Name: how cargo changes boat stability
Uploaded: 2023-04-30T06:57:09.000Z
Duration: 13 min 10 s
Channel: JoVE

1. Измерение максимального угла устойчивости
<ol>
	<li>Выберите небольшую модель лодки. Для снижения сложности анализа в разделах 3 и 4 рекомендуется использовать относительно простую конструкцию корпуса. </li>
	<li>Подсоедините к лодке легкую вертикальную мачту яркого цвета (рекомендуется синего цвета). Предоставленный код <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10374/TrackMastImages.m" target="_blank">MATLAB</a> отслеживает положение мачты на видео, ища ярко-синие пиксели на изображении. Если используется мачта другого цвета, код анализа изображения должен быть скорректирован соответствующим образом. </li>
	<li>Плотно прикрепите к мачте кабельную стяжку, которая будет действовать как упор для груза. Наденьте груз (, например, , соединительная гайка) на мачту так, чтобы он опирался на упор. </li>
	<li>Поместите лодку в большую емкость с водой и дайте ей осесть (рис. 2а). Расположите установку так, чтобы поток воздуха в помещении не мешал лодке. Установите видеокамеру лицом к мачте по всей длине лодки. Рекомендуется использовать белый фон. </li>
	<li>Соберите справочное видео лодки в состоянии покоя и проанализируйте его с помощью предоставленной функции MATLAB (<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10374/TrackMastImages.m" target="_blank">TrackMast.m</a>). Отрегулируйте ориентацию камеры до тех пор, пока она правильно считывает 0-наклон, когда лодка находится в состоянии покоя. Возможно, потребуется скорректировать параметры маскировки, чтобы изолировать мачту на строке 17 кода. </li>
	<li>Соберите видео очень постепенного опрокидывания лодки путем бокового нажатия на верхнюю часть мачты до тех пор, пока она не упадет сама по себе (не опрокинется). Держите мачту в кадре видео как можно дольше во время каждого теста. Выполняют эту процедуру для разного роста веса. Записывайте высоту груза на мачте для каждого случая. </li>
	<li>Проанализируйте эти видео с помощью предоставленного скрипта MATLAB. Для каждого случая максимальный стабильный угол может быть определен путем проверки выходного угла и временных массивов. Заполните таблицу зависимости угла опрокидывания от высоты груза. </li>
</ol>
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10374/10374fig2.jpg"> 
Рисунок 2: а. Модель лодки с регулируемым грузом на мачте, б. Изменение угла крена при отпускании от малого угла (шаг 2.1), c. График плотности спектра мощности (b), показывающий пиковую частоту колебаний 1,4 Гц <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10374/10374fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. </a>
2. Измерение частоты колебаний
<ol>
	<li>Проведите вторую серию экспериментов по опрокидыванию с двумя разными высотами груза мачты. На этот раз только слегка наклоните лодку (~10°), и соберите видео качающейся лодки в течение 10 - 15 с. </li>
	<li>Повторите запуск функции слежения за мачтой на видео. После вызова функции вычислите следующее выражение MATLAB на выходе: pwelch( theta,[],[], [],1/(t(2)-t(1)) ); . Это позволит построить график плотности спектра мощности для качающейся лодки. Частота первичного проката — это пиковое значение на этом графике (рис. 2b-c). </li>
</ol>
3. Прогнозирование угла наклона
<ol>
	<li>С помощью весов измерьте массу модели лодки, включая мачту и вес. </li>
	<li>Для каждого положения груза мачты, оцененного в шаге 1.5, уравновесьте лодку на боку с мачтой на прямой кромке. Запишите высоту точки равновесия от нижней части корпуса в качестве центра масс (Hcm). </li>
	<li>Используя программный комплекс CAD, создайте масштабную модель лодки и мачты с весом. Убедитесь, что корпус заполнен (сплошной) в этой модели (рис. 3a). </li>
	<li>Расположите модель таким образом, чтобы осевая линия днища корпуса (киля) совпадала с началом координат в среде САПР, а мачта была (изначально) параллельна вертикальной оси (y). </li>
	<li>В среде САПР поворачивайте лодку вокруг оси z, которая проходит по длине корпуса, с небольшими шагами (например, 5°, 10°, 15°...). </li>
	<li>После каждого вращения отрежьте всю лодку выше вертикального уровня так, чтобы объем оставшейся нижней части был равен общей массе лодки, деленной на плотность воды (m / ρw, ρw = 1000 кг м-3). Это представляет собой часть лодки ниже ватерлинии, когда она плавает под этим углом (рис. 3b). </li>
	<li>Используя функцию «Массовые свойства» в программном обеспечении CAD, оцените x-положение центроида оставшегося корпуса. Здесь начало координат должно находиться вдоль самой нижней кромки боала (киля), а ось x должна указывать в горизонтальном направлении. Он представляет собой центр плавучести (xb); Выталкивающая сила действует через эту точку. Подготовьте таблицу xcm против θ. </li>
	<li>Для каждого максимального устойчивого угла (θ), определенного в шаге 1.6, сравните плечо момента груза лодки (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/10374/10374eq4.jpg">) и плечо момента восстанавливающей выталкивающей силы (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/10374/10374eq5.jpg">). Возможно, потребуется выполнить интерполяцию между значениями, полученными в Шаге 3.7. Уравновешиваются ли они приблизительно? </li>
</ol>
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10374/10374fig3.jpg"> 
Рисунок 3: а. Заполнен макет корпуса лодки, б. Вертикальный разрез корпуса, открывающий погруженный объем судна, в. Физически точная модель судна. 
4. Прогнозирование периода колебания
<ol>
	<li>Изготовьте вторую CAD-модель лодки с положением груза, соответствующим случаям в шаге 2.1. На этот раз смоделируйте фактическую толщину корпуса (т.е., не заполненный, рис. 3c). Сопоставьте плотность материалов с фактическими значениями. </li>
	<li>Используя функцию "Mass Properties" в программе CAD, оцените момент инерции лодки относительно ее центра масс вдоль оси крена (Izz) для высоты веса. </li>
	<li>Используя результаты предыдущих шагов и x-положение центра плавучести, измеренное при <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/10374/10374eq6.jpg"> (шаг 3.7), оцените теоретические частоты колебаний: 
	<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/10374/10374eq7.jpg"> (2)</li>
	<li>Сравните теоретический результат шага 4.3 с измеренными частотами колебаний. Согласуются ли эти ценности достаточно хорошо? </li>
</ol>

