船舶“三心”講稿

1、 淺談船舶的重心、浮心和穩(wěn)心船舶為什么能漂浮在水上？答：因?yàn)樗懈×?。那么，水為什么?huì)產(chǎn)生浮力？一般說(shuō)來(lái)，流體（氣體和液體）在重力作用下會(huì)給浸沒(méi)在其中的物體一個(gè)浮力。就好比一個(gè)受到“外敵”入侵的群體一樣，這個(gè)群體會(huì)有“抵抗情緒”，不會(huì)輕易讓出空間給“異類”。雖然上面這個(gè)回答缺乏說(shuō)服力，但是很形象，也提到了非常關(guān)鍵的因素重力作用。這里，我們用一杯水來(lái)作研討模型。杯子里的水是水分子的集合體，水分子在重力作用下都有下降的“趨勢(shì)”。如果可能的話，可以把這杯水分成若干層。由于重力作用，下層的水分子總是受到上層水分子的壓力，力是可以傳遞的，所以，越到最低層水分子受到壓力越大。我們可以把“水杯模型”放大到江

2、河湖海中去。已經(jīng)有前人研究過(guò)，水在深度h處的壓強(qiáng)P=gh，等號(hào)兩邊同時(shí)乘以有效受力面積S，有PS=gSh，PS（即壓強(qiáng)×面積）為壓力（即浮力F），Sh（即面積×高）為體積（即排水體積），則船在水中受到浮力F=g。因此，我們可以準(zhǔn)確地來(lái)回答水為什么會(huì)產(chǎn)生浮力了，是因?yàn)橹亓ψ饔眯纬傻撵o水壓力而產(chǎn)生浮力。一、船舶重心、浮心和穩(wěn)心的定義船舶在任一裝載情況下，漂浮于水面（或浸沒(méi)于水中）一定位置時(shí)，是一個(gè)處于平衡狀態(tài)的浮體。這時(shí)，作用在船上的力，有船舶本身的重力（Gravity），有前述提及的浮力（Buoyancy）。船體的重力包括船體構(gòu)件、機(jī)電設(shè)備、貨物、人員、行、武備、彈藥等重量形

3、成的重力。船舶的重力W的作用點(diǎn)G成稱為船舶的重心。船體浸水表面的每一點(diǎn)都受到水的靜壓力，這些靜壓力都垂直于船體表面，其大小隨浸水深度增加而增加，如圖1所示?？梢?jiàn)，靜水壓力的水平分量互相抵消，垂直方向形成一個(gè)垂直向上的合力，這個(gè)合力就是浮力，它支撐船舶漂浮在一定位置。浮力的作用點(diǎn)B稱為船舶的浮心。圖1 重心和浮心船舶在橫傾角后，水線由正浮時(shí)的WL變成傾斜后的W1L1，浮心從原來(lái)的B沿某一曲線移動(dòng)至B1，這時(shí)浮力的作用線垂直于W1L1，并與原正浮時(shí)的浮力作用線相交于M點(diǎn)（如圖2所示）。當(dāng)為小角度時(shí)，曲線1可看作是圓弧的一段，M點(diǎn)為曲線1的圓心，=為曲線1的半徑。船舶在小角度傾斜過(guò)程中，可假定傾斜前

4、后的浮力作用線均通過(guò)M點(diǎn)，因此，M點(diǎn)稱為橫穩(wěn)心（或初穩(wěn)心），稱為橫穩(wěn)心半徑（或初穩(wěn)心半徑）。圖2 穩(wěn)心和穩(wěn)心半徑二、船舶重心、浮心和穩(wěn)心的關(guān)系根據(jù)阿基米德原理，船舶在水中受到的浮力在數(shù)值上等于它的排水量。=式中：為船舶排水量（t），為船舶排水體積（m3），為水的重量密度（tf/m3），為浮力（tf，習(xí)慣上用質(zhì)量單位t代替）。所以，浮心B也是船舶排水體積的形心（幾何中心）。綜上所述，船舶處于平衡狀態(tài)（浮態(tài)）的條件是：（1）重力與浮力的大小相等而方向相反，即W=；（2）重心G和浮心B在同一鉛垂線上；（3）船舶有正浮、橫傾、縱傾、任意浮態(tài)4種浮態(tài)；（4）在各種浮態(tài)下，重心G在浮心B之上。船舶的重量、

