Stabilitet STABILITET - itslearning

Laboratorieøving 2
Stabilitet
GRUPPE NR. DATO STUD.ASS.
DELTATT:
STABILITET
Mål
Øvingen skal gi forståelse for viktigheten av stabilitet, hvilke forhold som påvirker et skips
stabilitet og gjennomføre et forsøk som gjør dere i stand til å tegne GZ-kurven til en modell.
Innledning
Å sikre tilstrekkelig stabilitet er en av de viktigste oppgavene vi som konstruktører har.
Ulykken med Rocknes i 2003 er ett eksempel på hvor galt det kan gå når stabiliteten svikter.
De fleste ulykker i skipsnæringen skjer som følge av stabilitetssvikt og da som oftest knyttet
til at skipet tar inn vann, at det utsettes for store naturkrefter eller at det lastes feil.
Stabiliteten til et intakt fartøy i stille vann bestemmes av flere forhold:
Skrogform.
Plassering av skrogets tyngdepunkt.
Plassering av lastens tyngdepunkt.
Tyngdepunkt for utstyr ombord. (maskineri, kraner osv)
Tyngdepunkt for tanker.
Effekt av fri væskeoverflate (EFVO).
Ut fra overstående punkter kan man dele inn skipets stabilitet i to hoveddeler. Den første er
stabilitet som avhenger av skipets form. Denne stabiliteten blir kalt skrogstabilitet eller
innebygd stabilitet. Et katamaranskrog har stor skrogstabilitet mens en kajakk har særdeles
liten skrogstabilitet. Den andre hoveddelen er vektstabilitet. Denne avhenger av hvor skipets
oppdriftssenter er plassert i forhold til skipets tyngdepunkt (KG). En seilbåt har ofte en tung
kjøl som er plassert langt ned i båten. Dette gir stor vektstabilitet, katamaranskroget som har
god skrogstabilitet har liten vektstabilitet ettersom store deler av vekta er plassert høyt i
forhold til kjølen. I de aller fleste fartøy er stabiliteten en kombinasjon av disse to formene for
stabilitet.
I sjøen blir fartøyet utsatt for ulike værforhold (vind, vannsprut, ising) og ulike
lastkondisjoner. Dette er faktorer som kan påvirke stabiliteten.
TMR4100 Marin teknikk intro 1
Høst 2009

Laboratorieøving 2
Stabilitet
Ved vann på dekk, blir fartøyet mindre stabilt. Estonia-ulykken i Østersjøen var en følge av
vann som trengte inn på bildekket. Bare en halv meter med vann på bildekket ville føre til en
såkalt virtuell heving av vannets tyngdepunkt på 80m på grunn av effekten av fri
væskeoverflate. Følgene av ulykken ble katastrofale fordi kantringen skjedde uhyre fort (i
løpet av sekunder) og man rakk ikke å evakuere. Du har kanskje merket hvor vanskelig det er
å holde en stekepanne som er fylt med litt vann? Et vannglass har du derimot ingen problemer
med å holde. Dette skyldes at arealet til vannoverflaten er mye mindre. For at skip bedre skal
tåle vanninntrengning har man derfor krav om vanntette skott for å hindre at for eksempel et
helt dekk i skipets lengde og bredde danner én stor overflate.
Alle lasteskip har såkalte lastetabeller som oppgir hvordan fartøyet skal lastes. Dette for å
unngå stabilitetsproblemer og for store påkjenninger på skipet. Eksempelvis har ferger ofte et
display på bildekket hvor han som dirigerer kjøretøyene kan observere hvordan lasten
påvirker skipet. Dersom man setter all lasten midt i skipet vil det kanskje knekke (sagging).
Og dersom man setter all lasten på en side, kan skipet kantre. Det samme problemet kan
oppstå hvis man setter for mye tung last høyt oppe i skipet. (heving av tyngdepunktet).
Dette er faktorer mannskapet må ta hensyn til under driften, og som dere skal få
eksperimentere med i denne labben.
Viktige begreper
I denne labben skal dere lære grunnleggende begreper innen stabilitet og få praktisk erfaring
med dem. Viktige begreper innen stabilitet er fartøyets:
Kjøl (K) (brukes som nullpunkt i vertikal retning)
Tyngdepunkt/massesenter (gravity) (G)
Oppdriftssenter (buoyancy) (B)
Metasenter (M)
Krengende moment (MK)
Rettende moment (MR)
Rettende arm (GZ)
Metasenteret M er et tenkt punkt som brukes
i beregninger. I faget Marin teknikk intro
skal vi ikke regne på stabilitet, og dere
kommer derfor ikke til å lære noe om
metasenter før i Marin teknikk 1.
Figur 1: Tverrsnitt av fartøy som illustrerer de viktige begrepene innen stabilitet
TMR4100 Marin teknikk intro 2
Høst 2009

