Во время шторма на судно воздействуют ветер и волнение. Ветер вызывает дрейф и крен судна, увеличивает сопротивление движению. Под воздействием сильного ветра суда теряют управляемость и оказываются выброшенными на прибрежные скалы, рифы, мели. Волнение моря вызывает качку, во время которого судно испытывает удары волн, чрезмерные напряжения в корпусе судна, заливание палуб, попадание воды во внутренние помещения. Вызванные качкой инерционные силы являются причиной смещения грузов, сдвига с фундаментов механизмов и судовых устройств. В отдельных случаях бортовая качка приводит к опрокидыванию судов.
Особенно опасным является воздействие на судно ветра и волнения, когда направление накренения судна совпадает с направлением давления ветра на его надводную поверхность. Поэтому к судам предъявляется требование, чтобы при качке динамический кренящий момент от давления ветра Mω не превышал опрокидывающего момента Mt при данном водоизмещении судна, то есть выполнялось условие (критерий погоды):
K=Mt/Mω>l
На транспортных судах это требование обеспечивается путем правильной загрузки и балластировки судна. Момент Mω рассчитывают по методике, изложенной в Правилах Регистра. Для типовых случаев загрузки значения Мω, Mt содержатся в Информации капитану по остойчивости судна. Однако удовлетворение требованиям критерия погоды не уменьшает бортовой качки, не исключает других ее вредных последствий, в том числе опрокидывания судна в условиях особо жестокого шторма.
Не менее опасные последствия имеет килевая качка. При плавании в разрез волне ухудшается гидродинамический режим работы двигателей, возрастают нагрузки на валопровод, существенно снижается скорость, наблюдается слеминг и даже переламывание судов. На попутном волнении не редки случаи потери остойчивости и опрокидывания.
Безопасность плавания в штормовых условиях во многом зависит от искусства судоводителей в управлении судном.
Опрокидывание судна на попутном волнении является результатом воздействия на него волн и ветра в условиях, когда у судна резко уменьшается восстанавливающий момент и оно теряет курсовую устойчивость. Такие условия возникают, когда скорость бега волн близка к скорости судна, а длина судна примерно равна длине волны.
Формула метацентрической высоты при положении судна на гребне волны можно записать в виде:
h = Zc + ρ — Zg,
где h — поперечная метацентрическая высота;
Zc — аппликата центра величины;
ρ — метацентрический радиус;
Zg — аппликата центра тяжести судна.
Из формулы следует, что изменение метацентрической высоты происходит в соответствии с зависимостью:
Δh = ΔZc + Δ ρ — ΔZg,
При статической постановке судна на гребень волны положение центра тяжести не меняется (Zg=0). Приращение аппликаты центра величины ΔZc всегда положительно, так как вышедшие из воды объемы оконечностей судна компенсируются погружением в воду объемов его цилиндрической части (рис. 7). Метацентрический радиус характеризует влияние поперечных размеров судна на метацентрическую высоту и пропорционален моменту инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси. Как видно из рисунка 7, на гребне волны за счет развала бортов площадь действующей ватерлинии в оконечностях судна сокращается и, следовательно, уменьшается метацентрический радиус. На гребне волны метацентрическая высота уменьшается вплоть до отрицательных значений, и тогда судно теряет начальную остойчивость, а его крен достигает значительной величины. Положение усугубляется еще тем, что с выходом из воды винторулевой группы судно становится неуправляемым. Если в этот момент под влиянием ветра и волнения судно быстро развертывается лагом к волне, то может наступить опрокидывание. Опасность опрокидывания тем вероятнее, чем дольше судно находится в неблагополучных условиях и, следовательно, чем ближе скорость судна к скорости бега волн.
Рис. 7 Схема постановки судна на гребень волны
1- действующая ватерлиния на спокойной воде;
2- действующая ватерлиния на гребне волны.
Это относится и к тем случаям, когда курс судна не располагается под некоторым углом к волне. Установлено, что курсовой угол волны, при котором возможно уменьшение метацентрической высоты, находится в пределах 45°, а опасными размерами волны считаются такие, при которых она располагает свой профиль на 60—80% длины судна.
Внешними признаками ситуации, при которой возможно опрокидывание, являются быстрое нарастание крена на гребне волны (судно теряет опору), глубокие зарыскивания судна и слабая реакция на перекладку руля. Поэтому судоводители должны внимательно следить за поведением судна и при появлении указанных признаков в качестве первой меры предосторожности экстренно снижать скорость.
На рис. 8 представлена диаграмма для выбора скоростей хода и курсовых углов волнения, исключающих постановку судна на волну опасной длины.
Рис.8 Диаграмма опасных скоростей судна и курсовых углов волн на попутном волнении:
φ- курсовой угол направления бега волн;L- судна, м;υ- скорость, уз.
Слеминг — ударные повторяющиеся гидродинамические нагрузки, действующие в носовой части судна в условиях интенсивной килевой качки при плавании навстречу волнению. Различают днищевой слеминг, зависящий от формы поперечных сечений днища судна в носовой части, и бортовой, определяемый развалом бортов в носовом районе палубы.
Днищевой слеминг наблюдается, как правило, у судов в балласте, с большим дифферентом на корму или имеющих полные обводы и плоское днище в носовой части. Бортовой — у судов в грузу и с сильно выраженной килеватостью. Бортовой слеминг не приводит к повреждению обшивки и набора корпуса, но вызывает в корпусе сильные вибрации.
Основной причиной слеминга является совместное действие вертикальной и килевой качки. Наибольший слеминг наблюдается в условиях резонанса, когда частота килевой качки приближается к частоте собственных колебаний судна в продольной плоскости:
λ / L ≈ 1,
где λ — длина волны;
L — длина судна. При λ / L >1,5 и λ / L T2); б — качка во время резонанса (τ ≈ T2),
в- послерезонансный период качки τ