Этот эксперимент продемонстрировал феномен устойчивости плавучих судов и то, как суда могут оставаться в вертикальном положении даже при относительно высоких центрах масс. Например, в репрезентативных результатах небольшая модель лодки с центром масс (Hcm = 5,3 см) значительно выше ватерлинии (Hватерлиния ~ 1 - 2 см) может вернуться в свое вертикальное положение после того, как ее наклонили под углом ~25°. В экспериментах был измерен максимальный устойчивый угол для модели лодки с ...

Остойчивость плавучих судов

Источник: Александр С. Раттнер и Кевин Рао Ли, факультет механической и ядерной инженерии, Университет штата Пенсильвания, Университетский парк, Пенсильвания
 Цель данного эксперимента - продемонстрировать феномен устойчивости плавучих судов - способность самовосстанавливаться при опрокидывании на борт под действием какой-либо внешней силы. Тщательное проектирование форм корпуса и распределение внутренней массы позволяет морским судам сохранять устойчивость при малых осадках (глубине погружения корпуса), улучшая маневренность судна и снижая лобовое сопротивление. 
В этом эксперименте модель лодки сначала будет модифицирована для обеспечения регулировки ее центра масс (представляющего различные нагрузки груза) и автоматического отслеживания угла крена. Лодка будет помещена в емкость с водой, и наклонена под разными углами с разной высотой ее центра масс. После отпускания опрокидывание (опрокидывание) или колебательное движение лодки будет отслеживаться с помощью цифровой камеры и программного обеспечения для анализа видео. Результаты для максимально стабильного угла крена и частоты колебаний будут сравниваться с теоретическими значениями. Расчеты остойчивости будут выполняться с использованием геометрических и структурных свойств лодки, определенных в среде автоматизированного проектирования.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Общая масса 
			(m, кг)</td>
			<td>Центр масс 
			(Hcm, м)</td>
			<td>Центр плавучести 
			(<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/10374/10374eq8.jpg">, м)</td>
			<td>Момент инерции 
			(Izz, кг м2)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.088 
			(Шаг 3.1)</td>...

