По законам физики
Допустим, имеется понтон, у которого длина L = 5,2 м, ширина В = 1,5 м и осадка Т = 0,5 м. Водоизмещение такого понтона V = L X В X Т = 5,2 X 1,5 X 0,5 = 3,9 м3 (рис. 18). Но в точно такие же размерения укладывается подводная часть шлюпки с обводами корпуса типа ял (с широкой кормой), а также совсем другой шлюпки — типа вельбота (с острыми очертаниями носа и кормы). И без вычислений видно, что водоизмещение каждой шлюпки будет отличаться от водоизмещения понтона-ящика. Если же произвести расчеты, то окажется, что водоизмещение яла будет всего 2,3 м3, т. е. почти в два раза меньше, чем у понтона.
Рис. 18. К определению водоизмещения судна: а — ял; б — вельбот.
Обычно корпус судна имеет криволинейные обводы. Поэтому для более точного вычисления его объема производят довольно сложные расчеты. Но можно простым и удобным способом приблизительно оценить водоизмещение судна определенного класса или типа.
Самый большой объем, который может быть образован заданными размерениями L, В, Т,— это ящик, геометрическое тело параллелепипед. Его-то и приняли за единицу. Всякий другой объем, укладывающийся в размерения этого параллелепипеда, будет меньше и составит лишь некоторую часть от объема ящика. Отношение действительного объема подводной части судна к объему параллелепипеда с теми же размерениями называется коэффициентом общей полноты судна. Он обозначается греческой буквой δ (дельта):
Обычно у судов одинаковых типов этот коэффициент примерно одинаков или изменяется в сравнительно небольших пределах.
У грузовых судов, где самое важное — вместить больше грузов, коэффициент полноты б равен 0,70—0,78 и даже 0,85 (у несамоходных барж-лихтеров). В то же время у быстроходных пассажирских судов коэффициент 6 значительно меньше, 0,50—0,60.
Рыболовецкие боты, спасательные и рабочие шлюпки и прогулочные ялики должны быть более вместительными. У них коэффициент б в среднем равен 0,6. Зато у спортивных лодок и байдарок он составляет всего 0,42—0,47, а у гоночных яхт может быть еще меньше.
Зная размерения и коэффициент полноты, можно приближенно подсчитать объемное водоизмещение V:
Способность судна держаться (плавать) на воде со всеми полагающимися на нем грузами называется плавучестью. Это — первое, основное свойство судна. Плавучестью обладают не только надводные суда, у которых часть корпуса возвышается над водой, но и подводные лодки, которые плавают и в надводном и в подводном положениях.
Почему и как возникает физическое состояние плавания?
Представим себе, что корпус судна разрезали поперек (рис. 19). Общий вес судна изобразим в виде силы Р, приложенной в центре тяжести (ЦТ) всего судна.
Рис. 19. Схема действия сил тяжести и сил поддержания на корпус судна.
ЦТ — центр тяжести судна; ЦВ — центр величины; Р — вес судна; D —равнодействующая сила поддержания (сила плавучести).
Судно своим весом давит на воду, стремясь погрузиться в нее. Но благодаря плотности воды в ней возникают обратные силы (маленькие стрелки на рисунке), которые в любом месте корпуса действуют перпендикулярно обшивке. Эти силы стараются вытолкнуть судно из воды.
Заменим все «маленькие» силы одной равнодействующей силой D, которую в кораблестроении называют силой поддержания, или силой плавучести.
Сила поддержания приложена в другой точке — центре величины (ЦВ). Это тоже геометрический центр, но не для всего судна, а лишь для той части корпуса, которая погружена в воду.
Согласно заколу Архимеда сила поддержания равна весу воды, вытесненной судном. А этот вес, в свою очередь, равен объему подводной части судна (или объемному водоизмещению V), умноженному на удельный вес воды, который принято обозначать греческой буквой у (гамма). Следовательно, сила поддержания
Выше мы определили, что объемное водоизмещение V = δ x L x B x T. Подставив это значение V в предыдущее уравнение, получим основное уравнение плавучести
Правая часть этого уравнения тоже определяет водоизмещение, но уже не объемное, а весовое. Поэтому величину (числовое значение) D называют весовым водоизмещением и считают мерой плавучести. Для крупных судов его измеряют в тоннах, а для мелких — в килограммах.
По законам физики для плавания судна необходимо, чтобы его вес Р был равен силе поддержания D. Обе эти силы должны быть направлены противоположно и лежать на одной прямой, соединяющей точки их приложения—ЦТ и ЦВ. Так как P — D, a D=γ x V, то и P= γ x V.
Однако как вес, так и объем погруженной в воду часта судна могут изменяться. Чем тяжелее нагружено судно, тем глубже оно осядет в воду.
Обозначим объем всего корпуса судна до верхней водонепроницаемой палубы—Vп (полный). У исправного, нагруженного до нормы надводного судна общий вес Р всегда будет меньше, чем γ x Vп (P< γ x Vп).
В таком случае говорят, что судно имеет положительную плавучесть; верхняя часть его корпуса возвышается над водой.
Но если вес Р станет равным γ x Vп (P= γ x Vп), например, когда подводная лодка примет в свои цистерны водяной балласт, то судно получит нулевую плавучесть, Оно будет плавать под водой.
Если же величина Р окажется больше, чем P> γ x Vп); то судно пойдет ко дну и затонет, так как его плавучесть будет отрицательной.