5、重心可根據(jù)總布置圖和其他有關(guān)圖紙及技術(shù)資料進(jìn)行分析計(jì)算，排水量、浮心依據(jù)型線圖和型值表進(jìn)行分析計(jì)算。具體的計(jì)算方法比較復(fù)雜，可以參考有關(guān)專業(yè)書(shū)籍，這里不作介紹。船舶在水上航行時(shí)，總是受到風(fēng)浪等外力的干擾，使其傾斜一個(gè)小角度，水線由正浮時(shí)的WL變成傾斜后的W1L1，船的重量在傾斜前后沒(méi)有變化，船的重心保持在原來(lái)位置，船的重力大小等于其受到的浮力大小，數(shù)值上等于它的排水量，所以船的排水體積大小也沒(méi)有變化，但其水下體積形狀發(fā)生了變化，故浮心的位置由原來(lái)的B點(diǎn)移到了B1點(diǎn)。此時(shí)，浮心和重心不再位于同一鉛垂線上，浮力和重力就形成一個(gè)力偶，促使船舶回復(fù)到原來(lái)的平衡位置，如圖3（a）所示。自重心G作直線GZ

6、，垂直于通過(guò)B1的浮力作用線，則力偶的矩等于，稱為復(fù)原力矩，通常用MR表示，即MR=，式中為復(fù)原力臂。造成船舶離開(kāi)原來(lái)平衡位置的是傾斜力矩，它產(chǎn)生的原因圖3 船的橫傾有風(fēng)浪作用、貨物移動(dòng)、旅客集中于一舷、船舶回轉(zhuǎn)等。若復(fù)原力矩與傾斜力矩的方向相反，則復(fù)原力矩起著抵抗傾斜力矩的作用，MR為正值。此時(shí)，一旦外力消失復(fù)原力矩能使船舶回復(fù)到原來(lái)正浮的平衡位置。若復(fù)原力矩與傾斜力矩的方向相同，則復(fù)原力矩反而促使船舶繼續(xù)傾斜，此時(shí)MR為負(fù)值,如圖3（b）所示。促使船舶回復(fù)到原來(lái)平衡位置的是復(fù)原力矩，其大小取決于排水量、重心和浮心的相對(duì)位置等因素。因此在傾斜力矩和復(fù)原力矩這一對(duì)矛盾中，前者是影響船舶穩(wěn)性的外

7、因，后者是因。船舶穩(wěn)性可分為初穩(wěn)性（或稱小傾角穩(wěn)性）和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性（或稱小傾角穩(wěn)性）一般指傾斜角度小于10°-15°或上甲板邊緣開(kāi)始入水前（取其小者）的穩(wěn)性。大傾角穩(wěn)性一般指傾斜角度大于10°-15°或上甲板邊緣開(kāi)始入水后的穩(wěn)性。船舶的傾斜可分為橫傾和縱傾。由于船舶縱向尺度大，橫向尺度小，船舶的縱傾一般都屬于小角度情況，大角度傾斜一般只在橫向傾斜時(shí)產(chǎn)生。而且，縱穩(wěn)性高與船長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)，除浮吊等特種船舶外，一般不必考慮縱向穩(wěn)性問(wèn)題。前面我們已經(jīng)知道，船舶橫傾某一小角度時(shí)，如果船上的貨物沒(méi)有移動(dòng)，則重心位置G保持不變，而浮心則自B點(diǎn)移至B1點(diǎn)，如圖4

8、（a）所示。此時(shí)重力W的作用點(diǎn)G和浮力的作用點(diǎn)B1不在同一鉛垂線上，因而產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)原力矩MR，即MR=sin式（1）式中：為復(fù)原力臂，為橫穩(wěn)性高，也稱初穩(wěn)性高。當(dāng)橫傾角度較小時(shí)，sin，上式可寫成MR=式（2）式（1）或式（2）稱為初穩(wěn)性公式。從復(fù)原力矩MR和橫傾方向（或從穩(wěn)心M和重心G的相對(duì)位置）之間的關(guān)系，可以判斷船舶平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性能：（1）重心G在穩(wěn)心M之下，則復(fù)原力矩MR的方向與橫傾方向相反，當(dāng)外力消失后，它能使船舶回復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，所以稱為穩(wěn)定平衡（如圖4（a），此時(shí)，和MR都為正值；（2）重心G在穩(wěn)心M之上，則復(fù)原力矩MR的方向與橫傾方向相同，它使船舶繼續(xù)傾斜而不再回復(fù)到原