Source: Alexander S Rattner and Kevin Rao Li Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
 The ...

Education

JoVE Science Education

Engineering

Инженерия

Mechanical Engineering

Машиностроение

Stability of Floating Vessels

how cargo changes boat stability

Boat stability depends on hull shape and internal mass distribution. A stable vessel can self-right after it is rolled to one side by an outside force. Careful hull design helps seagoing vessels stay stable with a low draft, which is the submerged depth of the hull. That can improve maneuverability and reduce drag.

This experiment uses a model boat with an adjustable center of mass, which represents different cargo loadings. The boat is also modified for automated tracking of its roll angle. It is placed in a container of water and tipped to different angles. The center of mass is changed to test how loading affects whether the boat tips over or returns upright.

After release, the boat’s capsizing or oscillating motion is recorded with a digital camera and analyzed with video software. The maximum stable roll angle and the oscillation frequency are then compared with theoretical values. Stability calculations are also performed using the boat’s geometric and structural properties from a computer-aided design environment.

How Cargo Changes Boat Stability

buoyancy and drag on immersed bodies

Measuring Drag on Rising Bubbles

Objects, vehicles, and organisms in fluids experience buoyancy, drag, and lift. Buoyancy is the upward force from the fluid’s weight. Drag is the resistive force that acts opposite motion. Lift is the force perpendicular to the direction of motion. These forces matter in engineering and in the study of swimming and flying organisms. Predicting and measuring them helps explain how bodies move through a fluid medium. It also supports the design of vehicles that travel through liquids or gases. <br...

stability of floating vessels

Boat stability depends on hull shape and internal mass distribution. A stable vessel can self-right after it is rolled to one side by an outside force. Careful hull design helps seagoing vessels stay stable with a low draft, which is the submerged depth of the hull. That can improve maneuverability and reduce drag. This experiment uses a model boat with an adjustable center of mass, which represents different cargo loadings. The boat is also modified for automated tracking of its roll angle.

propulsion and thrust

Static Thrust Testing in Propulsion Systems

Propulsion systems create thrust by speeding up a surrounding fluid or high-temperature combustion products. Aircraft, rockets, and ships all use this basic idea. When the fluid leaves at high velocity, conservation of momentum produces an effective force on the vehicle. Thrust is often checked with static thrust tests. In these tests, the propulsion system is fixed to an instrumented mount, and the holding force on the mount is measured as thrust. This setup lets the system run while the...

piping networks and pressure losses

Measuring Pressure Drop in Pipe Components

This experiment measures pressure drop in pipe components used in internal flow systems. Friction from channel walls, fittings, and obstructions can turn fluid pressure into heat, which reduces the pressure available for flow. A piping network is built with straight tubing, helical tube coils, and elbow fittings with sharp 90° bends. Pressure loss is measured across each component set with manometers, which show fluid pressure by the height of liquid in an open vertical column. The measured...

quenching and boiling

Heat Transfer During Metal Quenching

Controlled heating followed by rapid cooling is a key step in many materials processing applications. This heat-treating process can make a material harder. That matters for cutting tools and for surfaces that must resist wear. The rapid cooling stage is called quenching. It is often done by placing the material in a fluid bath, such as water or oil. Quenching heat transfer can happen by forced convection, when fast movement through the coolant drives heat transfer, or by free convection, when...

hydraulic jumps

Water Flow Slowing in a Hydraulic Jump

Hydraulic jumps show how fast open-channel water can suddenly slow down and rise. When water moves at high velocity along an open channel, the flow can become unstable. Small disturbances can make the upper surface jump to a higher level. This abrupt rise is called a hydraulic jump. As the water level increases, the average flow velocity drops. The fast-moving water also loses kinetic energy, and that energy is dissipated as heat. Engineers often build hydraulic jumps into large water works,...

heat exchanger analysis

Measuring Heat Transfer in a Tube Exchanger

Heat exchangers move thermal energy between two fluid streams and are common in energy systems. They appear in car radiators, refrigerator evaporators, and cooling towers in power plants. In each case, heat moves from one fluid to another, either directly or through a surface. This experiment focuses on a water-to-water tube-in-tube heat exchanger. The setup is built and then tested with temperature and flow rate measurements. These measurements are used to find the heat transfer rate, or Q,...

