Forțe hidrostatice

O navă plutind în repaus în apă liniștită este acționată de două forțe, greutatea și flotabilitatea. Greutatea este forța descendentă a navei. Forța totală de greutate (W) acționează asupra navei ca și cum ar fi concentrată la punctul de echilibrare sau la centrul de greutate (G). Flotabilitatea este forța ascendentă a tuturor presiunilor hidrostatice asupra corpului. Componentele orizontale ale presiunii apei pe zonele unitare ale părților laterale și inferioare ale navei, crescând cu adâncimea, acționează în direcții opuse și se anulează reciproc. Componentele verticale ale presiunii apei pe suprafețele unitare se combină pentru a forma o forță ascendentă (B) egală cu greutatea apei deplasate de volumul corpului subacvatic. Această greutate variază ușor în funcție de greutatea specifică a apei. Centrul de flotabilitate (B) se află la centrul geometric al volumului scufundat. Nava se scufundă în apă până când forța B este egală cu forța W, în conformitate cu principiul lui Arhimede.

navală

Calculul greutății navei și volumul de flotabilitate

Într-un stadiu incipient al proiectării, greutatea navei este estimată ca suma greutăților încărcăturii, corpului, accesoriilor, echipamentelor, mașinilor de propulsie și auxiliare, sistemelor de conducte, echipamentelor electrice și electronice, combustibilului, apei, depozitelor consumabile, pasagerilor, și echipaj, plus o marjă de câteva procente pentru greutățile care sunt subestimate. Într-o etapă ulterioară, greutățile sunt calculate mai precis sau sunt luate din greutățile reale ale unor articole similare. În multe cazuri, estimările greutății sunt revizuite în mod constant pe măsură ce proiectul continuă pentru a evita o supraponderalitate finală care ar putea afecta serios performanța navei.

Volumul subacvatic al navei proiectate trebuie să fie adecvat nu numai pentru a deplasa o greutate de apă care să susțină întreaga navă, dar trebuie să fie astfel dispusă în lungime, lățime și înălțime și astfel formată în fiecare parte încât toate celelalte și cerințele arhitecturale navale sunt îndeplinite. Când nava este construită și încărcată complet, aceasta trebuie să plutească la nivel și în poziție verticală la linia de plutire proiectată (de obicei indicată printr-o linie Plimsoll).

Pe măsură ce porțiunile subacvatice și deasupra apei ale corpului sunt modelate, arhitectul naval menține o verificare de funcționare a greutăților estimate și a volumelor de flotabilitate calculate, precum și a produselor acestor greutăți și volume de ori distanțele orizontale înainte și înapoi sau „Brațele de moment” ale fiecăruia din planul de referință vertical transversal la lungime medie. Aceste produse sunt cunoscute sub numele de greutate longitudinală și momente de flotabilitate.

Pentru efectuarea sistematică a acestor operațiuni, corpul subacvatic este împărțit în segmente prin planuri transversale imaginare numite stații. Pot exista 10 astfel de segmente pentru o barcă, 40 sau mai multe pentru o navă mare. Volumul fiecărui segment este calculat împreună cu poziția centrului de volum pentru fiecare. Momentele de volum înainte și după sunt apoi calculate în același mod ca și pentru momentele de greutate înainte și înapoi. O însumare a volumelor de segmente individuale oferă volumul total al corpului subacvatic. Se estimează apoi pozițiile în față și înapoi ale centrelor de greutate ale grupurilor individuale de greutate. Se păstrează sume separate ale momentelor acestor grupuri înainte și în spatele lungimii medii. Împărțirea volumului total al corpului subacvatic la volumul pe unitatea de greutate a apei dulci, salmastre sau sărate în care urmează să curgă nava dă greutatea apei deplasate. Aceasta trebuie să fie egală cu greutatea totală dacă nava trebuie să plutească la linia de plutire proiectată. Momentul de greutate netă, înainte sau lungime medie, este împărțit la greutatea totală pentru a da distanța la care centrul de greutate (G) se află înainte sau peste lungimea medie. Aceeași operație pentru momentele de volum oferă poziția în față și înapoi a centrului de flotabilitate (B).

Atingerea nivelului de atitudine sau de tăiere

Pentru ca nava să plutească la atitudinea de nivel sau la decuparea zero dorită, G și B trebuie să se afle în același plan vertical transversal. Dacă pozițiile lor calculate sunt diferite, iar dimensiunea, proporțiile și forma corpului subacvatic sunt satisfăcătoare, este obișnuit să se deplaseze greutățile în interiorul corpului până când se atinge tăierea dorită.

În practică, înregistrarea greutăților estimate și a momentelor înainte și înapoi este însoțită de o înregistrare a momentelor verticale deasupra chilei (K) sau a planului de bază. Din aceasta este posibil să se estimeze poziția lui G deasupra K. În același timp, se face o înregistrare a momentelor verticale de plutire. Când sunt însumate și împărțite la volum, acestea dau poziția lui B deasupra chilei. Atât distanțele KG, cât și KB sunt necesare pentru estimarea stabilității metacentrice.

Dacă, atunci când nava este construită, greutățile și volumele efective, sau centrele acestora, nu sunt de acord exact cu valorile estimate (este posibil ca unele echipamente să fi fost adăugate în perioada de construcție), nava plutește la o linie de plutire ușor diferită de cea avută în vedere de operator și proiectant. Pentru o navă de suprafață, această diferență nu are de obicei o mare importanță. Cu toate acestea, pentru un submarin, W și B trebuie să se egaleze reciproc exact. De asemenea, este important să vă asigurați că, atunci când sunt scufundați, centrele G și B sunt în același plan transversal, astfel încât ambarcațiunea să plutească la nivel atunci când este oprită sub apă.

Greutățile și momentele de greutate pentru un submarin sunt estimate și calculate exact ca pentru o navă de suprafață, dar trebuie calculate două volume separate, unul pentru starea suprafeței, cu rezervoarele de balast principal goale și unul pentru starea scufundată, implicând în principal volumul corpului rezistent la presiune. La volumul acestuia din urmă trebuie adăugate volumele de apă, excluzând toate părțile exterioare acestuia. Printre acestea se numără structura exterioară a corpului navei, axele, elicele, cârmele și planurile de scufundare, ancorele și lanțurile, catargele și periscopii și marea multitudine de articole externe. Pentru fiecare șapte tone de oțel solid din această categorie, se câștigă aproximativ o tonă de forță de flotabilitate.