Остойчивость моделей

Подробности

Категория: Теоретические основы судомоделизма

Опубликовано: 17.08.2021 19:38

Автор: Super User

Просмотров: 416

Данный материал можно использовать как итоговое занятие по закреплению разделов "Архимедова сила", "Момент сил" и "Центр тяжести" в курсе физики 7 класса или на занятиях по теории судомоделизма.

Во время соревнований в летнем лагере по простейшим моделям яхт (описание установки для соревнований и моделей есть в статье в разделе "Судомоделизм") выяснилась интересная особенность: модели с плоским дном вели себя более устойчиво по сравнению с более "красивыми" моделями с закругленным днищем.

Для проведения экспериментов можно вырезать две модели так, как описано в материале по ссылке в начале этой статьи. Только у второй модели нужно ножом и шкуркой закруглить днище. В принципе, не имея в наличии терморежущий станок, обе модели можно вырезать примерно одинаковыми из кусков утеплителя с помощью обычного ножа.

На занятиях по инженерному творчеству можно вместе с образцами показать и модели подобной конфигурации, а заодно и провести аналогию с реальным флотом.

Для аналогии с реальными объектами в образцы вставляются кулинарные шпажки, которые перемещают центр тяжести выше.

Если начать отклонять по крену модели, то плоскодонка будет возвращаться в исходное положение, а вот модель с закругленным днищем даже при небольшом отклонении будет переворачиваться.

Для понимания процесса сделаем небольшое построение, изображающее разрез модели и приложенные к ней силы (левый верхний чертеж). Сила тяжести, направленная вниз, приложена к центру тяжести (синяя стрелка и кружок), а архимедова сила - к центру водоизмещения (красная стрелка и кружок). Центр водоизмещения можно представить как центр тяжести погруженной части судна. При этом мы считаем, что погруженная часть состоит из монолитного вещества. При крене модели против часовой стрелки центр тяжести не изменяется, а вот центр водоизмещения смещается в левую сторону (правый верхний чертеж). Поэтому архимедова сила начинает вращать модель по часовой стрелке, возвращая ее в исходно положение. Можно увидеть, что подводная часть, разрезаемая вектором силы тяжести, разделена на неравные части, при этом слева большая часть, а значит на нее действует и большая часть архимедовой силы. Если сместить центр тяжести выше, добавив, например, мачту и парус, как на нижнем левом чертеже, то при крене на тот же угол (нижний правый чертеж) расстояние между векторами сил становиться меньше. Это значит, что запас остойчивости у модели на верхнем чертеже выше, чем на нижнем. Также на этот запас влияет и осадка модели. На чертеже осадка сделана для материала с плотностью 400 кг/м3 (многие породы древесины, использующиеся в моделизме). Для пенопласта осадка будет значительно меньше, а значит при такой конфигурации днища и запас устойчивости будет больше.

При закругленном днище, как мы видим на правом верхнем чертеже, даже при низком положении центра тяжести запас остойчивости совсем небольшой. А при повышении центра тяжести, как на нижних чертежах, архимедова сила начинает вращать модель в туже сторону, что и изначальный крен модели. Поэтому модель и переворачивается.

Исправить ситуацию можно, перемещая центр тяжести. На образце это сделано с помощью шурупов, на моделях и настоящих яхтах для этого предназначен груз на киле. Если центр тяжести оказывается ниже центра водоизмещения, то модель становиться остойчивой во всех ситуациях.

Правда в некоторых случаях такое перемещение весьма сложно осуществить. На фото ниже представлена радиоуправляемая модель длиной 300 мм, что дает очень малую плавучесть. При этом у самой модели очень тяжелая верхняя часть с надстройками. В такой модели крен получается даже просто при включении двигателя. Чтобы сместить центр тяжести ниже на дне модели закреплены грузики, но при этом осадка модели близка к критической: модель погружается в воду почти до уровня палубы, что чревато заливом и выходом из строя аппаратуры.