Умови та рівняння рівноваги підводного човна
Плавучість - це здатність підводного човна плавати, тобто перебувати в рівновазі без опори при частковому або повному зануренні у воду. Плавучість є основною і найнеобхіднішою морехідною якістю підводного човна.
При вивченні плавучості (а також стійкості та надводної непотоплюваності) розглядаються лише статичні положення рівноваги підводного човна, нерухомого щодо води. Для визначення положення в просторі окремих елементів підводного човна і точок застосування сил, що діють на нього, використовується жорстко пов'язана з підводним човном прямокутна система координат охуz, утворена перетином трьох взаємно перпендикулярних площин: діаметральної, мідель-шпангоуту та основної (рис. 1).
Рис.1. Основна система координат підводного човна
Діаметральна площина - Поздовжня площина симетрії підводного човна.
Площина мідель-шпангоуту — поперечна площина, що проходить по середині довжини непроникного корпусу підводного човна (тобто по середині між носовою та кормовою перегородками кінцевих цистерн головного баласту) перпендикулярно до діаметральної площини.
Основна площина - поздовжня площина, перпендикулярна діаметральній площині і площині мідедь-шпангоуту і через нижні крайні точки теоретичної поверхні корпусу підводного човна (внутрішній поверхні зовнішньої обшивки корпусу).
Лінія перетину діаметральної площини з основною - вісь ох з позитивним напрямком у ніс підводного човна; лінія перетину площини мідель-шпангоуту з основною вісь оу з позитивним напрямком на правий борт; лінія перетину площини мідель-шпангоуту та діаметральної - вісь oz з позитивним напрямком до палуби надбудови. Таким чином,діаметральна площина є площиною xoz, площина мідель-шпангоуту – площиною уоz та основна площина – площиною хоу, а положення будь-якої точки на підводному човні визначається трьома координатами: х, у, z.
Відповідно до прийнятих позитивних напрямів осей визначаються знаки кутів крену і диферента, що кренять і диферентуючих моментів. Позитивними вважаються кути диферента на ніс і крену на правий борт, моменти, що диференціюють на ніс і кренять на правий борт.
- сили тяжіння (ваги);
поверхневі сили гідростатичного тиску
Сили ваги окремих частин підводного човна і вантажів, що знаходяться на ньому, приводяться до однієї рівнодіючої-силі ваги підводного човна Р (рис. 2). Ця сила завжди спрямована вертикально вниз, і під її впливом підводний човен прагне зануритися. Точкою докладання цієї сили є центр тяжіння підводного човна, що позначається буквою G. Для забезпечення плавання підводного човна в прямому положенні (без нахилу) центр тяжіння його повинен знаходитися завжди в діаметральній площині. Центр тяжкості підводного човна переміщається і займає нове положення при переміщенні вантажів на підводному човні, а також при прийомі та витрачанні їх. При способах підводного човна, якщо при цьому не відбувається переміщення вантажів, центр тяжіння залишається на місці, не змінює свого положення щодо прийнятої системи координат.
Рис.2. Сили, що діють на корпус підводного човна у підводному та надводному положеннях.
Сили гідростатичного тиску діють на занурену частину корпусу підводного човна, спрямовані нормалі до поверхні корпусу і за величиною пропорційні глибині занурення. Рівнодія цих сил спрямована по вертикалі вгору, за величиною вона дорівнює вазі води в обсязізануреної частини корпусу підводного човна і позначається γV, де V-обсяг зануреної частини корпусу, м 3 ; γ-питома вага води, тс/м 3 . Під впливом сили γV підводний човен прагне спливти, тому він називається силою плавучості або силою підтримки. Точкою докладання сили плавучості є центр ваги зануреного обсягу корпусу підводного човна. Ця точка називається центром величини і позначається буквою С. Положення центру величини залежить від величини та форми зануреного обсягу підводного човна. При прямому положенні підводного човна центр величини знаходиться в діаметральній площині, а при способах переміщається у бік способу, тобто в тому напрямку, де відбувається збільшення зануреного обсягу.
Положення центру тяжкості та центру величини визначається у прямокутній системі координат oxyz: координатами центру тяжіння G є xg, yg, zg, а координатами центру величини С - xс, yс, zс. Центр ваги підводного човна в крейсерському положенні завжди вищий за центр величини zg > zc, а в підводному положенні центр тяжіння нижче центру величини zg 3 . Вага води в обсязі зануреної частини корпусу D=γV називається ваговою водотоннажністю підводного човна, що вимірюється в тоннах-силах (тс).
Знання ваги підводного човна, об'ємного водотоннажності, координат центру тяжкості та центру величини необхідне при вирішенні практичних питань щодо плавучості, стійкості та непотоплюваності підводного човна.
Підводний човен перебуватиме в рівновазі тоді, коли сили Р і γV, що діють на неї, врівноважуються, тобто рівні за величиною, і діють по одній вертикалі. Таким чином, рівновага підводного човна визначається двома умовами:
— сила плавучості повинна дорівнювати вазі підводного човна;
- центр величини та центр тяжкості підводноїчовни повинні розташовуватися на одній вертикалі.
Ці умови відносяться як до надводного, так і до підводного положення підводного човна.
Перша умова рівноваги при будь-якій посадці (положенні підводного човна щодо поверхні води) записується одним рівнянням
яке називається основним рівнянням плавучості.
Друга умова рівноваги в загальному випадку посадки підводного човна записується двома рівняннями:
Рис.3. Рівновага підводного човна, що плаває з креном (а), диферентом (б)
Ці рівняння виводяться з допомогою геометричного побудови, показаного на рис. 3.
У окремих випадках посадки рівняння другої умови рівноваги записуються так:
- При посадці підводного човна прямо і на рівний кіль (φ = 0; θ = 0):
- При посадці підводного човна прямо, але з диферентом (рис. 3б: φ ≠ 0; θ = 0): xc - xg = (zg - zc) tgφ;
— під час посадки підводного човна на рівний кіль, але з креном (рис. 3а: φ = 0; θ ≠ 0): xc = xg
Оскільки в підводному положенні центр ваги розташовується нижче від центру величини (zg