9、來(lái)的平衡狀態(tài)，所以稱為不穩(wěn)定平衡（如圖4（b），此時(shí)，和MR都為負(fù)值；（3）重心G與穩(wěn)心M重合，=0，MR=0，當(dāng)外力消失后，船不會(huì)回復(fù)到原來(lái)的位置，也不會(huì)繼續(xù)傾斜，稱為中性平衡或隨遇平衡（如圖4（c）。圖4 重心和穩(wěn)心的關(guān)系上面（2）、（3）兩種情況下船舶的穩(wěn)性得不到保障，是不允許出現(xiàn)的。從初穩(wěn)性公式式（1）和式（2）中可以看出：船舶在一定排水量下產(chǎn)生小橫傾時(shí)，橫穩(wěn)性高越大，復(fù)原力矩MR也越大，也就是抵抗傾斜力矩的能力越強(qiáng)。因此，橫穩(wěn)性高是衡量船舶初穩(wěn)性的主要指標(biāo)。但是，橫穩(wěn)性高過(guò)大的船舶，其搖擺周期短，在遇到風(fēng)浪時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇的搖晃，故橫穩(wěn)性高的數(shù)值要選取適當(dāng)。我國(guó)對(duì)不同種類的船舶的橫穩(wěn)性高

10、都有限制性規(guī)定，例如，干貨船的橫穩(wěn)性高應(yīng)在0.31.0m。綜上所述，船舶初穩(wěn)性中最重要的問(wèn)題是，弄清楚浮心B、重心G和穩(wěn)心M的位置以及三者之間的關(guān)系，這里小結(jié)如下：初穩(wěn)性高是衡量船舶初穩(wěn)性的重要指標(biāo)，可寫成=+- 式（3）式中，K點(diǎn)為參考基點(diǎn)，為浮心高度，為初穩(wěn)性半徑，為重心高度；令=-為浮心和重心之間的距離，則上式也可寫成=-式（4）三、船舶“三心”的應(yīng)用1.保證船舶具有一定的儲(chǔ)備浮力。船舶在水面的漂浮能力是由儲(chǔ)備浮力來(lái)保證的。所謂儲(chǔ)備浮力是指滿載水線以上主體水密部分的體積所能產(chǎn)生的浮力。船體損壞后，水進(jìn)入艙室必然導(dǎo)致浮力損失，吃水增加，浮心上移，當(dāng)儲(chǔ)備浮力無(wú)法彌補(bǔ)浮力損失時(shí)，船就會(huì)沉沒(méi)或擱

11、淺。儲(chǔ)備浮力根據(jù)船型、航區(qū)以及貨種而定，河駁船的儲(chǔ)備浮力約為其滿載排水量的10%-15%，海船約為50%，軍艦在100%以上。為此，我國(guó)規(guī)定了國(guó)際航行海船、國(guó)航行海船和河船的最小干舷、最小船首高度和載重線標(biāo)志等的要求。2.在設(shè)計(jì)或航行時(shí)，保證船舶處于正浮狀態(tài)或稍有尾傾。船舶處于正浮狀態(tài)有利于船舶安全航行。只有船舶具有平穩(wěn)性，船上各種機(jī)械和電氣設(shè)備才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也能延長(zhǎng)其使用壽命。更重要的是，船舶處于正浮狀態(tài)更能保證船舶穩(wěn)性。如果船舶本身處于傾斜狀態(tài)，在受到傾斜力矩或者大舵角操作時(shí)，就會(huì)加劇船舶傾斜，可能導(dǎo)致船舶傾覆。船舶適當(dāng)尾傾可以提高螺旋槳推力的利用率，還可以減小船首水阻力。3.貨物配積載時(shí)應(yīng)考慮船舶穩(wěn)性。為避免船舶裝載方案確定后出現(xiàn)穩(wěn)性不足的情況，駕駛?cè)藛T注意合理配載貨物，防止船舶重心過(guò)高，船舶初穩(wěn)性高度過(guò)小，