борт возникает момент пары сил, поворачивающий судно вокруг вертикальной оси, проходящей через ЦТ в ту сторону, в которую переложен руль (рис. 13).
Перенесем равнодействующую N в центр тяжести судна — точку G, не меняя ее направление и величины, и приложим вторую силу N в обратном направлении. Образовавшаяся пара сил создает момент Мпов=NL, отклоняющий судно от прямого направления в сторону перекладки пера руля.
Силу N разложим на две составляющие: F — силу, направленную вдоль — в сторону, обратную движению судна, и создающую лобовое сопротивление, уменьшающее скорость хода судна примерно на 25—50 %; Q — силу дрейфа, действующую перпендикулярно ДП и вызывающую перемещение судна лагом, то есть против прямого направления движения судна, которое быстро погашается сопротивлением воды.
Если руль идущего с определенной скоростью судна оставить положенным на борт, то центр тяжести судна (вокруг которого судно поворачивается) начнет изменять траекторию своего движения из прямой в криволинейную, постепенно переходящую в окружность постоянного диаметра Dц, который называют диаметром циркуляции, а движение судна по такой траектории — циркуляцией судна (рис. 14).
Диаметр циркуляции, выраженный в длинах судна, определяет степень поворотливости судна. Судно считается хорошо поворотливым, если Dц=(3—5)L. Чем меньше диаметр циркуляции, тем лучше поворотливость судна.
При движении судна на циркуляции у него возникает крен на борт, противоположный перекладке руля. Кренящий момент образуется от пары сил: центробежной силы инерции, приложенной в ЦТ судна, и силы гидродинамического давления, приложенной приблизительно посередине осадки. Угол крена становится тем больше, чем больше скорость судна и чем меньше циркуляция.
Большая скорость судна при максимальном угле перекладки руля может привести к опрокидыванию судна. Об этом нужно помнить вам, ребята, если вы приступили к постройке радиоуправляемой модели судна или корабля.