Laboratorieøving 2
Stabilitet
Krefter
To krefter påvirker fartøyets stabilitet i stille vann: Oppdrift og tyngdekraft.
Som vi lærte i matematikkprosjektet sier Archimedes’ lov at:
1. Oppdriften er lik vekten av fortrengt fluidmengde (fluidvolum).
2. Et flytende legeme fortrenger sin egen vekt i den væsken det flyter.
For at et legeme skal flyte i statisk likevekt må altså oppdriften til legemet være like stor og
motsatt rettet som tyngden av legemet.
Figur 2: Tverrsnitt av fartøy med tyngdepunkt og oppdriftspunkt
Tyngdekraft
Tyngdepunktet vil alltid være på samme sted, hvis man ikke hever, senker, legger til eller
fjerner last. Tyngdepunktet er uavhengig av krengevinkel og i stabilitetslæra tenker vi oss at
tyngdekraften kun virker i tyngdepunktet til båten, dette for å forenkle utregningene.
Oppdrift
På samme måte som for tyngdekraften tenker man seg at den samlede oppdriften til fartøyet
bare virker i oppdriftssenteret. Dette senteret finner man ved å beregne volumsenteret til den
delen av fartøyet som er under vann. Til forskjell fra massesenteret som ikke forandres ved
krenging, flytter oppdriftssenteret seg. Hvor mye det flytter seg avhenger av skrogformen (se
figur 1). Det eneste unntaket vi har fra denne regelen er sylinder- og kuleform. Hvis du vil
kan du prøve å tegne opp en sylinder og se selv!
Krenging og opprettende arm (GZ)
Når et skip flyter er tyngdekraften og oppdriften like store, men motsatt rettet, G=B, som i
figur 2. Ved krenging får man da hva vi kaller et kraftpar. På figur 3 ser en et fartøy som
krenger mot styrbord. Tyngdepunktet G har ikke flyttet plass, mens oppdriftssenteret B som
ligger i skipets senter når skipet ikke krenger, har nå forflyttet seg mot styrbord. Som tidligere
nevnt er det riktig å anta at den samlede oppdriftskraften virker i oppdriftssenteret, mens
tyngdekraften virker inn mot jordas sentrum fra tyngdepunktet. Dette er vist i figur 3 med
piler. Hvis du påfører krefter på skroget slik figuren viser, vil skroget bli påført et dreiende
moment og dreie mot venstre. På samme måte som skroget i figuren dreier vil skipet dreies
TMR4100 Marin teknikk intro 3
Høst 2009

Laboratorieøving 2
Stabilitet
mot babord i den virkelige verden. Dette momentet blir kalt rettende moment og forkortes
med MR. Du har nå lært grunnlaget for alle stabilitetsberegninger!
MR
Figur 3: Tverrsnitt av fartøy som krenger. Vi ser at oppdriften og tyngdekraften utgjør et kraftpar som
vil dreie fartøyet tilbake til likevekt.
Et moment kan forstås som en roterende kraft. Matematisk er moment = kraft * arm.
Den rettende armen forkortes med GZ. Dette er den horisontale avstanden mellom B og G (se
figur 1). For at fartøyet skal kunne rette seg opp etter en krenging må den opprettende armen
GZ være større enn 0. Hvis den er null vil oppdrift og tyngdekreftene ikke ha noen arm,
dermed får ikke skroget noe opprettende moment og tilstanden er ustabil. Dersom GZ er
mindre enn null, vil momentet virke motsatt vei og fartøyet vil snurre rundt av seg selv og
kantre.
Hva er det så som gjør at fartøyet krenger? Det kan enten være horisontalforskyvning av last
eller andre krefter som gir et krengende moment (MK = kraft * arm). Figur 4 illustrerer hva
som skjer ved horisontalforskyvning av last. I øvingen vil dere påføre krengende moment ved
hjelp av håndkraft.
MK MK
Figur 4: Sideforskyvning av last gir et krengende moment. Fartøyet vil krenge til det opprettende
momentet er lik det krengende. Når disse momentene er like store, vil fartøyet bli liggende med en gitt
krengevinkel.
Når opprettende moment og krengende moment er like store vil skipet være i likevekt. Det vil
ligge stabilt med en bestemt krengevinkel.
TMR4100 Marin teknikk intro 4
Høst 2009
MR