introduction to refrigeration

Hand-Pump Vapor Compression Refrigeration

Vapor compression refrigeration shows how refrigerators, freezers, air-conditioning systems, and heat pumps remove heat. It is the dominant refrigeration technology used in many everyday devices. In this cycle, cooling happens when refrigerant evaporates at low pressure. The absorbed thermal energy is then released to the surroundings when the refrigerant condenses at high pressure. The compressor is the part that raises the working fluid from low pressure to high pressure. Mechanical work is...

hot wire anemometry

Measuring Turbulent Flow with Hot Wires

Hot-wire anemometry measures fast changes in fluid flow with a thin heated wire. Its very short time response makes it useful for rapidly fluctuating motion, especially turbulent flows. This experiment demonstrates how hot-wire anemometry is used in practice. It shows a method for tracking flow conditions when quick changes matter. The setup highlights why a hot-wire anemometer can capture details that slower sensors may miss.

measuring turbulent flows

Hot-Wire Analysis of a Turbulent Jet

Hot-wire anemometry is used to measure a turbulent jet and study its fast changes in speed. Turbulent flows have very high-frequency fluctuations, so they require instruments with a fast time response for proper measurement. A hot-wire anemometer has that short response time and can capture these rapid velocity changes. A previously calibrated hot-wire probe is used to collect velocity data at different positions within the jet. These measurements show how the flow varies across the turbulent...

visualization of flow past a bluff body

Hydrogen Bubble Flow Around a Cylinder

Hydrogen bubble flow around a circular cylinder shows how fluid moves past a bluff body. A bluff body is an object with a shape that causes separated flow over most of its surface. This is different from a streamlined body, such as an airfoil, which stays aligned with the stream and causes less flow separation. Fluid motion can form complex patterns because its governing laws are non-linear. Scientists have studied these patterns for centuries. Computers and supercomputers can help predict...

jet impinging on an inclined plate

Measuring Jet Force on an Inclined Plate

A plane jet striking an inclined plate shows how fluid flow can exert force on a surface. The experiment focuses on how dynamic pressure changes into static pressure at the plate and how that change affects the load on the structure. Pressure is measured along the plate to build a pressure distribution. The plate has small perforations called pressure taps, and these taps connect through hoses to a scanning valve. The scanning valve sends pressure from one tap at a time to a diaphragm pressure...

conservation of energy approach to system analysis

conservation-of-energy-approach-to-system-analysis

Fan-Pipe Flow and Valve Pressure Loss

This experiment examines steady, incompressible flow in a short pipe with a gate valve. It uses the energy conservation equation to track how pressure and flow change through the system. The gate valve is gradually closed, and its effect on the flow conditions is measured. The setup shows how energy dissipation helps a valve restrict flow. It also links the pipe system to the fan that drives the flow by comparing the system curve with the fan’s characteristic curve. The same pressure-based...

mass conservation and flow rate measurements

mass-conservation-and-flow-rate-measurements

Calibrating a Smooth Contraction Flowmeter

Mass conservation can be used to calibrate a smooth contraction as a flowmeter. The experiment uses a control volume, or CV, formulation. A control volume is a simplified region used to study the macroscopic effect of flow on an engineering system. This approach focuses on the main mass exchange in the system rather than the detailed flow pattern. It is a complementary method to differential analysis, which looks at the flow in more detail. In design work, the CV method can give an engineer an...

determination of impingement forces on a flat plate with the control volume method

determination-impingement-forces-on-flat-plate-with-control-volume

Jet Impact and Plate Force Measurement

A plane jet striking a flat plate creates a force that can be estimated from changes in linear momentum. This experiment uses a control volume formulation to study that force at different angles. A control volume is an imaginary closed surface that surrounds the flow region and helps simplify the analysis. The control volume approach focuses on the macroscopic effect of flow on an engineering system. It does not try to describe every detail of the fluid motion. Instead, it identifies the main...

mechanical engineering

This collection introduces a range of concepts that are essential for understanding and designing mechanical systems. Each video examines a specific topic and describes fundamental analytical methods commonly employed to understand physical behaviors.

See how hull shape and cargo placement affect boat stability in a model water test. Students compare roll angle, self-righting, and oscillation with theory.

How Cargo Changes Boat Stability

Description

Transcript

Tags