GZ-kurve
Laboratorieøving 2
Stabilitet
Figur 5: Eksempel på GZ-kurve for et gitt fartøy under en spesifikk lastkondisjon.
Det er viktig å forstå GZ-kurven fordi den gir et bilde av fartøyets stabilitet. Man kan beregne
hvor stor den rettende armen GZ er for forskjellige krengevinkler. Det skal dere lære i Marin
Teknikk 1 til våren. Nå skal dere måle den. Ved å plotte verdiene for forskjellige
krengevinkler kan man tegne en kurve som gjør det lettere å se hvor stor rettende arm fartøyet
har ved forskjellige krengevinkler.
Det er hovedsakelig fire størrelser som beskriver stabiliteten:
Største rettende arm (Maks GZ)
Utstrekning på kurven (ved hvilken krengevinkel er GZ=0?)
Areal under kurven
GM (Metasenterhøyde)
Den rettende arm er et mål for skrogets evne til å rette seg opp når vind, bølger eller andre
krefter utenfra forsøker å krenge fartøyet.
Kurvens utstrekning viser hvor mye fartøyet kan krenge før det kantrer.
Arealet under kurven og metasenterhøyden vil dere lære om senere. I denne omgang skal dere
bare vite at de har betydning for stabiliteten.
TMR4100 Marin teknikk intro 5
Høst 2009

Lab:
Kontaktperson: Nora Lyngra
Sted: Introlab
Utstyr: Modell
Momentnøkkel
Tank
Laboratorieøving 2
Stabilitet
Litteratur: Kompendium Marin Teknikk 1
Ship Knowledge s 324+
Orden: Dersom det kommer vann på gulvet under øvingen skal dette tørkes
opp.
Forberedelser: Stud.ass. vil beskrive hvordan utstyret fungerer.
Oppgaver:
1) Aller først skal du regne ut båtmodellens oppdrift. Merk av vannivået i tanken med en
tape-bit. Sett båten oppi og mål økning i vannivå. Regn ut fortrengt volum. Dette er
det vi kaller volumdeplasement, V. Volumdeplasementet måles i [m 3 ].
2) Vannet i tanken er ferskvann med tetthet 1000 [kg/m 3 ]. Beregn fartøyets
vektdeplasement (masse), D. Vektdeplasementet måles i [tonn].
3) Beregn tyngden (G) til fartøyet.
4) Du skal nå tegne GZ-kurver for tre forskjellige lasttilstander (nederst, midten og
toppen). Husk at MR=GZ*B og B er like stor som G! Mål/beregn GZ for 6 ulike
krengevinkler i hver deloppgave.
a) Loddet skal stå på dekket til fartøyet. Vipp fartøyet med nøkkelen og les av
opprettende moment for ulike krengevinkler. Tegn dette inn i et diagram med
krengevinkel på x-aksen og GZ-verdi på y-aksen. Husk å kalibrere den digitale
gradskiven mellom hver gang.
b) Flytt loddet til opp til toppen av ”masta”. Hva skjer? Hvorfor?
c) Flytt loddet litt ned igjen, slik at fartøyet ligger stabilt. Gjør som i a.
d) Vi vil illustrere fenomenet ”effekt av fri væskeoverflate”. For at stabiliteten skal være
direkte sammenliknbar, ønsker vi å beholde samme dypgang. Dere må derfor ta av
loddet, før dere fyller tanken på dekk med 1 liter vann tilsvarende loddets vekt.
TMR4100 Marin teknikk intro 6
Høst 2009

Laboratorieøving 2
Stabilitet
9) Flytter tyngdepunktet og/eller oppdriftspunktet seg som følge av det du gjorde i
oppgave 4d? Hvorfor? Tegn illustrasjon av tverrsnittet av fartøyet med tyngdepunkt og
oppdriftspunkt for a, b, c og d.
10) Hvilke slutninger kan vi trekke ut fra erfaringene vi gjorde i oppgave 4d?
11) Da dere bygde båter i matematikkprosjektet viste det seg at noen av dem var veldig
ustabile. Ut fra det du har lært i denne labben, hva tror du stabilitetsproblemene
skyldes?
12) Kommentarer til staben (ris/ros). Hva har du lært?
TMR4100 Marin teknikk intro 7
Høst 2009